Vorrichtung für die Umwandlung von Energie einer Form in Energie einer anderen Form Das Hauptpatent beschreibt eine Einrichtung zur Umwandlung von Energie einer Form in Energie einer anderen Form, mit mindestens einer magnetischen Kom ponente, Mitteln zur Zuführung von Energieeiner Form zu der magnetischen Komponente und Mitteln zur Abnahme von Energie in einer andern Form von der magnetischen Komponente, die dadurch gekenn zeichnet ist, dass die magnetische Komponente eine plötzliche und reversible Zunahme der Sättigungsinduk tion bei einer Temperatur unter ihrem Curie-Punkt auf weist.
Die Erfindung ermöglicht eine Verbesserung der in Fig. 7 des Hauptpatentes dargestellten Wärmepumpe. Es zeigte sich, dass eine Wärmepumpe vorteilhafter ar beitet, wenn ein wärmeübertragender Körper mit einer magnetischen Komponente verwendet wird, deren ma terielle Beschaffenheit auf ihrer ganzen Länge progressiv ändert.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Um wandlung von Energie einer Form in Energie einer an dern Form ist daher dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Komponente aus mehreren Zonen besteht, wobei die Temperatur, bei welcher die Zunahme der Sättigungsinduktion auftritt, bei jeder Zone verschieden ist und die Zonen aufeünanderfolgend derart angeordnet sind, dass die Temperatur, bei welcher die Zunahme der Sättigungsinduktion auftritt, von Zone zu Zone zu- oder abnimmt.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante ist da durch gekennzeichnet, dass die Zonen zusammen einen langgestreckten Körper bilden, welcher unter dem Ein fluss eines Magnetfeldes einen Übergang erster Ordnung von fester Phase zu fester Phase mit gleichzeitig ver hältnismässig grosser Änderung des inneren Energiegehal tes zeigt. Die Zonen in diesem. Körper sind vorzugs weise in einer Dimensionsrichtung des Körpers in sol cher Reihenfolge angeordnet, dass die unterschiedlichen Materialien der Zusammensetzung in bestimmter Rei henfolge, beispielsweise gemäss zunehmendem über gangstemperaturwert, angeordnet sind.
Eine Ausführungsform eines solchen Körpers mit in einer bestimmten Richtung stetig ändernden Eigenschaf- ten besteht aus einem Material, bei welchem ein Über gang ,erster Ordnung von fester Phase zu fester Phase in der genannten Art erfolgt und wobei die Material komponenten des Körpers vorzugsweise längs eines Bo gens um einen Mittelpunkt, einer Achse oder längs ,einer oder mehrerer bestimmter Linien unterschiedliche Cha rakteristiken besitzen, wobei solche Linien nicht gerade sein müssen.
Dadurch kann eine Folge des Übergangs erster Ordnung bei steigender Temperatur in der einen Richtung oder auf dem einen Pfad um den Mittelpunkt oder längs der Achse bzw. Linie und bei sinkenden Temperaturen in entgegengesetzter Richtung erzielt wer den.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der bei liegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt: Fig. I eine schematische Ansicht einer Anordnung für das Elektroplatiereneiner in Längsrichtung verjüng ten Chromschicht auf einem aus einer Wärmetransfer substanz geformten Stab, um eine abgestufte Änderung hinsichtlich der Zusammensetzung und Eigenschaften längs der Stablänge zu erzeugen, Fig. II eine graphische Darstellung der Änderung der Magnetisierung längs eines Stabes in bezug auf den Abstand von einem Stabende,
Fig. III eine graphische Darstellung des Temperatur- verlaufes in bezug auf eine Stelle längs eines Stabes mit verschiedener Zusammensetzung, bei welcher der über- gang von fester zu fester Phase zu 50 % erfolgt ist, und Fig. IV verschiedene Beispiele der Anordnung von Teilstücken unterschiedlicher Materialien in einem Kör per.
Die folgende Beschreibung betrifft eine Weiterbil dung der in der Fig. 7 des Hauptpatentes beispielsweisse dargestellten Wärmepumpe, wobei anstelle der homoge nen magnetischen Komponente 1 eine aus Zonen be stehende erfindungsgemässe magnetische Komponente vorgesehen ist. Durch die Verwendung einer erfindungs gemässen Komponente in der genannten Wärmepump;, kann mit dieser, in analoger Weise wie mit der Wärme- pumpe nach Fig. 8 des Hauptpatentes, die jedoch meh rere magnetische Komponenten benötigt, ein. grösseres Temperaturintervall ausgenützt werden.
Da die genannte Wärmepumpe im Hauptpatent bereits ausführlich be schrieben ist, werden nachfolgend lediglich Ausführungs- formen der magnetischen Komponen;e nachte der vor liegenden Erfindung beschrieben.
Die für die Körper der magnetischen Komponenten verwendeten Substanzen bzw. Elemente sind metallischer Natur und besitzen die Eigenschaft, unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes geeigneter Stärke mindestens teilweise einen Übergang erster Ordnung von einem er sten Fest-Zustand in einen zweiten Fest-Zustand auf zuweisen. Sofern das Magnetfeld genügend stark ist, kann es einen vollständigen Übergang ,erster Ordnung bewirken. Schwächere Magnetfelder können aber einen Übergang insofern beeinflussen, dass ein Übergang nur eingeleitet wird und beispielsweise durch zusätzlichen Wärmetransfer zwischen dem Körper und seiner Umge bung ein vollständiger Übergang erzielbar ist.
Ein Übergang erster Ordnung ist stets von einer Änderung der inneren Energie im Körper begleitet. Bei einem Übergang tritt auch eine Änderung des magneti schen Zustandes ein, indem dieser Zustand von einem paramagnetischen oder antiferromagnetischen einerseits zu einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen an derseits übergeht, obzwar die spezifischen, magnetischen Zustände hin und wieder schwer zu identifizieren sind. Auch kann angenommen werden, dass verschiedene magnetische Zustände nebeneinander in lokalisierten Stellen eines bestimmten Körpers existieren können.
Vom Standpunkt der vorliegenden Erfindung aus be trachtet, stellt dies jedoch keinen Nachteil dar.
Der Übergang erster Ordnung kann so beeinflusst werden, dass er auch durch die Anwendung von Druck auf den Körper innerhalb gewisser Grenzen von im voraus gewählten Temperaturen eintritt. Bei den nach stehend betrachteten Materialmischungen, d. h. den für die Körper geeigneten Antimonide, beträgt die Tempe raturzunahme etwa 2 pro 1050 kg/cm2 Druck.
Auf diese Weise werden nicht nur Mittel für geringfügige Skalaänderungen als Hilfe für die Eichung bei Anwen dung von druckausübenden Einstellschrauben oder an dern Mitteln geschaffen, sondern es wird dadurch auch das Erfassen von Messwerten möglich, welche von einer kombinierten Einwirkung von Temperatur und Druck abhängig sind, vorausgesetzt, dass der jeder Komponente zugeordnete Betrag identifizierbar ist.
Der Temperaturbereich für einen Übergang erster Ordnung kann ebenfalls in einem gewissen Ausmasse durch Veränderung der Stärke des auf den Körper ein wirkenden magnetischen Feldes beeinflusst werden.
Es ist ferner möglich, einen stufenwesen Übergang zu erzielen, indem man einen in einer bestimmten Rich tung ändernde Eigenschaften zeigenden Körper erzeugt, der hinsichtlich seiner Zusammensetzung zonenweise oder in kleinsten Längen-, Breiten- oder Durchmesser dimension progressiv in :einer solchen Weise variiert, dass ein Übergang unter dem Einfluss entweder eines einzigen Magnetfeldes oder einer Reihe von verschiedenen, längs des Körpers angeordneten Feldern in Abhängigkeit von der Temperatur bewirkt wird.
Die Körper mit in einer bestimmten Richtung än dernden Eigenschaften werden vorzugsweise aus Pulvern hergestellt, indem man die Pulver nacheinander in eine Matrize einbringt, welche sich für die Herstellung der gewünschten Form eignet, worauf. man das Ganze bei einem Druck von etwa 1400 kg/cm2 komprimiert. Eine Festigkeitssteigerung kann dadurch erzielt werden, in dem man das Material bei erhöhter Temperatur sintert. Die Körper können auch dadurch erhalten werden, dass man Partikeln aus einem Material,
welches einen über gang erster Ordnung von fester zu fester Phase aufweist, in einer Matrize dispergiert, so z. B. ein organisches Polymer; wie z. B. eine Vinylpolymerkomposition, Poly äthylen, Polyhexamethylenadipat und Polyäthylenglykol- terephthalat.
Körper mit in einer bestimmten Richtung ändern- den Eigenschaften, welche aus einem in Partikelform vorliegenden Material hergestellt werden, können leicht durch Zugabe von anderen, ebenfalls in Partikelform vorliegenden, Materialien vor der Verarbeitung modi fiziert werden. Die zuzusetzenden Materialien können im Körper gleichmässig oder ungleichmässig verteilt sein.
Solche andere Materialien sind vorzugsweise magne tische Materialien, welche die übliche Magnetisierungs- abhängigkeit von der Temperatur aufweisen, wie z. B. Eisenoxyd, Chromdioxyd, Eisen, Kobalt, Bariumferrt und dergleichen. Zur Erreichung optimaler Resultate ist es hin und wieder wünschenswert, die Partikeln magne tisch auszurichten.
Die folgenden Beispiel;, erläutern die Herstellung der in Frage stehenden Körper.
<I>Beispiel A</I> Ein Magnesium-Chrom-Indium-Antimonid, enthal tend 45,50 GewA Mangan, 50,02 Gew.% Antimon, 2,10 GewA Chrom und 2,48 GewA Indium, wird durch Verschmelzen der gepulverten Elemente in den erwähn- ten Mengenverhältnissen und durch Giessen in eine Kup ferform hergestellt.
Der feste Formling, welcher einen Übergang erster Ordnung von fester Phase zu fester Phase innerhalb eines breiten Temperaturbereiches von etwa 0 bis etwa 35 C aufweist, wird in flüssigem Stick stoff gekühlt und unter flüssigem Stickstoff auf eine kleine Partikelgrösse gemahlen. Das gemahlene Material wird magnetisch bei einer Reihe von Temperaturen in 10 Fraktionen getrennt.
Die Temperatur, bei welcher diese Fraktionen einen Übergang erster Ordnung von fester Phase zu fester Phase zeigen, nimmt von einer Fraktion zur anderen progressiv ab, und zwar in solcher Weise, dass die Partikeln der nacheinanderfolgenden Fraktionen durch einen Magneten bei 33, 30, 29, 28, 27, 26, 25,'24, 22 und weniger als 22 C nicht ange zogen werden. Diese Fraktionen werden zu einem lang gestreckten Körper mit einem Durchmesser von 4 und 90 mm Länge zusammengesetzt.
<I>Beispiel B</I> Magnesium-Chrom-Indium-antimonid wird durch Verschmelzen der gepulverten Elemente in Mengenver hältnissen, welche der Formel: Mn1,sgCro,12Sbo,s5Ino,o5 ent sprechen, m einem Aluminiumoxydtiegel und in einer Argonatmosphäre hergestellt.
Dann gibt man Alumi nium (0,11 GewA, bezogen auf die Gesamtmenge an Mangan, Chrom, Antimon und Indium) als Chalcogen- reaktionsmittel hinzu. Nach dem Erstarren vereinigt man die Produkte aus zwei solchen Präparaten, treibt das Gas bei 400 C bei einem Druck von 0,1 Mikron aus und schmilzt das Ganze unter gereinigtem Argon.
Va kuum wird angewendet und die Schmelze wird in Form eines Stabes von 3,175 mm Durchmesser gegossen, in dem man sie in eine Kupferform giesst, welche an ihrem unteren Ende auf 400 C erhitzt wird, um das Flie- ssen zu begünstigen. Ein Teil dieses Stabes von etwa 14 cm Länge wird in einem in Fig. 1 igezeigten Chrom bad mit Chrom plattiert, indem der Stab als Kathode in ein Gefäss 100 eingesetzt wird.
Als Anode 101 dient eine Bleifolie von 0,13 mm Dicke und 15 cm Breite, wel che in der Form des Mantels eines Kegelstumpfes mit einem grossen Durchmesser von 5,5 cm und einer Höhe von 12 cm rund um den Stab 104 angeordnet ist. Der kleine Durchmesser des Kegelstumpfmantels (etwa 0,75 cm) wird derart ausgewählt, dass er sich bequem an .eine kleine, isolierende Glashülse 102 anpasst, welche über das untere Ende der Kathode gestülpt ist. Der Elek trolyt 103 besteht aus einer Chromsäurelösung, welche pro Liter 250 g Cr03 und 2,5g H2SO4 enthält.
Das Gefäss und der Elektrolyt werden auf 50-60 C erwärmt und ein Strom von 7 Ampere bei einer Potentialdifferenz von 5 Volt während 20 Minuten an die Elektroden an gelegt. Dabei lagert sich Chrom auf der Magnesum- Chrom-Indum-Antimonid-Kathode 104 in einer Menge von 0,112 g über einer Länge von etwa 86 mm ab.
Auf dieser Länge erhält jenes Teilstück, welches dem klei nen Durchmesser der konischen Anode benachbart ist, die stärkste Chromplattierung. Die Stärke der Platti,e- rung am Stab nimmt in Richtung nach oben ab. Auf diese Weise lässt sich eine kontinuierlich abnehmende Chromplattierung auf dem Stabe erzeugen.
Der chromplattierte Mangan-Chrom-Indium-Anti- monid-Stab wird aus dem Plattierungsbad herausgenom men, mit destilliertem Wasser gespült, getrocknet und durch Erhitzen auf 400 C bei einem Druck von 0,1 Mi- kron von dem Gas befreit.
Der plattierte Stab wird hier auf während 47 Stunden in einer Atmosphäre von ge reinigtem Argon bei 875 C geglüht, um zu bewirken, dass die Chromplattierung in den Stab diffundiert, wo durch ein Mangan-Chrom-Indium Antimonid-Stab er zeugt wird, welcher längs der Stablänge abgestufte Chromkonzentrationswerte aufweist. Der Stab wird mit einer Geschwindigkeit von 30 C pro Stunde von der Glühtemperatur auf Zimmertemperatur abgekühlt.
Anschliessend werden die magnetischen Eigenschaf ten des so hergestellten Stabes in Funktion der Tempe ratur an verschiedenen Stellen längs des Stabes gemes sen. Zu diesem Zweck wird der Stab in einen Trans former eingelegt, welcher sich im Zentrum eines Heiz rohres befindet, das mit einem Thermometer ausgerüstet ist.
Der Transformer besitzt getrennte primäre und se kundäre Wicklungen, innerhalb welcher Flussstahlhülsen mit einem Innendurchmesser von 6,3 mm und einem Aussendurchmesser von 9,5 mm eingeordnet sind, wobei eine jede dieser Hülsen an einem Ende einen Flansch von 22,2 mm Durchmesser und 3,2 mm Dicke aufweist. Die Enden der Hülsen, welche keine Flansche auf weisen, befinden sich in benachbarter Stellung zuein ander und sind in einer Distanz von 6,35 mm von einander getrennt.
Die Primärwicklung wird mit 6,3 Volt Wechselstrom gespiesen, und die Sekundärspannung wird nach Gleichrichtung mit einem Einweggleichrich ter mit einem Gleichstrom-Voltmeter (0-300 Mikrovolt) gemessen.
Die Sekundärspannung am Transformator bzw. die Magnetisierung des Stabes bei verschiedenen Temperaturen und Stellungen längs des Stabes ist in Fig. 1I gezpigt. Aus Fig. 1I ist ersichtlich, dass mit zu nehmender Temperatur des Stabes dieser mehr und mehr magnetisch wird. Dies wird in anderer Weise in Fig. III erläutert, worin die Stelle längs des Stabes,
an welcher der Übergang der festen Phase zur festen Phase bis zu 50 % vollständig ist, als Abszisse und die Tempe ratur als Ordinate eingezeichnet ist.
Geeignete Kompositionen für erfindungsgemässe ma gnetische Komponenten sind Mangan-Chrom-Indium- Antimonide mit einer tetragonalen Kristallstruktur vom Cu2Sb-Typus (P4/nmn). Solche Stoffe besitzen Tren nungsflächen senkrecht zur c-Achse und Curietempe- raturen im allgemeinen im Bereiche von 180-300 C.
Diese Materialien schmelzen im allgemeinen bei etwa 900 C oder mehr und besitzen Dichten im Bereiche von 7,0-7,2 g pro cm2 bei Zimmertemperatur. Solche Kompositionen weisen einen thermischen Hysteresen- übergang auf, d. h. der Übergang tritt bei einer höhe ren Temperatur ein, wenn von einer Temperatur unter halb des Überganges herangetreten wird, als wenn von einer Temperatur oberhalb des Überganges herangetre ten wird.
Sofern die Temperaturhysterese eine ausrei chende Grössenordnung aufweist, um die Arbeitsweise eines Kühlaggregates oder einer anderen Einrichtung der hier in Frage stehenden Art zu beeinträchtigen, so kann die Hysterese üblicherweise auf annehmbare Werte durch Erhöhung im angewandten magnetischen Feld bei einem geeigneten Bereich im Hysteresezyklus reduziert werden.
Andere Eigenschaften von :gewissen Mangan- Chrom-Indium-Antimoniden finden sich in der folgen den Tabelle.
EMI0003.0116
<I>Tabelle</I>
<tb> Eigenschaften <SEP> von <SEP> Mangan-Chrom-Indium-Antimoniden
<tb> Eigenschaft <SEP> Wert <SEP> (bei <SEP> 300o <SEP> K) <SEP> +
<tb> Youngs <SEP> Modul <SEP> (einzelne)
<tb> Kristallprobe <SEP> ,(x-Achse) <SEP> 13,3 <SEP> X <SEP> 1011 <SEP> Dyn/cm2
<tb> Drillungsmodul
<tb> (polykristalline <SEP> Probe) <SEP> 3,0 <SEP> X <SEP> 1011 <SEP> Dyn/cm2
<tb> Hydrostatischer
<tb> Druckkoeffizient* <SEP> 527,31 <SEP> kg/cm2/ <SEP> C
<tb> Uniaxiales <SEP> Anisotropiefeld
<tb> (leichte <SEP> Richtung)** <SEP> 7200 <SEP> Gauss
<tb> Maximalsättigung <SEP> pro.
<SEP> Gramm <SEP> 27 <SEP> Gauss <SEP> cm3/g
<tb> 41 <SEP> Gauss <SEP> cm3/g
<tb> (100 <SEP> K)
<tb> Magnetischer <SEP> Feldkoeffizient*** <SEP> - <SEP> 2700 <SEP> Oersteds/ <SEP> C
<tb> Wärmekapazität
<tb> bei <SEP> konstantem <SEP> Druck <SEP> 0;095 <SEP> Kalorien/g/ <SEP> C
<tb> Latente <SEP> Übergangswärme <SEP> 0,4 <SEP> Kalorien/g
<tb> Thermische <SEP> Konduktivität <SEP> 0;
06 <SEP> Watt/cm/ <SEP> C
<tb> + <SEP> Werte, <SEP> interpoliert <SEP> für <SEP> 300o <SEP> K <SEP> aus <SEP> Werten, <SEP> gemessen <SEP> mit
<tb> Mangan-Chrom-Indium-Antimonid-Proben <SEP> mit <SEP> übergangs temperaturen <SEP> von <SEP> etwa <SEP> 3000K.
<tb> * <SEP> Druckänderung <SEP> pro <SEP> Grad <SEP> Änderung <SEP> der <SEP> Übergangstem peratur <SEP> bei <SEP> konstantem <SEP> Feld.
<tb> ** <SEP> Für <SEP> ein <SEP> Material <SEP> mit <SEP> einer <SEP> Übergangstemperatur <SEP> bei <SEP> 20011 <SEP> K.
<tb> *** <SEP> Feldänderung <SEP> pro <SEP> Grad <SEP> Änderung <SEP> der <SEP> Übergangstemperatur
<tb> bei <SEP> konstantem <SEP> Druck.