DE102020118370B3

DE102020118370B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE102020118370B3
Application number: DE102020118370.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Fähler; Dietmar Berger; Daniel Dzekan; Anja Waske; Bruno Neumann
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf E V De
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2021-11-04
Anticipated expiration: 2040-07-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energietechnik und betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie. Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass thermomagnetische Generatoren zu hohe thermische Verluste, einen geringen Systemwirkungsgrad und einen zu langsamen Wärmeaustausch aufweisen.Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein thermomagnetischer Generator bereitgestellt, der zwei im Wesentlichen baugleiche Baugruppen enthält, wobei jede Baugruppe mindestens ein Bauelement aus magnetflussleitendem Material, mindestens eine Spule und mindestens ein Bauelement aus hartmagnetischem Material aufweist, und bei dem die beiden Baugruppen zwei Magnetkreise bilden. Zudem weist jede Baugruppe mindestens zwei Einlasskanäle auf, die direkt im Bauelement aus magnetflussleitendem Material ausgebildet sind Die Vorrichtung kann beispielsweise in der Automobilindustrie, in der Lebensmittelindustrie, in der chemischen Industrie oder an Großrechnern zur Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie, aber auch zur Umwandlung von Wärme aus der Umwelt in elektrische Energie eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energietechnik und betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie. Die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft einen thermomagnetischen Generator, der beispielsweise in der Automobilindustrie, in der Lebensmittelindustrie, in der chemischen Industrie oder an Großrechnern zur Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie, aber auch zur Umwandlung von Wärme aus der Umwelt (Geothermie) in elektrische Energie eingesetzt werden kann.
Das Prinzip des thermomagnetischen Generators ist bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Die theoretisch fundierte Wirkungsweise eines thermomagnetischen Generators wurde insbesondere durch die Erkenntnisse von Brillouin und Iskenderian aufgezeigt [Brillouin, L. and Iskenderian H.P., Thermomagnetic Generator, Electrical communication 25(8), 300-311 (1948)]. Dabei werden zwei weichmagnetische Materialien A und B gegenläufig erwärmt und abgekühlt, wodurch sich die relative Permeabilität µ_r und somit auch die Magnetisierung ändert. Ein Permanentmagnet in einer Spule erzeugt einen magnetischen Fluss, der je nach Temperatur des weichmagnetischen Materials entweder durch die Spule A oder B gelenkt wird. Die Änderung des magnetischen Flusses führt sodann in den Spulen zu einer induzierten Spannung.
Der besondere Vorteil thermomagnetischer Generatoren besteht darin, dass thermische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird, indem eine magnetische Phasenumwandlung eines thermomagnetischen Materials ausgenutzt wird, wodurch keine Zwischenumwandlung in mechanische Energie erforderlich ist. Für thermomagnetische Motoren [Tesla, N. US Patent 396121A (1889)] und Oszillatoren [Deepak, K., Varma, V., Prasanna, G., and Ramanujan, R. Hybrid thermomagnetic oscillator for cooling and direct waste heat conversion to electricity, Appl. Energy 233-234, 312 - 320 (2019)] sowie [Gueltig, M. et al. High-performance thermomagnetic generators based on heusler alloy films, Adv. Energy Mater. 7(5), 1601879 (2017)] ist jeweils eine Zwischenumwandlung in mechanische Energie notwendig. Durch die Phasenumwandlung ändern sich die Magnetisierung und die Permeabilität des thermomagnetischen Materials. Wird eine Spule um ein solches thermomagnetisches Material positioniert, so wird eine elektrische Spannung induziert.
In neuer Zeit werden als thermomagnetisches Material für thermomagnetische Generatoren auch Materialen eingesetzt, die einen magnetokalorischen Effekt (MCE) zeigen. In einem Material, das einen magnetokalorischen Effekt zeigt, führt die Ausrichtung von zufällig orientierten magnetischen Momenten durch ein externes Magnetfeld zu einer verstärkten Erwärmung des thermomagnetischen Materials. Diese Wärme kann vom MCE-Material in die Umgebungsatmosphäre durch einen Wärmetransfer abgeführt werden. Wenn das Magnetfeld daraufhin abgestellt oder entfernt wird, gehen die magnetischen Momente wieder in eine Zufallsanordnung über, was zu einem Abkühlen des Materials unter Umgebungstemperatur führt. Dieser Effekt kann einerseits zu Kühlzwecken ausgenutzt werden, andererseits, um Wärme in elektrische Energie umzuwandeln.
Der besondere Vorteil von thermomagnetischen Materialien mit ausgeprägtem MCE besteht insbesondere darin, dass sich deren Magnetisierung in einem relativ kleinen Temperaturbereich stark ändert und dass die Curie-Temperatur dieser Materialien im Bereich natürlicher Umgebungstemperaturen liegt. Damit sind thermomagnetische Generatoren besonders bei geringen Temperaturunterschieden im Bereich unterhalb von 100°C effektiv einsetzbar. Für den Einsatz in thermomagnetischen Generatoren empfehlen sich beispielsweise folgende Materialien: LaFe_11.8Si_1.2H₁, Ni₄₅Co₅Mn_36.7In_13.3, Mn_1.25Fe_0.7P_0.5Si_0.5, Y₂Fe₁₇ sowie Gadolinium [Dzekan, D. et al., Efficient and affordable thermomagnetic materials for harvesting low grade waste heat, arxiv/2001.03375 (2020)]. Ebenfalls einsetzbar ist das Material La(FeCoSi)₁₃, das kommerziell unter dem Handelsnamen CaloriVAC C (Firma Vacuumschmelze Hanau) erhältlich ist.
Trotz dieses signifikanten Fortschrittes erreichen bisher bekannte thermomagnetische Generatoren lediglich einen thermodynamischen Wirkungsgrad von η_rel = 1.7*10^-3 %, relativ zum Carnot-Wirkungsgrad η_Carnot=ΔT/T_hot, der das thermodynamische Limit darstellt. [Waske, A. et al. Energy harvesting near room temperature using a thermomagnetic generator with a pretzel-like magnetic flux topology. Nat. Energy 4(68-74) (2019).]
Zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt.
Bekannt ist aus der US 2 619 603 A eine thermomagnetische Vorrichtung, bei der röhrenförmig ausgebildete ferromagnetische Elemente mit unterschiedlichen Curiepunkten angeordnet sind, die wechselseitig um den Bereich der Curiepunkt-Temperaturen mit einem Heiz- und Kühlmittel erwärmt und abgekühlt werden können, wobei die ferromagnetischen Elemente durch Mittel zur Isolierung voneinander getrennt mit einem Spalt angeordnet sind.
Aus der DE 3 732 312 A1 ist ein magnetokalorischer Induktor zur Erzeugung elektrischer Energie bekannt, der aus ein bis zwei Magnetkreisen mit Permanentmagneten und Dynamoblechkernen besteht, welche von Jochblechkernen über ihre gesamte Kernquerschnittsfläche durch einen mit metamagnetischen Schichten ausgefüllten Luftspalt getrennt sind.
Aus der EP 2 465 119 A1 ist ein Wärmetauscherbett aus einer Kaskade von mindestens drei unterschiedlichen magnetokalorischen Materialien mit unterschiedlichen Curie-Temperaturen bekannt, die gemäß aufsteigender oder absteigender Curie-Temperatur aneinandergereiht und vorzugsweise jeweils durch dazwischenliegende thermische und/oder elektrische Isolatoren voneinander isoliert sind, wobei die Differenz der Curie-Temperaturen benachbarter magnetokalorischer Materialien 0,5 bis 2,5 °C beträgt.
Die EP 2 408 033 B1 gibt eine Stromerzeugungsvorrichtung an, die eine Vielzahl von thermomagnetischen Generatoren umfasst, wobei jeder der thermomagnetischen Generatoren ein thermomagnetisches Material, eine Spule, die ein thermomagnetisches Material umgibt, und einen Fluidmischer zum Mischen eines ersten Fluids mit einem zweiten Fluid und zum Ausgeben des gemischten Fluids an das thermomagnetische Material aufweist, wobei sich eine Fluidtemperatur des ersten Fluid von der Fluidtemperatur des zweiten Fluids unterscheidet, und wobei ein Durchflussregler die Menge und die Flussrate des zweiten Fluides in die thermomagnetischen Generatoren steuert, wobei das erste Fluid einen konstanten Fluss aufweist.
Aus der DE 10 2012 020 486 A1 ist ein thermomagnetischer Generator bekannt, der ein Schaltventil, ein Reservoir für heiße und kalte Fluide und Rohrleitungen für diese Flüssigkeiten, mehrere Magnetkreiseinheiten, eine Spule und mehrere Einlassrohre, die die Magnetkreiseinheiten mit dem Schaltventil verbinden, enthält. Jede der Magnetkreiseinheiten enthält ein magnetokalorisches Element. Das Schaltventil schaltet mit einer vorgegebenen Frequenz wiederholt und abwechselnd, um heiße und kalte Fluide zu den Magnetkreiseinheiten zu führen, so dass die magnetokalorischen Elemente durch die kalten und heißen Fluide magnetisiert und entmagnetisiert werden. Die Spule ist an wenigstens eine der Magnetkreiseinheiten gekoppelt, um eine induzierte Spannung zu erhalten.
Aus der WO 2009 133 047 A2 ist ein thermomagnetischer Generator bekannt, der Wärmeenergie in elektrische Energie ohne zwischenzeitliche Umwandlung in mechanische Arbeit umwandelt, der bei Temperaturen im Bereich von -20 °C bis 200 °C arbeitet und ein thermomagnetisches Material enthält, das ausgewählt ist aus Verbindungen der allgemeinen Formel (I) (A_yB_y-1)_2+δC_wD_xE_z, oder eine Verbindung der Formel La(Fe'x'Al_1-x)₁₃H_y oder La(Fe_xSi_1-x)₁₃H_y, oder Heusler-Legierungen des Typs MnTP, oder Verbindungen der Formel Gd₅(Si_xGe_1-x)₄, Fe₂P-basierte Verbindungen, oder Manganiten des Perovskit-Typs, oder Verbindungen der Formel Tb₅(Si_4-xGe_x), oder Verbindungen der Formel Mn_2-xZ_xSb oder Mn₂Z_xSb_1-x.
Aus der DE 31 06 520 A1 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mittels eines magnetischen Systems bekannt, das aus Permanentmagneten, Joch und Kernteilen als Leitstücke und einem Schaltteil mit temperaturabhängigen magnetischen Eigenschaften zum Umschalten des Magnetflusses besteht. Die Anordnung der Vorrichtung ermöglicht es, den magnetischen Fluss durch zwei thermomagnetische Bauelemente zwischen zwei Induktionsspulen umzuschalten, indem alternierend die Magnetfeldkreise für die zwei Induktionsspulen durch die thermomagnetischen Bauelemente geschaltet werden. Durch das Umschalten des magnetischen Flusses zwischen diesen zwei Induktionsspulen bleibt die magnetische Flussrichtung in den jeweiligen Induktionsspulen jedoch unverändert.
Aus der JP H07-107 764 A ist eine thermomagnetische Vorrichtung bekannt, die zwei Permanentmagneten und zwei thermomagnetischen Bauelementen aufweist, die Bestandteile eines Magnetfeldkreislaufes sind. Dabei sind die beiden Magnetfeldkreise durch eine Spule derart miteinander gekoppelt, dass sich die magnetische Flussrichtung zwar umkehrt, jedoch ist stets nur einer der Magnetfeldkreise durch magnetisches Material geschlossen.
Aus der DE 10 2016 122 274 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie bekannt, bei der ein oder mehrere thermomagnetische Generatoren vorhanden sind, wobei ein thermomagnetischer Generator mindestens ein erstes und ein zweites thermomagnetisches Bauelement, mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material, mindestens eine Spule und mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material enthält, wobei die thermomagnetischen Bauelemente und die mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material jeweils örtlich getrennt voneinander angeordnet sind, und wobei die thermomagnetischen Bauelemente und die Bauelemente aus hartmagnetischem Material mit den mindestens zwei Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material verbunden sind. Die thermomagnetischen Bauelemente sind von der mindestens einen Spule örtlich getrennt angeordnet, wobei die mindestens eine Spule als Spulenkern mindestens einen Teilbereich des Verbindungselementes aus magnetflussleitendem Material aufweist. Die mindestens zwei thermomagnetischen Bauelemente, die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material, die mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material und die mindestens eine Spule sind zu mindestens zwei Magnetkreisläufen ausgebildet. Die magnetischen Nordpole der mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material sind mit einem der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material verbunden und deren magnetischen Südpole sind mit dem anderen Verbindungselement der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material verbunden.
Auch bekannt aus der DE 10 2017 126 803 A1 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, umfassend einen oder mehrere thermomagnetische Generatoren, wobei ein thermomagnetischer Generator mindestens ein erstes und ein zweites thermomagnetisches Bauelement, mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material, mindestens eine Spule und mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material enthält. Die thermomagnetischen Bauelemente und die mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material sind jeweils örtlich getrennt voneinander angeordnet sind, wobei die thermomagnetischen Bauelemente und die Bauelemente aus hartmagnetischem Material mit den mindestens zwei Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material verbunden sind und die thermomagnetischen Bauelemente von der mindestens einen Spule örtlich getrennt angeordnet sind. Die mindestens eine Spule als Spulenkern weist mindestens einen Teilbereich des Verbindungselement aus magnetflussleitendem Material auf, wobei die mindestens zwei thermomagnetischen Bauelemente, die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material, die mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material und die mindestens eine Spule zu mindestens zwei Magnetkreisläufen ausgebildet sind. Die magnetischen Nordpole der mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material sind mit einem der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material verbunden und deren magnetischen Südpole sind mit dem anderen Verbindungselement der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material verbunden.
Zudem sind aus der EP 0 308 611 A1 Magnetkreise mit integrierten metamagnetischen Plättchen, Permanentmagneten, Dynamoblechkernen und Spulen bekannt, die sich in ihrer Funktionsweise ähnlich den elektronischen Analogiesystemen Monoflop und FlipFlop verhalten. Seine magnetischen physikalischen Schaltelemente sind monokristalline metamagnetische Plättchen, welche zwischen den Dynamoblech-Polschuhen des Permanentmagneten und dem Jochblechkern mit Induktionsspule 8 angeordnet sind. Jeder Steuerstrom-Impuls durch Spule löst elektromagnetisch einen Magnetisierungssprung in den metamagnetischen Plättchen aus, dabei schalten sie vom statisch bevorzugten antiferro- in den ferromagnetischen Zustand um und nach Ausklingen des Steuerimpulses- zurück, wobei der Jochkern auf- und wieder entmagnetisiert wird.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist, dass bisherige thermomagnetische Generatoren, insbesondere auch im Vergleich zu thermoelektrischen Generatoren, zu hohe thermische Verluste, einen zu geringen Systemwirkungsgrad und einen zu langsamen Wärmeaustausch aufweisen. Zudem können die bekannten thermomagnetischen Generatoren nicht flexibel an sich ändernde Einsatzbedingungen angepasst werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen thermomagnetischen Generator bereitzustellen, der gegenüber den Lösungen des Standes der Technik geringere thermische Verluste, einen verbesserten Systemwirkungsgrad und einen schnelleren Wärmeaustausch aufweist. Zudem besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen thermomagnetischen Generator bereit zu stellen, der mit geringem Aufwand flexibel an sich ändernde Einsatzbedingungen angepasst werden kann.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie gelöst, umfassend mindestens einen thermomagnetischen Generator, wobei der thermomagnetische Generator mindestens eine Baugruppe aufweist, die aus einem ersten und einem zweiten Bauteil gebildet ist, wobei das erste und zweite Bauteil jeweils mindestens ein Bauelement aus magnetflussleitendem Material, mindestens eine Spule und mindestens ein Bauelement aus hartmagnetischem Material aufweist und, wobei jedes erste und zweite Bauteil mindestens zwei Einlasskanäle für die Zuführung von Fluiden aufweist, und wobei die mindestens eine Spule eines jeden Bauteils in einem stegartig ausgebildeten Abschnitt des mindestens einen Bauelementes aus magnetflussleitendem Material angeordnet ist, und wobei das erste und zweite Bauteil durch mindestens zwei Verbindungselemente miteinander verbunden sind, die jeweils ein thermomagnetisches Material aufweisen, wodurch mindestens zwei Magnetkreisläufe ausgebildet sind, und wobei die Verbindungselemente jeweils getrennte Öffnungen für die Zu- und Abführung von Fluiden aufweisen, durch die ein wechselseitiges Durchströmen von unterschiedlich temperierten Fluiden durch die mindestens zwei Verbindungselemente und deren thermomagnetisches Material realisierbar ist, wobei das erste und zweite Bauteil baugleich sind, bis auf eine entgegengesetzt ausgerichtete Magnetisierung des mindestens einen Bauelementes aus hartmagnetischem Material des ersten Bauteils gegenüber der Magnetisierung des mindestens einen Bauelementes aus hartmagnetischem Material des zweiten Bauteils.
Vorteilhafterweise weisen das erste und zweite Bauteil jeweils zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material auf und sich das erste und zweite Bauelement spiegelbildlich gegenüberliegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verbindungselement mit dem thermomagnetischen Material im Wesentlichen aus parallel und beabstandet angeordneten Rundstäben, Halbrundstäben, Quadrat- oder Rechteckstäben, mittels Powder-In-Tube-Technologie hergestellten magnetokalorischen Drähten und/oder mittels additivem Verfahren hergestellten Formkörpern gebildet.
Auch vorteilhafterweise weisen die Rundstäbe, Halbrundstäbe Quadrat- oder Rechteckstäbe, magnetokalorischen Drähte und/oder Formkörper eine Höhe oder einen Durchmesser von 0,1 mm bis 0,5 mm auf, wobei besonders vorteilhaft ist, wenn die Rundstäbe, Halbrundstäbe Quadrat- oder Rechteckstäbe, magnetokalorischen Drähte und/oder Formkörper ein Verhältnis Breite zu Höhe von 0,2 bis 1 aufweisen, und auch, wenn das thermomagnetische Material der Verbindungselemente eine Korrosionsschutzschicht aufweist.
Auch vorteilhaft ist es, wenn sich zwischen den Verbindungselementen aus thermomagnetischem Material und den magnetflussleitenden Materialien mindestens ein thermisch isolierendes Material befindet, das mit dem thermomagnetischen Material des Verbindungselementes und den Bauelementen aus magnetflussleitendem Material kraft-, form- und oder stoffschlüssig verbunden ist und das mindestens eine Öffnung aufweist, durch die der Zufluss von Fluid aus einem Einlasskanal zum thermomagnetischen Material möglich ist, wobei besonders vorteilhafterweise das thermisch isolierende Material eine relative Permeabilität größer als 1000 oder ferromagnetische Ordnung aufweist, und auch vorteilhafterweise, wenn das thermisch isolierende Material auf beiden Seiten des thermomagnetischen Materials der Verbindungselemente in Form von thermischen Isolationsschichten, Folien oder Platten angeordnet ist.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das thermomagnetische Material aus Ferrit oder eine Aerogelschicht ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist das Bauelement aus magnetflussleitendem Material aus einer niedrigkoerzitiven Permalloy-Legierung, einer hochremanenten FeCo-Legierung oder aus FeSi-Transformatorblechen hergestellt.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn mindestens die Verbindungselemente aus thermomagnetischem Material, die das erste und zweite Bauteil miteinander verbinden, als Module austauschbar sind.
Und auch vorteilhafterweise sind das erste und zweite Bauteil thermisch voneinander isoliert sind.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, bei dem über einen ersten von zwei Einlasskanälen, die in einem ersten Bauelement aus magnetflussleitendem Material ausgebildet sind, ein erstes Fluid mit einer Temperatur ϑ₁ zugeführt wird und bei dem über einen zweiten von zwei Einlasskanälen, die in einem zweiten Bauelement aus magnetflussleitendem Material ausgebildet sind, ein zweites Fluid mit einer Temperatur ϑ₂ zugeführt wird und beide Fluide zu jeweils einem Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material geleitet werden, wodurch das thermomagnetische Material eines ersten Verbindungselementes erwärmt und gleichzeitig das thermomagnetische Material eines zweiten Verbindungselementes abgekühlt wird und die Magnetisierung im thermomagnetischen Material der Verbindungselemente verändert wird und gleichzeitig in einem ersten Magnetkreislauf durch Bauelemente aus hartmagnetischem Material ein gerichteter magnetischer Fluss realisiert wird, der in mindestens einer Spule, die in einem stegartig ausgebildeten Anschnitt der Bauelementen aus magnetflussleitendem Material angeordnet ist, durch die erzeugte magnetische Flussänderung in den Bauelementen aus magnetflussleitendem Material eine elektrische Spannung induziert, und anschließend über den zweiten von zwei Einlasskanälen, die in einem ersten Bauelement aus magnetflussleitendem Material ausgebildet sind, ein erstes Fluid mit einer Temperatur ϑ₁ zugeführt wird und bei dem über einen ersten von zwei Einlasskanälen, die in einem zweiten Bauelement aus magnetflussleitendem Material ausgebildet sind, ein zweites Fluid mit einer Temperatur ϑ₂ zugeführt wird und beide Fluide zu jeweils einem Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material geleitet werden, wodurch das thermomagnetische Material des gleichen ersten Verbindungselementes nunmehr gekühlt und gleichzeitig das thermomagnetische Material des gleichen zweiten Verbindungselementes nunmehr erwärmt wird und dabei die Magnetisierung im thermomagnetischen Material der Verbindungselemente verändert wird und gleichzeitig in einem zweiten Magnetkreislauf durch die Bauelemente aus hartmagnetischem Material ein gerichteter magnetischer Fluss realisiert wird, der die mindestens eine Spule nunmehr in entgegengesetzter Richtung durchläuft und dabei aufgrund seiner Änderung in derselben mindestens einen Spule eine Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen induziert.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erstmals ein thermomagnetischer Generator bereitgestellt, der gegenüber den Lösungen des Standes der Technik geringere thermische Verluste, einen verbesserten Systemwirkungsgrad, einen schnelleren Wärmeaustausch und somit eine höhere Leistungsdichte ermöglicht. Zudem ist der thermomagnetische Generator in einfacher Weise mit geringem Aufwand flexibel an sich ändernde Einsatzbedingungen anpassbar.
Erreicht werden die technischen Vorteile und Wirkungen durch einen neuartigen thermomagnetischen Generator, der zwei im Wesentlichen baugleiche Bauteile enthält, wobei jede Baugruppe aus einem ersten und einem zweiten Bauteil gebildet ist, wobei das erste und das zweite Bauteil jeweils mindestens ein Bauelement aus magnetflussleitendem Material, mindestens eine Spule und mindestens ein Bauelement aus hartmagnetischem Material aufweist, und bei dem die beiden Bauteile als Baugruppe zwei Magnetkreise bilden.
Zudem weist erfindungsgemäß jedes Bauteilmindestens zwei Einlasskanäle auf, die direkt im Bauelement aus magnetflussleitendem Material ausgebildet sind und die wechselseitige Zuführung unterschiedlich temperierter Fluide zu den erfindungsgemäßen Verbindungselementen aus thermomagnetischem Material ermöglichen. Der technische Vorteil der Anordnung von mindestens zwei Einlasskanälen in jedem ersten und zweiten Bauteil aus magnetflussleitendem Material besteht darin, dass die erfindungsgemäßen Einlasskanäle konkret in das Bauelement aus magnetflussleitendem Material (Magnetjoch) eingebracht sind und so das warme Fluid bzw. das kalte Fluid in den thermomagnetischen Generator eingeleitet und direkt dem thermomagnetischen Material der Verbindungselemente zugeführt werden kann. Zudem bietet dies die Möglichkeit, eines der Magnetjoche nur mit warmem (Warmjoch) und das andere Magnetjoch nur mit kaltem Fluid (Kaltjoch) anzusteuern, wodurch thermische Verluste reduziert werden. Durch diesen Aufbau unterscheiden sich die Temperaturen beider Magnetjoche voneinander, die hierfür erforderliche Wärme wird jedoch nur beim Hochfahren der Anlage benötigt und nicht während des Betriebes, so dass hierdurch keine Wärmeverluste entstehen. Dabei ist es auch möglich, dass entweder das warme Fluid oder aber das kalte Fluid auf dem Niveau der Umgebungstemperatur liegt.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem eine Mischkammer für die Zuführung der Fluide verwendet wird, um dem thermomagnetischen Plattenmaterial alternierend kalte und warme Kühlflüssigkeit zuzuführen, kann durch die erfindungsgemäßen Einlasskanäle im Bauelement aus magnetflussleitendem Material auf eine Mischkammer verzichten werden, wodurch die Durchmischung des warmen und kalten Fluids vermieden wird. Dies führt zu einer Reduzierung der thermischen Verluste und damit zu einer Erhöhung des Systemwirkungsgrades des thermomagnetischen Generators.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die im Wesentlichen baugleichen Bauteile durch mindestens zwei Verbindungselemente, die jeweils ein thermomagnetisches Material aufweisen, zu mindestens zwei Magnetkreisläufen zu verbinden.
Als Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material soll im Rahmen der Erfindung ein Bauelement verstanden werden, bei dem durch eine Änderung der Temperatur des thermomagnetischen Materials eine Änderung der Magnetisierung realisiert wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn durch das thermomagnetische Material eine Änderung der Magnetisierung > 50 % (bezogen auf den ferromagnetischen Zustand) bei einem Temperaturgradienten unterhalb von ca. 30 Kelvin erreicht wird.
Über die Verbindungselemente mit einem thermomagnetischen Material wird die Verbindung der im Wesentlichen baugleichen Bauteile miteinander hergestellt. Die Verbindungselemente mit dem thermomagnetischen Material weisen Öffnungen für die Zu- und Abführung von Fluiden auf, durch die eine wechselseitige Durchströmung unterschiedlich temperierter Fluide realisierbar ist. Die alternierende Zuführung der Fluide erfolgt somit direkt über die erfindungsgemäßen Einlasskanäle im jeweiligen Bauelement aus magnetflussleitendem Material zu den Verbindungselementen, die ein thermomagnetisches Material aufweisen. Die Fluide durchströmen die Verbindungselemente, somit auch das thermomagnetische Material und verlassen anschließend die Verbindungselemente vorteilhafterweise über seitlich ausgebildete Öffnungen, wobei durch die zentrale Lage der Zuführung und die seitliche Abführung der Fluide nach vorn und hinten eine Halbierung der Aufwärm- bzw. Abkühldauer des thermomagnetischen Materials und damit der Zyklusdauer erreicht wird.
Durch das alternierende Zuführen der Fluide wird erreicht, dass jeweils nur ein kaltes oder ein warmes Fluid zu den Verbindungselementen mit dem thermomagnetischen Material fließt. Dadurch ändern sich die Temperaturen des thermomagnetischen Materials innerhalb der Verbindungselemente. Durch die Anordnung der thermomagnetischen Verbindungselemente zwischen den Bauelementen aus magnetflussleitendem Material wird erfindungsgemäß eine besonders vorteilhafte thermische Isolierung gegenüber der Umgebung erreicht, wodurch Wärmeverluste reduziert werden. Die Einlasskanäle im Magnetjoch schneiden nahezu keine Magnetfeldlinien und reduzieren daher auch nicht die erzielbare elektrische Nutzleistung.
Besonders vorteilhafte Eigenschaften werden dann erreicht, wenn das thermomagnetische Material der Verbindungselemente aus im Wesentlichen parallel angeordneten Rundstäben, Halbrundstäben, Quadrat- oder Rechteckstäben und/oder magnetokalorischen Drähten gebildet ist. Ebenfalls ist es in einer vorteilhaften Ausführung möglich, dass das thermomagnetische Material des Verbindungselementes Formkörper ist, der mittels additiver Verfahren hergestellt ist. Ein mittels additiver Verfahren hergestellter Formkörper bietet den Vorteil, dass verschiedene Formen und Ausbildungen des Formkörpers realisiert werden können, die individuell an die gewünschten Einsatzbedingungen und Anforderungen angepasst werden können.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rundstäbe, Halbrundstäbe Quadrat- und/oder Rechteckstäbe oder die Formkörper ein Verhältnis Breite zu Höhe von 0,2 bis 1 aufweisen. Als thermomagnetisches Material können außerdem auch magnetokalorische Drähte eingesetzt werden, die mittels Powder-in-Tube (PIT) Technologie hergestellt sind. Der Vorteil dieser Drähte für thermomagnetische Anwendungen liegt nicht nur in ihrem sehr hohen Aspektverhältnis, sondern auch im verbesserten Korrosionsschutz durch die den magnetokalorischen Draht umgebende Edelstahlhülle. So besteht die Möglichkeit, Drähte mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm mit dünnerer Drahthülle zur Verfügung zu stellen und als thermomagnetisches Material einzusetzen.
Für eine gute magnetische Anbindung zwischen thermomagnetischem Material und Magnetjoch ist deren Verbindung derart ausgebildet, dass der Magnetfluss durch den Stab möglichst ungehindert von Magnetjoch zu Magnetjoch fließen kann.
Statt der bisher im Stand der Technik verwendeten Platten als thermomagnetisches Material wird vorteilhafterweise ein stabförmig ausgebildetes thermomagnetisches Material eingesetzt, das beispielsweise durch Sägen oder Erodieren hergestellt ist.
Es ist bekannt, dass das thermomagnetische Material, dass bisher als Platten vorgelegen hat, als Schalter des magnetischen Flusses betrachtet werden kann. Die Wärme, die zum Heizen bzw. Abkühlen des thermomagnetischen Materials benötigt wird, ist dabei proportional zum Volumen des thermomagnetischen Plattenmaterials mit V = d*h*l. Geschaltet wird in einem thermomagnetischen Generator jedoch nur der Magnetfluss durch den Querschnitt d*l. Die erfindungsgemäße Änderung der Geometrie des thermomagnetischen Materials von einer Plattenform in ein stabförmig ausgebildetes thermomagnetisches Material führt dazu, dass die Verlustleistung direkt proportional reduziert wird. Die Auswirkungen der vorgeschlagenen stabförmigen Geometrie des thermomagnetischen Materials und somit der reduzierten Plattenhöhe auf die Funktion als magnetischer Schalter konnten mittels numerischer Rechnungen bestimmt werden. Die für die elektrische Nutzleistung notwendige Änderung des magnetischen Flusses reduziert sich mit reduzierter Plattenhöhe nur langsam. Wird die Plattenhöhe um einen Faktor 20 beispielsweise von 10 mm auf 0,5 mm reduziert, so reduziert sich der magnetische Fluss nur um ca. 50 % und somit die Leistung, die quadratisch von der Flussänderung abhängt, auf 25 %. Da allerdings auch die zum Schalten des thermomagnetischen Materials erforderliche Wärmemenge linear mit der Plattenhöhe skaliert, reduziert sich die hierfür erforderliche Wärmemenge sogar um 95 %.
Eine Verbesserung der Geometrie des thermomagnetischen Materials durch Reduktion der Plattenhöhe hat damit einen positiven Einfluss auf die Baugröße und insbesondere auf die zum Schalten des thermomagnetischen Materials erforderliche Wärmemenge, wodurch Leistungsdichte und Effizienz des thermomagnetischen Generators verbessert werden.
Die neuartige Geometrie des thermomagnetischen Materials der Verbindungselemente in Kombination mit der direkten Zuführung der Fluide über die erfindungsgemäßen Einlasskanäle im Bauelement aus magnetflussleitendem Material ohne Einsatz einer Mischkammer ermöglicht eine wesentliche Verbesserung des Systemwirkungsgrades.
Die vorgeschlagene Lösung für die erfindungsgemäßen Verbindungselemente benötigt keine Mischkammer, der gewonnene zeitliche Vorteil kann direkt für eine höhere Schaltfrequenz genutzt werden, was wiederum eine verbesserte Systemleistung ermöglicht. Des Weiteren führt die zentrale Anordnung der Eintrittsöffnungen an Ober- und Unterseite des Verbindungselementes in Verbindung mit den beiden seitlichen Austrittsöffnungen zu einer Halbierung der Anströmlänge am thermomagnetischen Material, wodurch sich ein weiterer zeitlicher Vorteil ergibt, der ebenfalls zur Erhöhung der Schaltfrequenz genutzt werden kann.
Die Erhöhung der Schaltfrequenz führt linear zu einer Erhöhung der erzielbaren elektrischen Leistung. Bei gleicher Baugröße erhöht sich damit auch die Leistungsdichte des thermomagnetischen Generators.
Positiver Nebeneffekt einer höheren Frequenz bei der wechselseitigen Zuführung unterschiedlich temperierter Fluide ist eine weitere Reduktion der Wärmeleitungsverluste im Magnetjoch. Da die Diffusionslängen und damit die Wärmeverluste mit der Quadratwurzel der Zeit skalieren, wird durch die Erhöhung der Frequenz eine signifikante Steigerung des Wirkungsgrades erreicht.
Zur Vermeidung von Wärmeverlusten weisen in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Verbindungselemente mit dem thermomagnetischen Material mindestens eine thermische Isolationsschicht auf, die zwischen dem thermomagnetischen Material und dem Bauelement aus magnetflussleitendem Material angeordnet ist. Möglich ist auch, dass die Verbindungselemente mit dem thermomagnetischen Material beidseitig eine thermische Isolationsschicht aufweisen. Durch die vorteilhafte Isolationsschicht zwischen Magnetjoch und thermomagnetischem Material können vorteilhafterweise weitere Wärmeleitungsverluste durch das Magnetjoch minimiert werden. Von Vorteil ist, wenn diese Isolationsschicht den magnetischen Fluss möglichst nicht behindert und somit eine hohe magnetische Permeabilität besitzt oder sogar ferromagnetisch mit einer hohen Magnetisierung ist. Zur zusätzlichen thermischen Isolation wird zwischen dem thermomagnetischen Material der Verbindungselemente und den beiden Magnetjochen der Bauelemente aus magnetflussleitendem Material beispielsweise eine Platte oder Folie aus Ferrit oder eine nichtmagnetische Aerogelschicht angeordnet. Im Vergleich zu Eisen weist beispielsweise Ferrit bei Raumtemperatur eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf (λ_Ferrit=4,0 W/(m*K), λ_Fe=76,2 W/(m*K)). Dadurch werden Wärmeleitverluste deutlich reduziert und der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen thermomagnetischen Generators wird weiter verbessert. Durch die Verwendung von Keratherm-Folie anstelle von Ferrit könnte sogar eine Wärmeleitfähigkeit von nur 1,0 W/(m*K) erreicht werden, vorteilhafterweise würde dabei auch die thermische Isolationsschicht dünner ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des thermomagnetischen Generators weist jedes Bauteil mindestens ein Bauelement aus hartmagnetischem Material auf. Zur Verbesserung der thermischen Isolation des thermomagnetischen Generators können vorteilhafterweise zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material je Bauteil vorhanden sein, die dann in den Bauteilen der Baugruppe gegenüberliegend und voneinander beabstandet angeordnet sind. Durch die beabstandete Anordnung der Bauelemente aus hartmagnetischem Material wird insbesondere eine thermische Entkopplung der beiden Bauteile erreicht, die zu einer weiteren Reduzierung der thermischen Verluste und zur Steigerung des Systemwirkungsgrades führt. Da beide beabstandete Bauelemente aus hartmagnetischen Materialien die gleiche, konstante Magnetisierungsrichtung aufweisen, trägt die Beabstandung nicht zu magnetischen Verlusten bei, wie sie sonst durch Spalte im Magnetfeldkreis entstehen.
Um Hystereseverluste zu vermeiden und einen möglichst hohen magnetischen Fluss zu erreichen wird vorgeschlagen, als magnetflussleitendes Material eine niedrigkoerzitive Permalloy-Legierung, eine hochremanente FeCo-Legierung oder FeSi-Transformatorbleche einzusetzen. Außerdem ist es vorteilhaft, die Bauelemente aus magnetflussleitendem Material in geblechter Bauweise auszuführen, um frequenzabhängige Wirbelstromverluste zu reduzieren.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des thermomagnetischen Generators ist mindestens das Verbindungselement mit dem thermomagnetischen Material als Modul der Baugruppen austauschbar. Das Modul kann dabei das Verbindungselement mit dem thermomagnetischen Material und zudem auch die mindestens eine Isolationsschicht enthalten. Das Verbindungselement kann nach dem Trennen der im Wesentlichen baugleich ausgebildeten Bauteile von den Verbindungselementen entfernt und durch ein anderes Modul ausgetauscht werden, dass beispielsweise auf ein anderes Fluid oder andere Einsatztemperaturen abgestimmt ist. Die im Wesentlichen baugleich ausgebildeten Bauteile werden kostensparend wiederverwendet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen

1 - den schematischen Aufbau des thermomagnetischen Generators mit Detailansicht des thermomagnetischen Bauelementes, und
2 - eine einzelnes Bauelement aus magnetflussleitendem Material in Ansicht von unten (a), Vorderansicht (b) und Draufsicht (c).

Ausführungsbeispiel 1
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem thermomagnetischen Generator weist zwischen horizontal angeordneten oberen und unteren Bauelementen aus magnetflussleitendem Material 1 als Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material linksseitig begrenzend ein erstes Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2a und rechtsseitig begrenzend ein zweites Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Bauelement 2b als thermomagnetische Bauelemente auf. Jedes Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2a, 2b besteht aus 33 rechteckigen Stäben (3), die aus La(FeCoSi)₁₃ hergestellt sind. Die Stäbe eines jeden Verbindungselementes aus thermomagnetischem Material 2a, 2b sind parallel zueinander und quer zur Ausrichtung der Bauelemente aus magnetflussleitendem Material 1 in einem Abstand von 0,25 mm angeordnet. Die Stäbe sind zu ihrer Oberseite sowie auch zu ihrer Unterseite jeweils mit plattenförmiger Isolation aus weichmagnetischem Ferritmaterial 4 bedeckt, welches als thermische Isolierschicht dient. In die plattenförmige Isolation ist jeweils eine 25 mm langer und 1 mm breiter Durchgang 5 eingebracht, durch welchen das jeweilige Fluid zum thermomagnetischen Material des Verbindungselementes strömen kann. Zur Vermeidung von thermischen Verlusten infolge Durchmischung der unterschiedlich temperierten Fluide sind die Durchgänge von oberer und unterer thermischer Isolation 4 um eine Schlitzbreite (d.h. 1 mm) gegeneinander außermittig zur Plattenmitte versetzt. Das Fluid verlässt die die Verbindungselemente aus thermomagnetischen Material 2a, 2b über nach vorn und hinten ausgebildete Öffnungen 6.
Neben den Verbindungselementen mitt dem thermomagnetischen Material 2a, 2b sind Permanentmagnete 7a, 7b aus thermisch gering leitfähigem Ferritmaterial als hartmagnetische Bauelemente angeordnet, die jeweils eine magnetische Flussdichte von 0,44 T aufweisen. Die magnetischen Nordpole der Permanentmagnete 7a, die als Pfeilspitzen dargestellt sind, sind mit dem oberen Bauelement aus magnetflussleitendem Material 1 verbunden und die magnetischen Südpole der Permanentmagnete 7b, die durch die Pfeilenden dargestellt sind, sind mit dem unteren Bauelement aus magentflussleitendem Material 1 verbunden. Zwischen dem oberen Permanentmagnet 7a und dem darunter angeordneten Permanentmagnet 7b verbleibt ein geringer Luftspalt 8 von maximal 2,5 mm, der ebenfalls als thermische Isolation zwischen oberem und unterem Bauelement aus magnetflussleitendem Material 1 dient und zudem mögliche Höhentoleranzen zwischen linkem und rechtem Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2a, 2b ausgleicht. Im Bereich zwischen den linken Permanentmagneten 7a, 7b und den rechten Permanentmagneten 7a, 7b sind um die Bauelemente aus magnetflussleitendem Material 1 zwei Spulen 9 mit einer Länge von jeweils 100 mm angeordnet, deren Spulenkerne jeweils durch den mittleren Bereich der Bauelemente aus magnetflussleitendem Material 1 gebildet werden.
Im Ruhezustand des thermomagnetischen Generators weisen die Verbindungselemente mit einem thermomagnetischen Material 2a, 2b jeweils Umgebungstemperatur und damit einen gleichen magnetischen Widerstand auf. Ein magnetischer Fluss in den zwei Spulen 9 liegt nicht vor, da der von den Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss gleichmäßig auf die Verbindungselemente mit einem thermomagnetischen Material 2a, 2b verteilt ist. Nun werden die Verbindungselemente mit einem thermomagnetischen Material 2a, 2b über die Einlasskanäle parallel zur Richtung des magnetischen Flusses in den Bauelementen aus magnetflussleitendem Material von unterschiedlich temperiertem Fluid durchströmt, wobei das erste Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2a über einströmendes warmes Fluid aus Einlasskanal 10a erwärmt wird und das zweite Verbindungselement mit einem thermomagnetische Material 2b über einströmendes kaltes Fluid aus Einlasskanal 11 b abgekühlt wird. Die Ventile zu den Einlasskanälen 10b und 11a sind zu diesem Zeitpunkt gesperrt. Die Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und dem kalten Fluid, welches durch die thermomagnetischen Bauelemente strömt, beträgt ΔT = 30 K, wobei der Mittelwert beider Temperaturen mit der Umwandlungstemperatur des thermomagnetischen Materials zusammenfällt. Dadurch ändern sich die Magnetisierungen in den thermomagnetischen Materialien der Verbindungselemente und somit deren magnetische Permeabilität. Durch die Permanentmagnete 7a, 7b wird ein gerichteter magnetischer Fluss erzeugt, dessen Änderung beim Durchfließen der beiden Spulen 9 entlang der Spulenachsen eine elektrische Spannung induziert. Im Folgenden werden gleichzeitig das erste Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2a über einströmendes kaltes Fluid aus Einlasskanal 11a wieder abgekühlt und das zweite Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2b über einströmendes warmes Fluid aus Einlasskanal 10b wieder erwärmt, die Ventile zu den Einlasskanälen 10a und 11b sind geschlossen. Dabei ändern sich wieder die Magnetisierungen in den thermomagnetischen Materialien der Verbindungselemente 2a, 2b, der Fluss durch die Spulen wird zunächst geringer. Sobald jedoch die Sprungtemperatur im ersten Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2a unterschritten und im zweiten Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Bauelement 2b überschritten ist, kehrt sich der magnetische Fluss in den Spulen 9 um. Der sich ändernde magnetische Fluss induziert nun in den Spulen eine ansteigende Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen. Wenn die beiden Verbindungselemente mit einem thermomagnetischen Material 2a, 2b die Temperatur des einströmenden Fluids angenommen haben, werden die Ventile zu den Einlasskanälen 11a und 10b wieder geschlossen und erneut die Ventile zu den Einlasskanälen 10a sowie 11b geöffnet. Nun wird wieder das erste Verbindungselement mit einem thermomagnetischen 2a erwärmt und das zweite Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2b abgekühlt, wobei durch die Änderung des magnetischen Flusses wiederum eine elektrische Spannung in den Spulen 9 induziert wird, deren Vorzeichen sich wiederum ändert, sobald die Sprungtemperatur im ersten Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2a überschritten und im zweiten Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material 2b unterschritten ist Der Wechsel zwischen warmem und kaltem Zustand des thermomagnetischen Materials in den Verbindungselementen erfolgt alternierend, wobei in den Spulen 9 eine Spannung induziert wird, die alternierend zwischen positivem und negativem Maximum wechselt.
Es konnte festgestellt werden, dass die Wärmeleitung für einen Temperaturausgleich mit einem Fluid in 0,5 mm dicken und stabförmig ausgebildeten thermomagnetischen Material nur 0,06 s erfordert. Eine deutlich längere Zeit von 0,19 s konnte in Vorversuchen ermittelt werden, sofern ein Fluid entlang einer aus dem Stand der Technik bekannten 10 mm langen Platte fließt, um die Temperatur am Ende der Platten zu ändern. Weitere 0,22 s benötigte das Fluid, um durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Mischkammer zu fließen.
Bezugszeichenliste

1: Bauelement aus magnetflussleitendem Material (Magnetjoch)
2a: erstes Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material
2b: zweites Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material
3: rechteckige Stäbe aus thermomagnetischem Material
4: thermisch isolierendes Material
5: Durchgang
6: Öffnung
7a, 7b: Bauelement aus hartmagnetischem Material
8: Luftspalt
9: Spulen
10a, 10b: Einlasskanal im ersten Bauelement aus magnetflussleitendem Material, z.B. Warmjoch
11a, 11b: Einlasskanal im zweiten Bauelement aus magnetflussleitendem Material, z.B. Kaltjoch

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, umfassend mindestens einen thermomagnetischen Generator, wobei der thermomagnetische Generator mindestens eine Baugruppe aufweist, die aus einem ersten und einem zweiten Bauteil gebildet ist, wobei das erste und zweite Bauteil jeweils mindestens ein Bauelement aus magnetflussleitendem Material (1), mindestens eine Spule (9) und mindestens ein Bauelement aus hartmagnetischem Material (7a, 7b) aufweist und, wobei jedes erste und zweite Bauteil mindestens zwei Einlasskanäle (10a, 10b, 11a, 11b) für die Zuführung von Fluiden aufweist, und wobei die mindestens eine Spule (9) eines jeden Bauteils in einem stegartig ausgebildeten Abschnitt des mindestens einen Bauelementes aus magnetflussleitendem Material (1) angeordnet ist, und wobei das erste und zweite Bauteil durch mindestens zwei Verbindungselemente (2a, 2b) miteinander verbunden sind, die jeweils ein thermomagnetisches Material aufweisen, wodurch mindestens zwei Magnetkreisläufe ausgebildet sind, und wobei die Verbindungselemente (2a, 2b) jeweils getrennte Öffnungen für die Zu- und Abführung von Fluiden aufweisen, durch die ein wechselseitiges Durchströmen von unterschiedlich temperierten Fluiden durch die mindestens zwei Verbindungselemente (2a, 2b) und deren thermomagnetisches Material realisierbar ist, wobei das erste und zweite Bauteil baugleich sind, bis auf eine entgegengesetzt ausgerichtete Magnetisierung des mindestens einen Bauelementes aus hartmagnetischem Material (7a) des ersten Bauteils gegenüber der Magnetisierung des mindestens einen Bauelementes aus hartmagnetischem Material (7b) des zweiten Bauteils.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Bauteil jeweils zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material (7a, 7b) aufweist und sich das erste und zweite Bauelement spiegelbildlich gegenüberliegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verbindungselement mit dem thermomagnetischen Material (2a, 2b) im Wesentlichen aus parallel und beabstandet angeordneten Rundstäben, Halbrundstäben, Quadrat- oder Rechteckstäben, mittels Powder-In-Tube-Technologie hergestellten magnetokalorischen Drähten und/oder mittels additivem Verfahren hergestellten Formkörpern gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Rundstäbe, Halbrundstäbe Quadrat- oder Rechteckstäbe, magnetokalorischen Drähte und/oder Formkörper eine Höhe oder einen Durchmesser von 0,1 mm bis 0,5 mm aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Rundstäbe, Halbrundstäbe Quadrat- oder Rechteckstäbe, magnetokalorischen Drähte und/oder Formkörper ein Verhältnis Breite zu Höhe von 0,2 bis 1 aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das thermomagnetische Material der Verbindungselemente (2a, 2b) eine Korrosionsschutzschicht aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich zwischen den Verbindungselementen (2a, 2b) aus thermomagnetischem Material und den magnetflussleitenden Materialien (1) mindestens ein thermisch isolierendes Material (4) befindet, das mit dem thermomagnetischen Material des Verbindungselementes (2a, 2b) und den Bauelementen aus magnetflussleitendem Material (1) kraft-, form- und oder stoffschlüssig verbunden ist und das mindestens eine Öffnung (6) aufweist, durch die der Zufluss von Fluid aus einem Einlasskanal (10a, 10b) zum thermomagnetischen Material möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das thermisch isolierende Material (4) eine relative Permeabilität größer als 1000 oder ferromagnetische Ordnung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das thermisch isolierende Material (4) auf beiden Seiten des thermomagnetischen Materials der Verbindungselemente (2a, 2b) in Form von thermischen Isolationsschichten, Folien oder Platten angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das thermomagnetische Material aus Ferrit oder eine Aerogelschicht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Bauelement aus magnetflussleitendem Material (1) aus einer niedrigkoerzitiven Permalloy-Legierung, einer hochremanenten FeCo-Legierung oder aus FeSi-Transformatorblechen hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens die Verbindungselemente aus thermomagnetischem Material (2a, 2b), die das erste und zweite Bauteil miteinander verbinden, als Module austauschbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste und zweite Bauteil thermisch voneinander isoliert sind.
Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mittels der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 13, bei dem über einen ersten von zwei Einlasskanälen (10a), die in einem ersten Bauelement aus magnetflussleitendem Material (1) ausgebildet sind, ein erstes Fluid mit einer Temperatur ϑ₁ zugeführt wird und bei dem über einen zweiten von zwei Einlasskanälen (10b), die in einem zweiten Bauelement aus magnetflussleitendem Material (1) ausgebildet sind, ein zweites Fluid mit einer Temperatur ϑ₂ zugeführt wird und beide Fluide zu jeweils einem Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material (2a, 2b) geleitet werden, wodurch das thermomagnetische Material eines ersten Verbindungselementes (2a) erwärmt und gleichzeitig das thermomagnetische Material eines zweiten Verbindungselementes (2b) abgekühlt wird und die Magnetisierung im thermomagnetischen Material der Verbindungselemente (2a, 2b) verändert wird und gleichzeitig in einem ersten Magnetkreislauf durch Bauelemente aus hartmagnetischem Material (7a, 7b) ein gerichteter magnetischer Fluss realisiert wird, der in mindestens einer Spule (9), die in einem stegartig ausgebildeten Anschnitt der Bauelementen aus magnetflussleitendem Material (1) angeordnet ist, durch die erzeugte magnetische Flussänderung in den Bauelementen aus magnetflussleitendem Material (1) eine elektrische Spannung induziert, und anschließend über den zweiten von zwei Einlasskanälen (10b), die in einem ersten Bauelement aus magnetflussleitendem Material (1) ausgebildet sind, ein erstes Fluid mit einer Temperatur ϑ₁ zugeführt wird und bei dem über einen ersten von zwei Einlasskanälen (10a), die in einem zweiten Bauelement aus magnetflussleitendem Material (1) ausgebildet sind, ein zweites Fluid mit einer Temperatur ϑ₂ zugeführt wird und beide Fluide zu jeweils einem Verbindungselement mit einem thermomagnetischen Material (2a, 2b) geleitet werden, wodurch das thermomagnetische Material des gleichen ersten Verbindungselementes (2a) nunmehr gekühlt und gleichzeitig das thermomagnetische Material des gleichen zweiten Verbindungselementes (2b) nunmehr erwärmt wird und dabei wiederum die Magnetisierung im thermomagnetischen Material der Verbindungselemente (2a, 2b) verändert wird und gleichzeitig in einem zweiten Magnetkreislauf durch die Bauelemente aus hartmagnetischem Material (7a, 7b) ein gerichteter magnetischer Fluss realisiert wird, der die mindestens eine Spule (9) nunmehr in entgegengesetzter Richtung durchläuft und dabei aufgrund seiner Änderung in derselben mindestens einen Spule eine Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen induziert.