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Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in Bewegungsenergie oder
in elektrische Energie Die Erfindung bezieht .sich auf ein Verfahren, um Wärmeenergie
in Bewegungsenergie oder in elektrische Energie umzuwandeln.
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Die Umwandlung der Wärmeenergie in Bcwegungsenergie war bisher in
technisch brauchbarem Umfang nur mitteils Wärmekraftmasahi.nen, beispielsweise Dampfmaschinen,
Explosionsmotoren, möglich.
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Gemäß der Erfindung .ist die erwähnte Umwandlung der Wärmeenergie
dadurch möglich, daß in einem völlig oder nahezu eisengeschlossenen Magnetkreis
aneineroder mehreren Stellen ferromagnerische Stoffe, deren Magneti.sierbarkeit
von der Temperatur abhängt, eingeschaltet sind und die Temperatur dieser Stoffe
einem raschen Wechsel unterworfen wird.
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Es ist bekannt, daß das Verhalten paramagnetischer Stoffe in einem
Magnetfeld u. a. von der Temperatur bedingt wird. Diese verlieren oberhalb einer
bestimmten Temperatur, dem sogenannten Curiepunkt, ihre Magneti.sierbarkeit, um
sie beim Erkalten, d. h. sobald die Temperatur wieder unter den Curiepunkt gesunken
ist, wieder zu gewinnen. Das Abhängibkeitsgesetz der Magnetisierbarkeit von der
Temperatur und damit .die Lage des Curiepunktes sind in hohem Grad durch die Zusammensetzung
des ferromagnetischen Stoffes bedingt. Für technische Zwecke dürften sich besonders
Legierungen aus der Gruppe der sogenannten reversiblen Nickelstähle eignen, bei
denen jeder Temperatur eine bestimmte Magnetisierbarkeit entspricht, gleich-gültig,
ob das Temperaturgefälle von unten nach oben oder von oben nach unten durchlaufen
wird, bei .denen also keine Temperaturhysteresis auftritt.
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Bringt man Teile aus solchen @ferromagnetischen Legierungen in ein
homogenes Magnetfeld und
erhitzt einen Teil des zwischen den Polen
liegenden Materials, so wird durch die geringere magnetische Leitfähigkeit der wärmeren
Stellen der magnetische Fluß nach den kälteren Stellen abgedrängt und .diese Stellen
daher in das Magnetfeld hineingezogen. Findet dabei ein kontinuierlicher Wechsel
von Erwärmung und Abkühlung ,statt, .so kann eine fortdauernde Bewegung erzielt
werden. Ist .dagegen das ferromagnetische Material im Magnetfeld fest angeordnet,
so wird -der Temperaturwechsel eine Änderung des magnetischen Flusses zur Folge
(haben, die wiederum zur Induzierung einer elektrischen Wechselspannung ,in einer
Spule dienen kann.
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In Vorlesungen wurden wohl gelegentlich Demonstrationsanordnungen
gemäß Abb.I gezeigt, bei denen sich die etwa aus Nickel bestehende, einseitig durch
eine Bun.senflamme erwärmte Scheibe zwischen den. Magnetpolen im Uhrzei;gersnnn
dreht. Eine technische Ausnutzung dieses bekannten physikalischen Effektes wurde
jedoch bisher -nicht versucht.
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Es wurde nun erkannt, .daß, um zu einer technisch brauchbaren Anordnung
zu kommen, die Erfüllung folgender Forderungen unerläßlich ist: r. Die Erwärmung
bzw. Abkühlung des ferromag netischen Flusses muß in kürzester Zeit erfolgen; 2.
das Auftreten von Wirbelströmen in ferromagnetischen Metallen ist möglichst zu verhindern.
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Der ersten Forderung kann erfindungsgemäß dadurch Genüge getan werden,
daß die ferromagnetisc'he Metallmasse in einer Form verwendet wird, bei der das
Verhältnis der Oberfläche zum Volumen möglichst ;groß ist. Dies wird beispielsweise
-dadurch erreicht, daß .das Material in einer Vielzahl von kleinen Wendeln aus,
sehr dünnem Draht verwendet wird, die den wechselnden Temperaturen eines hindurchtretenden
Gasstromes mit sehr geringer Wärmeträgheit zu folgen vermögen und gleichzeitig einen
verhältnismäßig geringen Durchflußwiderstand bieten. Auch Gewebe aus sehr dünnem
Draht oder Blechringe, die vorteilhaft an einer Stelle aufgeschnitten sind, sind
geeignet. Da sich bei einer Anhäufung .solche Körper im allgemeinen nur punktförmig
berühren, ist dabei auch die zweite Bedingung, das Auftreten von Wirbelströmen zu
verhindern oder möglichst einzuschränken, weitgehend erfüllt. Eine durch ein geeignetes
Oxydationsverfahren hervorgerufene Schwärzung der Teilchen kann .außerdem einerseits
ihr strahlungstechnisches. Verhalten dem des schwarzen Körpers annähern und so den
sohnellen Wärmeaustausch fördern, anidersei.ts durch die Bildung nicht leitender
Oberflächenschichten den Wirbel.stromdurchgang zwischen den einzelnen Teilchen herabsetzen.
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Um auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einer Vorrichtung
zur Umwandlung der Wärmeenergie in Bewegungsenergie, d. h. zu einer Kraftmaschine
zu kommen, gibt es zahlreiche Möglichkeiten, wobei es stets darauf ankommt, eine
Relativbewegung zwischen einem Magnetfeld und dem ferromagneti.schen Material, dessen
Temperatur wechselt, zu erzeugen.
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Eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung, .die eine dieser Möglichkeiten
zeigt, ist in Abb. 4 in Ansicht und in Abb. 5 @im Längsschnitt dargestellt, wobei
die Teilchen aus ferromagnetischem Stoff nicht gezeichnet .sind. In Abb. q. stellt
9 ein Polgehäuse dar, wie es etwa dem eines Gleichstrommotors entspricht. Es bestehe
der Einfachheit halber aus Dauermagnetwerkstoff. In diesem Polgehäuse dreht sich
ein Läufer. Er besteht aus einer Welle z, auf der durch Vermittlung eines nicht
gezeichneten Tragsternes ein Ringe aus Dynamoblech, das in der üblichen Weise lamelliert
und isoliert ist, sitzt. Dieser Ring trägt ,außen Längsnuten, -in die die Zinken
des Kammes 3 eingeschoben werden können. r, 2 und 3 zusammen bilden dann einen Läufer
mit verhältnismäßig großen geschlossenen Nuten. In den Abb. 2 und 3 ist ein Läuferteil
,mit den Nuten nochmals größer dargestellt. Dieser Kamm 3 kann nun entweder ebenfalls
aus Dynamoblech bestehen, und man könnte dann zwei und drei aus einem Stück .machen.
Allerdings geht dann ein Teil des magnetischen Kraftlinienflusses durch den Nebensdhluß
verloren. Fertigt man aber diese Teile 3 unter Beibehaltung von Lamellierung und
Isolierung aus einem nicht -ferromagnetischenWerkstoff an, so wird der magnetische
Widerstand des Gesamtkreises größer; .die günstigste Anordnung ist also von Fall
zu Fall festzulegen.
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Um ein gleichmäßiges Drehmoment zu erzielen, ist es, empfehlenswert,
die Nuten relativ zur Läuferach.se leicht schraubenförmig verlaufen zu lassen. In
.diesen Nuten werden nun, nachdem sie mit einer Wärmeisolierung 4 ausgekleidet sind,
die Wendeln, Ringe usw. aus dem ferromagneti.schen Stoff 5 untergebracht und durch
ein durchlässiges Drahtgewebe am Herausfallen gehindert.
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Bringt man den dargestellten Läufer im Polgehäuse 9 unter, so .stellt
sich der strichpunktiert gezeichnete magnetische Kraftlini-enfluß ein. Bläst man
durch eine oder mehrere .der unter einem Polschuh befindlichen Nuten Heißluft, so
verlieren die in diesen Nuten enthaltenen Teilchen aus dem ferromagnetischen @Stoff
ihre M.agnetisierbarkeit ganz oder :zum Teil, und das magnetische Feld zieht Nuten
mit noch kaltem, magnetisiertem Inhalt unter den Polschuh, d. h. der Läufer dreht
sich. Sall die Drehbewegung ,anhalten, so muß durch Anwendung von Kaltluft die ursprüngliche
Magnetisierbarkeit des Nuteninhalts vor dem Einlaufen unter den nächsten Pol wiederhergestellt
werden. Unter der ablaufenden Kante dieses zweiten Pols kann dann wiedergeheizt
werden, wobei dann auch dieser Pol seinen Beitrag zur Zugkraft leistet.
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Allgemein gilt, daß unter .der ablaufenden Kante eines jeden Pols
-geheizt werden kann, sofern nur bis zum Einlaufen unter -den in der Drehrichtung
folgenden Pol wieder eine ausreichende Kühlung des Nuteninhalts erfolgt. Durch Verschieben
der Heizung von der einen Polkante zur anderen wird die Drehrichtung umgekehrt.
Die Polarität der einzelnen Pole ist dabei ohne Einfluß. Die erreichbare
Drehzahl
ist in erster Linie von der erreichbaren Wärmewechselz,ahl abhängig, das erreichbare
Drehmoment von .denmagnetischen Daten der Maschine, vom tatsächlichen Volumen. des
ferromagnetischen Stoffes, vom Temperaturgefälle und von dem Verhältnis der heißen
zu den kalten Nuten unter dem Polbogen.
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In Abb. 3 ist angedeutet, wie durch Leitbleche 7 und 8 die unerwünschte
Erwärmung der 'Tutenstege bzw. -zähne vermieden werden kann unter gleichzeitiger
Förderung der Bewegung .der Gasströme infolge der .durch .die schräge Anordnung
der Nuten unterstützten Ventidatorwirkung.
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Da, es an sich gleichgültig ist, an welcher Stelle des Eisenweges
der magnetischen Kraftlinien sich die Teilchen aus ferromagnetischemStoff befinden,
könnte man auch .das @in diesem Fall aus einzelnen Blechen aufzubauende Polgehäuse
mit einem Schlitz versehen, der dann mit solchen Teilchen auszufüllen wäre. Der
Läufer besteht hier entweder aus Dauermagnetwerkstoff und .besitzt ausgeprägte Pole,
oder er wird in der gleichen Form aus Weicheisen gefertigt. Die Erregerwicklung
sitzt in diesem Fall entweder auf dem Läufer oder im Pd1gehäuse. Bei rasch wechselnder
Erhitzung und Abkühlung des SdhlitziAalts entsteht ein magnetischer Wechselfluß,
der .den durch andere Mittel auf die entsprechende Drehzahl gebrachten Läufer synchron
mitnimmt.
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Beider Umwandlung .der Wärmeenergie in elektrische Energie,
d. h. beim Stromerzeuger, ist das ferromagnetische Material fest angeordnet.
Dieser Stromerzeuger besitzt also im Gegensatz zu den bekannten Maschinen zur Stromerzeugung
im wesentlichen keine bewegten Teile.
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In 'den Windungen einer Spule, die von einem magnetischen Kraftlinienfluß
durchsetzt wird, wird bei einer Änderung .des Kraftlinienflusse.s eine der Änderungsgeschwindigkeit
des Flusses proportionale Spannung induziert. Diese hat beim Schließen des Stromkreises
Idas Auftreten eines Stromes zur Folge, wobei die frei werdende Energie aus dem
magnetischen Felde stammt.
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Die Technik macht von dieser Erscheinung in größtem Maßstab Gebrauch.
Es ist dabei grundsätzlich gleichgültig, durch welche Mittel die Änderung des die
Spulenwindung durchsetzenden Kraftlinienflusses hervorgerufen wird. 'Bei Transformatoren
ändert sich dieser Fluß periodisch nach Größe und Richtung im Einklang @mi.t der
Änderung des primär zugeführten Wechselstromes. Bei Generatoren der heute üblichen
Bauart wird die Änderung :des von den Spülen umfaßten Flusses durch Änderungen der
relativen Lage zwischen den.Spulen -und einem gleichbleibenden Magnetfeld bewerkstelligt.
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Aus der Frühzeit des Elektromaschinenbaues sind auch Ausführungen
bekannt, bei denen die Flußänderung durch periodische Änderung des magnetischen
Widerstandes eines konstant erregten magnetischen Kreises erzeugt wird. Ein solcher
Generator ist z. B. in Abb. 6 schematisch dargestellt. Ein lamellierter Eisenkern
i i ist an einer Stelle unterbrochen und ausgebohrt. In .dieser Bohrung kann sich
der ebenfalls lamellierte Eisenkörper 12, der etwa die Gestalt eines Doppel-T-Ankers
haben möge, drehen. Wird nun .der Wicklung 13 ein Gleichstrom J zugeführt, so entsteht
in ,dem Eisenkern i i einkonstanter Kraftlinienfluß (Abb. 8), der auch .den Eisenkörper
12 durchsetzt. Wird dieser Eisenkörper 12 in Drehung versetzt, so ändert sich dabei
der magnetische Widerstand des Gesamtkreises derart, daß .der Kraftlinienfluß zwischen
einem Höchst- und einem Kleinstwert schwandet, wie es in Abb. 8 die Kurve j> in
Abhängigkeit von der Zeit t zeigt. In einer "veiteren Wicklung 14 wird dabei eine
Wechselspannung Ü (Abb. 8) als Nutzspannung induziert. Die Drosselspule 15 soll
die unter Umständen mögliche Rückwirkung der auch in ider Spule 13 induzierten Wechselspannung
auf die Gleichstromquelle dämpfen. Es wäre selbstverständlich auch möglich, .den
Fluß ; durch einen zweckmäßig unterteilt aufgebauten Dauermagneten zu erzeugen.
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Erfindungsgemäß wird nun in einem eisengeschlossenen Magnetkreis der
temperaturabhängige ferromagnetische Werkstoff angeordnet. Vorausgesetzt, daß die
magnetisierende Einwirkung gleichbleibt, wird beü Erwärmung .des Werkstoffes der
hindurchtretende .magnetische Kraftlinienfluß @ infolge der Vergrößerung des magnetischen
Widerstandes geschwächt und bei Abkühlung .durch Verkleinerung des Widerstandes
wieder auf den Ausgangswert anwachsen. In Abb.7 ist schematisch in i i ein in üblicher
Weise lamellierter Eisenkern ,dargestellt. Er ist an einer Stelle unterbrochen und
der .dadurch entstandene Zwischenraum mit Teidcben aus solchem temperaturabhängigen
WerkstOff 1a' ausgefüllt. 13 ist wieder die vorn Gleichstrom J durchflossene Erregerwicklung.
Der F@luß im magetischen Kreis hat wieder die Größe (Abb. 8). Werden jetzt die Werkstoffteilchen
12 in schneller Folge abwechselnd geheizt und ;gekühlt, so entsteht wieder infolge
der Änderung des magnetischen Widerstandes des Gesamtkreises eine Kraftflußänderung
(1 (Abb. 8), die ihrerseits zur Folge hat, daß in der Hauptwicklung 14 die Wechselspannung
Ü (Abb.8) als Nutzspannung induziert wird. 15 ist wieder die schon obenerwähnte
Drosselspule.
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Für .die praktische Ausführung ,dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird es, wieder zahlreiche bauliche Möglichkeiten geben, wobei die Erfahrungen beim
Transformatorbau benutzt werden können, denn hier wie .dort kommt es darauf -an"daß
Spulen von einem magnetischen Wechselfeld durchsetzt werden. Die Anordnung gemäß
Abb. 7 wäre also ein Einphasengenerator und würde in Analogie zu einem Einphasentransformator
stehen. Die bekannten verketteten, Systeme lassen sich ebenso nachbilden, sofern
nur jeder Teidfluß thermisch richtig gesteuert wird. Sollten .bei höheren Frequenzen
Schwierigkeiten infolge der Wärmeträgheit auftreten, so -könnte man daran denken,
zwei oder mehr Einheiten aufzustellen, die dann in zyklischer Folge je eine ganze
Wechselstr@omwelle in das zu speisende
Netz zu liefern hätten. Bei
zwei Einheiten z. B. würde also die erste :die Wellen mit ungerader, die zweite
die mit gerader Ordnungszahl zu liefern haben.
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Um .den magnetischen Widerstand des Gesamtkreises möglichst niedrig
zu halten, wird man an der Zwischenstrecke, in der das temperaturempfindliche Material
eingebaut ist, zweckmäßig einen größeren Querschnitt vorsehen. Zur Führung der Gasströme
und um :den Aufbau starrer zu gestalten, können an dieser Stelle Stege, vorgesehen
werden, in denen allerdings die Bildung von Wirbelströmen verhindert werden muß.
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Der Heiz- bzw. Kühlgasstrom ist .so zu leiten, daß der ferromagnetische
Werkstoff über den ganzen Ouerschnitt des magnetischen Flusses hin, in kürzester
Zeit auf seine Solltemperatur kommt. Bei größeren Querschnitten kann es zweckmäßig
sein, ,die Gasströme :durch. Rohre 17 @(Abb. 5 und 7) und gegebenenfalls Bohrungen
in dem Eisenkern r r zum ferromagnetisdlhen Werkstoff i2' zu führen. Sie entweichen
dann radial zum Kernquerschnitt.
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Die Spannung Ü wird durch Änderung des Temperaturgefälles, d. h. praktisch
durch Änderung der Heizung geregelt. Bei stärkerer Heizung steigt also die Spannung,
wie es ja auch aus energetischen Gründen sein muß. Der tiefste Punkt der Kurve t3
in Abb. 8 :nähert sich nämlich bei,stärkerer Heizung mehr der Nullinie, dadurch
steigt die Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses
und damit auch. die ihr verhältnisgleiche Spannung. Die Verstärkung der Erregung
wirkt im gleichen Sinne.
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Die Regelung der Frequenz erfolgt von der thermischen Seite aus. Der
Generator kann ohne weiteres auch auf ein bereits von anderen Maschinen gespeistes
Netz arbeiten, da die Bedingungen der Gleichheit an 'Spannung :und Phasenlage leicht
zu erfüllen sind. Die .dritte ifür das Parallelarbeiten erforderliche Bedingung,
die des synchronenLaufes, ist zu erfüllen, indem man -die Steuereinrichtungen für
.die Gasströme durch einen ;aus dem betreffenden Netz gespeisten Synchronmotor antreibt.
Die Lastübernahme erfolgt durch Regelung ,der Heizung.
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Ein besonderer Vorzug ,dieses Stromerzeugers gegenüber .den bekannten
Generatoren ist, worauf bereits kurz hingewiesen wurde, darin zu erblicken, daß
der thermomagnetische Stromerzeuger gemäß der Erfindung keine Antriebsmaschine benötigt,
sondern eine ruhende Einheit ähnlich einem Transformator darstellt, bei der lediglich
Organe zur Steuerung,der Gasströme zu bewegen sind.
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Allen Vorrichtungen, Kraftmaschine wie Stromerzeuger, gemeinsam ist"daß
ein konstantes Magnetfeld vorhanden sein :muß. Dabei ist es grundsätzlich gleichgültig,
ob mit einem Dauermagnetsystem oder mit elektromagnetischer Erregung ;gearbeitet
wird. Trotz :des ihr bisher anhaftenden schlechten Wirkungsgrades könnte in diesem
Falle, da sämtliche Vorbedingungen dafür -sowieso gegeben sind, auch idie thermoelektrische
Erzeugung des Erregerstromes mit Vorteil anwendbar .sein. Ebenso ist die Art der
verwendeten Wärmequellen grundsätzlich gleichgültig, da -für ,alle in tFrage kommenden
Temperaturbereiche und Temperaturgefälle geeignete Werkstoffe vorhanden sind. Zu
fordern ist nur, daß keine festen Verbrennungsrückstände, Staub usw. die wirksamen
Teilchen verkrusten oder die für das Hindurchtreten der Gasströme zwischen den Teildhen
verbleibenden Zwischenräume sich verstopfen und daß auch kein chemischer Angriff
auf den Werkstoff erfolgt. Am besten dürfte sich .also reine gefilterte Luft eignen,
die in Wärmeaustauschern auf die jeweils erforderliche Temperatur zu bringen ist.
Wegen, der besseren Wärmeleitfähigkeit kann insbesondere bei,den ruhenden Einheiten
auch die Verwendung eines Gases von niedrigem Molekulargewicht (Wasserstoff, Helium)
bedeutungsvoll werden.
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Es ist als besonderer Vorteil des Gegenstandes der Erfindung anzusehen,
daß, die Wahl geeigneter Werkstoffe vorausgesetzt, kleinere Wärmegefälle verarbeitet
werden können als bei den bekannten Wärmekraftmaschinen und .daß vor allem .auch
in ganz anderen Temperaturbereichen gearbeitet werden kann. Dies kommt daher, idaß
es sich !beim Gegenstand. der Erfindung um Vorgänge in festen Körpern, nämlich in
ferromagnetischen Stoffen handelt. Es braucht also nicht, wie etwa bei den Dampfmaschinen,
Rücksicht auf den Aggregatzustand eines Energieträgers genommen zu werden oder,
wie bei :den Verbrennungsmotoren, auf die Beherrschung,der bei der exothermischen
Reaktion zwischen Treibstoff und Luft im .Zylinder auftretenden Temperaturen. Eine
vergleichende Betrachtung der Verhältnisse bei kleineren Temperaturgefällen .in
verhältnismäßig niedrigen Bereichen zeigt, .daß nach,dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik
beim Gegenstand der Erfindung ein sehr guter Wirkungsgrad zu erwarten ist. Große
Wärmemengen, die heute noch ungenutztentweichen, können daher :durch :den Gegenstand
der Erfindung zur Kraft- oder .Stromerzeugung nutzbar gemacht werden.
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Stehen größere Temperaturintervalle zur Verfügung, so kann es zweckmäßig
sein, etwa in Analogie zu. der bei Dampfturbinen bekannten U@iterteilung großer
Druck- oder Geschwindigkeitsgefälle das Wärmegefälle zu unterteilen. Dazu können
ferromagnetische Stoffe mit entsprechend abgestuften Eigenschaften in Richtung des
Gasstronnes hintereinander angeordnet werden.
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Ein weiterer Vorteil des Gegenstandes -der Erfindung liegt noch darin,
@daß es möglich ist, den Wärmeinhalt von Abgasen, der bisher verlorenging, auszuwerten
und in mechanische oder elektrische Energie zu verwandeln, während umgekehrt :die
Abwärme, welche sich bei der Abkühlung des ferromagnetischen Stoffes ergibt, selbst
wieder etwa zum Vorwärmen der Verbrennungsluft :dienen kann, wodurch die Wärmeausnutzung
noch weiter verbessert wird.