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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus Wärmeenergie mit zwei oder mehr magnetischen Kreisen, die durch einen magnetischen Fluss erregt sind, wobei die magnetischen Kreise jeweils mindestens einen temperaturabhängigen magnetischen Widerstand umfassen, mit dem jeweils in Abhängigkeit der Temperatur des Widerstands der magnetische Fluss durch den jeweiligen magnetischen Kreis beeinflussbar ist, und wobei jeweils eine mit einem der magnetischen Kreise elektromagnetisch gekoppelte Spule vorgesehen ist, in der der sich in dem entsprechenden magnetischen Kreis ändernde magnetische Fluss eine Spannung induziert.
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Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren.
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Bei vielen technischen Prozessen, beispielsweise in Verbrennungskraftmaschinen, entsteht eine große Menge an nicht nutzbarer Wärmeenergie. Verbrennungskraftmaschinen weisen im Allgemeinen einen Maschinenwirkungsgrad zwischen 0,3 und 0,35 auf. Etwa 65 bis 70% der im Treibstoff (Diesel, Benzin, Methan, Erdgas, Wasserstoff oder dergleichen) enthaltenen Energie geht als Abwärme oder Verlustwärme an die Umwelt oder wird bestenfalls zum Teil in der kalten Jahreszeit in Sekundäranlagen genutzt (z. B. Heizung, Kraft-Wärmekopplung im Kohlekraftwerk). Sie fällt in großem Umfang als ungenutzte Verlustenergie an.
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Die
DE 31 06 520 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie in elektrische oder mechanische Energie mittels eines magnetischen Systems mit einem oder zwei gesteuerten magnetischen Kreisen. In jedem gesteuerten Kreis ist ein temperaturempfindlicher magnetischer Widerstand angeordnet, der mit einem Gas temperiert wird. Das Gas strömt abwechselnd von einem Behälter mit heißem Gas in einen Behälter mit kaltem Gas und zurück. Die beiden Behälter werden geheizt bzw. gekühlt. Der kalte Behälter wird auf 10°C, der warme Behälter auf 100°C gestalten.
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In der
US 2510800 ,
US 1 406 576 ,
DE 898 032 C und
US 2016 100 sind weitere Vorrichtungen zum Umwandeln von thermischer Energie in elektrische Energie offenbart. Aus der
US 2589775 ist eine Vorrichtung bekannt, die temperaturabhängige Widerstände und deren Einfluss auf den magnetischen Fluss in einem magnetischen Kreis eine Kühlvorrichtung nutzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart anzugeben, dass Wärmeenergie in nutzbare Energie umgewandelt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Vorrichtung derart ausgestaltet, dass in jedem magnetischen Kreis jeweils zwei magnetische Widerstände derart angeordnet sind, dass der magnetische Fluss beidseits der dem magnetischen Kreis zugeordneten Spule beeinflussbar ist, und dass die magnetischen Widerstände durch Ferrite gebildet sind.
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In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass sich bisher kaum nutzbare Wärmeenergie auf vergleichsweise einfache Art und Weise in elektrische Energie wandeln lässt. Dazu werden vorzugsweise zwei magnetische Kreise verwendet, die aus einem Erreger-Teilkreis bestehen und in denen ein magnetischer Fluss erzeugt wird. Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit nur einem magnetischen Kreis ausgestaltet sein. Hierbei tritt zwar in einem Zustand mit hohem magnetischem Widerstand Streuung auf und die Effekte sind im Vergleich zur Verwendung mehrerer magnetischer Kreise etwas reduziert, allerdings liefert die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit einem magnetischen Kreis ausreichend gute Ergebnisse, insbesondere im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen.
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In jedem der magnetischen Kreise ist erfindungsgemäß mindestens ein temperaturabhängiger magnetischer Widerstand angeordnet, dessen magnetischer Widerstand sich in Abhängigkeit seiner Temperatur ändert.
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Es sind temperaturabhängige magnetische Widerstände bekannt, deren magnetischer Widerstand sich in hohem Maße in Abhängigkeit ihrer Temperatur ändert. Der magnetische Widerstand von Ferriten kann beispielsweise im Verhältnis 1:100 bis 1:1000 in einem Bereich von 20°C bis 125°C reversibel geändert werden. Wird den magnetischen Widerständen ein heißes Medium (z. B. Öl mit 150°C) zugeführt, erhöht sich deren magnetischer Widerstand auf Werte von Isolierstoffen oder Luft. Umgekehrt sinkt deren magnetischer Widerstand mit Abkühlung annähernd auf den von Eisen. Diese Eigenschaft kann erfindungsgemäß für einen Stromerzeuger genutzt werden.
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Der durch Temperaturänderungen variierende magnetische Widerstand beeinflusst den im magnetischen Kreis vorhandenen magnetischen Russ erheblich. Dadurch kann in einer mit dem magnetischen Kreis elektromagnetisch gekoppelten Spule eine Spannung induziert werden. Nach dem Induktionsgesetz ergibt sich für eine Urspannung e in der Spule: e = –w dΦ / dt, wobei w die Anzahl der Windungen der Spule ist. Durch intermittierende Erwärmung und Abkühlung kann eine intermittierende Magnetflussänderung dΦ/dt hervorgerufen werden, die eine nutzbare Urspannung in der Spule induziert.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Wärmeenergie effektiv in elektrische Nutzenergie umgewandelt werden. Im allgemeines wird derzeit elektrische Energie aus Wärmeenergie in rotierenden, beispielsweise durch Turbinen angetriebenen Maschinen, erzeugt. Dabei wird in einem elektromagnetischen Kreis eine Magnetflussänderung dΦ/dt erzeugt, die in einer über dem magnetischen Kreis angeordneten Spule eine Spannung de/dt induziert. Diese Spannung bringt wiederum in einem äußeren Stromkreis einen Strom di/dt zum Fließen. Dazu sind im Allgemeinen relativ große Energiemengen notwendig, um in sinnvollem Maße elektrische Energie erzeugen zu können. Dazu entstehen in hohem Maße Energieverluste, die prinzipbedingt anfallen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich jedoch bereits bei relativ geringen. Energiemengen effektiv nutzen, die bei den bekannten Verfahren kaum nutzbare Effekte hervorrufen.
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Wichtig bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ist, dass die Widerstandsänderung schnell genug erfolgen kann, damit eine ausreichende Spannung in der Spule induziert wird. Es hängt von einer geeigneten Dimensionierung eines magnetischen Widerstands ab, wie schnell er erwärmt bzw. abgekühlt werden kann. Im Allgemeinen dürfte es in wenigen Anwendungsfällen sinnvoll sein, einen Widerstand aus soliden Blöcken zu fertigen. Vielmehr wird es vorteilhaft sein, wenn ein Widerstand aus relativ dünnem Material hergestellt ist. Um dennoch einen ausreichenden magnetischen Fluss durch den Widerstand zu ermöglichen, könnte der Widerstand aus mehreren parallel geschalteten dünnen Teilwiderständen bestehen. Hierzu und zu weiteren Ausgestaltungen hinsichtlich einer schnellen Erwärm- und Abkühlbarkeit sind aus der Praxis verschiedene Techniken bekannt.
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Die magnetischen Kreise können in Abhängigkeit von der gewünschten Dimensionierung sowohl hintereinander als auch nebeneinander angeordnet sein. Jeder magnetische Kreis weist mindestens einen temperaturabhängigen magnetischen Widerstand auf und ist mit einer Induktionsspule elektromagnetisch gekoppelt. Dadurch kann in jeder Induktionsspule der Mehrfachanordnung unabhängig voneinander eine Spannung induziert werden. Die einzelnen magnetischen Kreise können dabei entsprechend der aus der Praxis bekannten Verfahren zum Dimensionieren der magnetischen Kreise ausgebildet und angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß sind die magnetischen Widerstände durch Ferrite gebildet Ferrite sind elektrische schlecht oder nicht leitende ferrimagnetische keramische Werkstoffe, die aus Metalloxiden bestehen. Ferrite weisen die – im Allgemeinen als unerwünscht und negativ empfundene – Eigenschaft auf, dass ihr magnetischer Widerstand sehr stark von ihrer Temperatur abhängt. Dabei können sich die Widerstandeswerte in einem Temperaturbereich von 100°C um den Faktor 100 bis 1.000 verändern. Damit lässt sich eine besonders große Veränderung des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis bewirken.
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In vorteilhafter Weise wird der in den magnetischen Kreisen eingeprägte magnetische Fluss durch eine mit Gleichstrom durchflossene Spule erzeugt. Damit lässt sich der eingeprägte magnetische Fluss durch Wahl der Stärke des Gleichstroms beeinflussen. Alternativ oder zusätzlich könnte der magnetische Fluss durch einen Permanentmagneten erzeugt werden. Bei Verwendung eines Permanentmagneten wäre keine zusätzliche Gleichstromversorgung mehr notwendig.
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Vorteilhafterweise erzeugen die durch Gleichstrom durchflossene Spule und/oder der Permanentmagnet den magnetischen Fluss für mehrere oder gar für alle magnetischen Kreise. Dabei könnte die Magnetfeldquelle auf einem gemeinsamen Schenkel der Anordnung angeordnet sein.
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Hinsichtlich eines möglichst wartungsarmen Betriebs der Vorrichtung sollten die eingesetzten magnetischen Widerstände beständig gegenüber Temperaturwechseln und dauerbeanspruchbar sein. Diese Eigenschaft wäre insbesondere dahingehend sinnvoll, da Temperaturschwankungen von 100°C und mehr innerhalb relativ kurzer Zeit von dem Material der magnetischen Widerstände bewältigt werden müssen. Einzelne Werkstoffe bilden bei derartiger Beanspruchung Risse oder andere Verschleißerscheinungen aus. Dementsprechend sollte bei der Auswahl der Materialen für die magnetischen Widerstände auf eine entsprechende Beständigkeit geachtete werden.
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Zum möglichst gezielten Erwärmen bzw. Abkühlen der magnetischen Widerstände ist ein Wärmeträger vorgesehen, der durch ein geeignetes Mittel bewegbar ist. Der Wärmeträger transportiert die Wärmeenergie zu dem magnetischen Widerstand hin, wodurch dieser erwärmt wird, oder von dem magnetischen Widerstand weg, wodurch eine Abkühlung des Widerstands herbeigeführt wird.
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Es ist der Wärmeträger gut wärmeleitend und nicht magnetisierbar. Je besser die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeträgers ist, desto besser kann Wärme von den Widerständen auf den Wärmeträger bzw. umgekehrt übergehen. Handelt es sich um ein nicht magnetisierbares Medium, so wird der Wärmeträger durch den in dem magnetischen Kreis fließenden magnetischen Fluss nicht beeinflusst und umgekehrt.
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Hinsichtlich einer besonders einfachen Ausgestaltung könnte es sich bei dem Wärmeträger um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Dabei weisen Flüssigkeiten insbesondere den Vorteil auf, dass ihre Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität gegenüber der von Gas erhöht ist. Ein Gas bietet hingegen den Vorteil, dass Leckagen in dem Rohrsystem zum Transport des Wärmeträgers vergleichsweise unkritisch sind. Die Wahl des geeigneten Wärmeträgers wird in starkem Maße von dem jeweiligen Einsatzbereich der Vorrichtung abhängen.
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Als Flüssigkeit könnten Wasser, Öle, Glykole oder geeignete Gemische hiervon verwendet werden. Darüber hinaus sind aber wertere Wärmeträger denkbar, die die geforderten Eigenschaften des Wärmetransports erfüllen können. In vielen Anwendungsfällen können Flüssigkeiten mit einer geringen Viskosität besonders vorteilhaft eingesetzt werden, da diese gut auch durch kleinere Strukturen bewegt werden können.
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Hinsichtlich eines möglichst effektiven Transports der Wärmeenergie könnten zwei voneinander getrennte Wärmekreisläufe vorgesehen sein. Dabei würde ein Wärmekreislauf Wärmeenergie zu den magnetischen Widerständen transportieren, während ein zweiter Wärmekreislauf Wärmeenergie von den Widerständen wegführt. Dadurch könnten die in den Wärmeträgerkreisläufen verwendeten Medien effektiv auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden. Es müssten lediglich geeignete Mittel vorgesehen sein, mit Hilfe derer der jeweils gewünschte Wärmeträger den magnetischen Widerständen zugeführt werden kann.
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Die Mittel, mit denen der Wärmeträgerstrom zu den magnetischen Widerständen steuerbar ist, könnten auf die verschiedensten Arten realisiert sein. Sie könnten beispielsweise Magnetventile oder speziell ausgestaltete beispielsweise motorisch betriebene Ventile umfassen. Voraussetzung an die eingesetzten Mittel ist, dass durch sie die Menge des zugeführten Wärmeträgers beeinflusst werden kann. Dies kann in einem einfachen An- oder Abschalten des Warmeträgerstroms bestehen. Allerdings könnte auch zwischen einer maximalen und einer minimalen Durchflussmenge gewechselt werden.
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Vorzugsweise ist zum Bewegen des Wärmeträgers eine Umwälzpumpe vorgesehen. Dabei könnte die Umwälzpumpe als separate elektrisch betriebene Umwälzpumpe ausgestaltet sein. Andererseits könnte die Umwälzpumpe an eine beispielsweise ohnehin vorhandene Verbrennungskraftmaschine gekoppelt sein und durch diese angetrieben werden. Auch hier sind verschiedene Verfahren aus der Praxis bekannt.
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Zum Erreichen einer gewünschten Temperatur eines Wärmeträgers könnten Wärmetauscher vorgesehen sein, durch die aus einem anderen Prozess vorhandene Wärmeenergie auf den Wärmeträger übertragen wird. So kann beispielsweise dem Abgas bzw. dem Kühlöl eines Otto-, Diesel- oder Gasmotors Wärmeenergie entzogen werden, die sonst als Abwärme an die Umwelt abgegeben wird. Hierbei könnte beispielsweise ein Wärmetauscher hinter dem Katalysator vor dem Auspufftopf in das Abgasrohr eingesetzt werden. Andererseits könnte ein Wärmeträger über einen Wärmetauscher abgekühlt werden. Dieser Wärmetauscher könnte beispielsweise Wärmeenergie an eine Wärmesenke in Form von Fluss-, See- oder Meerwasser oder an die Umgebungsluft abgeben.
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Mehrere Wärmetauscher zum Erwärmen des Wärmeträgers können sowohl in Reihe wie auch parallel geschaltet werden, jedenfalls so, dass eine möglichst große Wärmemenge den Kühlkreisen entnommen werden kann und der Aufheizung des Wärmeträgers – beispielsweise auf 140°C bis 160°C – dient. Diese könnten auch aus verschiedenen Wärmequellen gespeist werden. So könnte in obigem Beispiel ein Wärmetauscher Abwärme aus dem Abgas aufnehmen, während ein anderer parallel oder in Reihe geschalteter Wärmetauscher Wärmeenergie dem Kühlöl der Verbrennungskraftmaschine entnimmt. Entsprechendes gilt für den Wärmetauscher zum Abkühlen des Wärmeträgers. Auch hier können mehrere Wärmetauscher parallel oder in Reihe geschaltet werden.
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Damit der Wärmeträger gezielt den magnetischen Widerständen zugeführt werden kann, könnten die magnetischen Widerstände in geeigneten Gehäusen angeordnet sein. Dabei sind die Gehäuse vorzugsweise aus einem nicht magnetischen und elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet. Dadurch wird ein Einfluss des Gehäuses auf den magnetischen Kreis verhindert. Vorteilhafter Weise sind die magnetischen Widerstände der einzelnen magnetischen Kreise jeweils getrennt in einem Gehäuse untergebracht. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die magnetischen Widerstände unabhängig voneinander erwärmt bzw. abgekühlt werden können. Befinden sich mehrere magnetische Widerstände in einem magnetischen Kreis, so könnten auch diese in getrennten Gehäusen angeordnet sein.
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Das Gehäuse eines magnetischen Widerstands könnte über einen Zufluss und einen Abfluss für den Wärmeträger verfügen. Der Wärmeträger würde in das Gehäuse über den Zufluss hineintreten und das Gehäuse über den Abfluss wieder verlassen. In dem Gehäuse könnte dann die gewünschte Erwärmung oder Abkühlung des magnetischen Widerstands erfolgen. Der Wärmeträger könnte dabei in direkten Kontakt mit einem magnetischen Widerstand gelangen. Alternativ könnte der Widerstand in ein Isolationsmaterial eingebettet sein, das einen direkten Kontakt unterbindet.
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Hinsichtlich eines möglichst flexiblen Einsatzes könnten die Gehäuse über ein Paar von Zu- und Abflüssen für den erwärmenden Wärmeträger und ein weiteres Paar für den kühlenden Wärmträger verfügen. Diese Paare von Zu- und Abflüssen sind vorzugsweise voneinander getrennt. In einer Erwärmungsphase würde dann der Zu- und Abfluss für den erwärmenden Wärmeträger aktiviert, während des Zu- und Abfluss für den kühlenden Wärmeträger gesperrt sind. Ist die gewünschte Aufwärmdauer oder die gewünschte Widerstandstemperatur erreicht, so könnte der Zu- und Abfluss für den erwärmenden Wärmeträger geschlossen werden und der Zu- und Abfluss für den kühlenden Wärmeträger aktiviert werden. Dadurch würde zwar der kühlende Wärmeträger durch den noch im Gehäuse des Widerstands befindlichen erwärmenden Wärmeträger vermischt und erwärmt, allerdings kann auf diese Art sichergestellt werden, dass eine möglichst kurze Übergangsphase zwischen dem warmen Zustand und dem kalten Zustand erreicht wird. Vorraussetzung einer derartigen Ausgestaltung ist, dass der erwärmende Wärmeträger und der kühlende Wärmeträger aus dem gleichen Medium bestehen.
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In verfahrensmäßiger Hinsicht ist die oben genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 13 gelöst.
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Zur Gewinnung der elektrischen Energie kannte dabei die Temperatur des magnetischen Widerstands gezielt beeinflusst werden. Dadurch kann gezielt auf die Veränderung des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis und damit auf die in der Spule induzierte Spannung Einfluss genommen werden. Die Beeinflussung der Temperatur des magnetischen Widerstands könnte mittels eines Wärmeträgerstroms erfolgen, mit dem ein erwärmender oder kühlender Wärmeträger den magnetischen Widerständen zugeleitet wird. Über diesen Wärmeträgerstrom könnte der magnetische Widerstand gezielt erwärmt bzw. abgekühlt werden.
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Vorzugsweise wird der magnetische Widerstand auf eine hohe Temperatur in einem heißen Bereich erwärmt. Diese Temperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich oberhalb von 100°C. Als vorteilhaft hat sich ein Temperaturbereich zwischen 120°C und 170°C erwiesen. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass auch Temperaturen unterhalb dieses Bereichs oder gar unterhalb von 100°C oder – je nach Wahl des Materials des magnetischen Widerstands – oberhalb dieses Bereiches sinnvoll eingesetzt werden können.
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Als Quelle der Wärmeenergie in dem Wärmeträgerstrom kommen insbesondere Abwärmequellen in Frage, die durch die verschiedensten Systeme gebildet sein können. Bioreaktore erzeugen beispielsweise Gase, die in Verbrennungskraftmaschinen genutzt werden können. Die Abwärme der Verbrennungskraftmaschinen kann als Wärmequelle zur Gewinnung elektrischer Energie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden. Schiffsdiesel oder Schiffsdampfmaschinen, Kraftwerke der Energieerzeugung erzeugen Abwärme, die für gewöhnlich an die Umwelt abgegeben wird. Diese Abwärme könnte stattdessen zur Gewinnung zusätzlicher elektrischer Energie durch das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden. Auch Straßen- oder Schienenfahrzeuge aller Art erzeugen Abwärme, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in elektrische Energie umgewandelt und in Batterien gespeichert werden kann. Diese kurze Auflistung deutet an, wie vielfältig die Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind.
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Zum Erreichen eines kalten Bereiches könnte der magnetische Widerstand durch einen Wärmeträger abgekühlt werden. Der Wärmeträger fungiert hier als Kühlmittel. Die von dem magnetischen Widerstand an den Wärmeträger abgegebene Wärmeenergie kann an eine Wärmesenke abgegeben werden. Je nach Ausgestaltung der Wärmesenke wird der kalte Bereich bei unterschiedlichen Temperaturen liegen. So könnte ein Wärmeträger beispielsweise mittels Flusswasser gekühlt werden. Bei Kraftfahrzeugen könnte der Fahrzeugkühler zur Abkühlung des Wärmeträgers verwendet werden. Je nach Jahreszeit und entsprechender Temperatur der Wärmesenke liegt die Temperatur, auf die der Wärmeträger abgekühlt wird, bei unterschiedlichen Werten. In vielen Fällen wird der kalte Bereich jedoch zwischen 0°C und 50°C liegen.
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Zum Erreichen einer kontinuierlichen Gewinnung elektrischer Energie wird zwischen einer Phase der Erwärmung des magnetischen Widerstands und einer Phase der Abkühlung des magnetischen Widerstands gewechselt. Dieser Wechsel erfolgt vorzugsweise periodisch. Die Frequenz der Erwärmung und Abkühlung entspricht der Frequenz der gewonnenen elektrischen Energie. Prinzipiell ist es für die erfindungsgemäße Gewinnung der elektrischen Energie nicht von Bedeutung, in welchem Verhältnis die Zeitspannen für die Erwärmung und die Abkühlungen zueinander stehen. Allerdings dürfte es sinnvoll sein, im Wesentlichen gleiche Zeitspannen für die Erwärmung und die Abkühlung zu realisieren.
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Bei Verwendung mehrerer magnetischer Kreise in der verwendeten Vorrichtung könnten die Erwärmungs- und Abkühlungsphasen in den einzelnen Kreisen zeitlich versetzt durchgeführt werden. So könnte beispielsweise bei zwei magnetischen Kreisen die Wärmezufuhr bzw. -abfuhr in den beiden magnetischen Kreisen um 180° versetzt sein. Bei Verwendung von drei magnetischen Kreisen könnte die Erwärmung bzw. Abkühlung jeweils um 120° versetzt erfolgen. Dadurch würde der durch einen Permanentmagneten oder eine gleichstromerregte Spule erzeugte magnetische Fluss besonders effektiv genutzt. Bei Verwendung von zwei magnetischen Kreisen ist beispielsweise ein magnetischer Kreis auf einen niedrigen magnetischen Widerstand eingestellt, während der zweite magnetische Kreis einen hohen magnetischen Widerstand aufweist. Dadurch wird nahezu der gesamte magnetische Fluss durch den magnetischen Kreis mit niedrigem Widerstand gelenkt. Danach wird vom heißen Bereich in den kalten Bereich bzw. umgekehrt gewechselt, so dass wiederum ein magnetischer Kreis einen hohen Widerstand aufweist, während der andere einen niedrigen Widerstand besitzt in dieser Phase fließt der magnetische Fluss im Wesentlichen durch den anderen magnetischen Kreis. Bei geschickter Dimensionierung der Vorrichtung kann der annähernd konstante magnetische Fluss des Permanentmagneten oder der erregenden Spule in der Anordnung ohne wesentliche Streuungen genutzt werden.
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Bei geeigneter Verschaltung der einzelnen Induktionsspulen in den einzelnen magnetischen Kreisen und geeigneter Zuführung von Wärmeenergie zu den einzelnen magnetischen Widerständen können verschiedene Formen elektrischer Energie erzeugt werden. So lässt sich ein pulsierender Gleichstrom ebenso erzeugen wie ein Wechselstrom oder ein Drehstrom (bei Verwendung dreier magnetischer Kreise). Zur Verwendung der gewonnenen elektrischen Energie kann es gegebenenfalls notwendig sein, die elektrische Energie geeignet aufzubereiten. Dazu stehen verschiedenste Arten von aus der Praxis hinlänglich bekannten Gleich- oder Wechselrichter zur Verfügung.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 bzw. 13 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei magnetischen Kreisen,
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2 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 1,
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3 einen Schnitt längs der Linie A-B durch die Vorrichtung gemäß 1 zuzüglich schematisch dargestellter Wärmequellen,
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4 den Temperatur- und Induktionsverlauf in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei magnetischen Kreisen und
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vier Induktionsspulen und sechs Gehäusen für magnetische Widerstände.
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In den Figuren sind gleichartige Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Davon wird abgewichen, wenn eine Unterscheidung für die Erläuterung hilfreich ist.
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Die 1 bis 3 stellen verschiedene Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Bei der dargestellten Vorrichtung 1 sind zwei magnetische Kreise ausgebildet, die gemeinsam einen Permanentmagneten 2 als Magnetfeldquelle aufweisen. Der erste magnetische Kreis umfasst neben dem Permanentmagneten 2 Kernstücke 3, 4 und 5, der zweite magnetische Kreis umfasst neben dem Permanentmagneten 2 Kernstücke 3, 6 und 5. Der Permanentmagnet bildet somit einen gemeinsamen Mittelsteg für die beiden magnetischen Kreise. Zwischen einzelnen Kernstücken (3 und 4, 4 und 5, 5 und 6, 6 und 3) sind Spalte ausgebildet, die durch Ferrite 7 überbrückt sind. Jeder Spalt mit den Ferriten ist in einem eigenen, nichtmagnetischen und elektrisch nicht leitenden Gehäuse 8, 9, 10, 11 angeordnet. Jedes Gehäuse 8, 9, 10, 11 ist mit jeweils zwei Zuflüsse 12 und zwei Abflüsse 13 (2) für eine Durchflutung des Gehäuses mit einem von zwei Wärmeträgern ausgestaltet. Über die Wärmeträger werden die in den Gehäusen 8, 9, 10, 11 angeordneten Ferrite 7 erhitzt oder abgekühlt, wodurch eine Änderung des magnetischen Widerstands der Ferrite 7 verursacht wird. Mit dem sich ändernden Widerstand ändert sich der magnetische Fluss durch die magnetischen Kreise.
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Jedem magnetischen Kreis ist jeweils eine Spule 14, 15 zugeordnet, die mit dem magnetischen Kreis elektromagnetisch gekoppelt sind. Dies ist dadurch realisiert, dass die Spulen um die Kernstücke 4 und 5 gewickelt sind. Durch den sich ändernden magnetischen Fluss wird damit in den Spulen 14, 15 eine Spannung induziert. Diese wird durch Anschlussleitungen 16 nach außen geführt. Über eine Last kann diese Spannung zu einem nutzbaren Stromfluss führen.
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Die gesamte Vorrichtung befindet sich innerhalb eines Gehäuses 17, das gegebenenfalls mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt sein kann.
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Jeder der beiden magnetischen Kreise und die Ferrite 7 sollten so bemessen sein, dass der von den Permanentmagneten 2 erzeugte magnetische Fluss bei möglichst kleiner Streuung aufgenommen werden kann. Dabei sollten die Ferrite andererseits möglichst dünn ausgeführt sein, damit sie zugeführte Wärme schnell aufnehmen und bei Kühlung wieder abgeben können. Bei der Dimensionierung ist zu beachten, dass bei Entmagnetisierung Wärmeenergie verbraucht wird, d. h. die betreffenden Teile werden kühler, und bei der Magnetisierung Wärmeenergie frei wird, d. h. die betreffenden Teile werden wärmer.
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2 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung 1, bei der insbesondere die Zu- und Abflüsse 12, 13 deutlich zu erkennen sind. Jedes Gehäuse 8, 9, 10, 11 weist ein Paar von Zu- und Abflüssen 12.1, 13.1 bzw. 12.3, 13.3 für den kühlenden Wärmeträger und ein weiteres Paar von Zu- und Abflüssen 12.2, 13.2 bzw. 12.4, 13.4 für den heizenden Wärmeträger auf (2). Durch die Zuflüsse wird in jedes Gehäuse 8, 9, 10, 11 abwechselnd ein Wärmeträger als Heiz- und Kühlflüssigkeit gepumpt.
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3 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung 1 entlang der Linie A-B. Die Fig. zeigt also die Gehäuse 8, 9 des ersten magnetischen Kreises, der in 1 in der oberen Hälfte dargestellt ist. Zusätzlich sind schematisch die Heiz- und Kühlkreisläufe eingezeichnet. Jeder Kreislauf besteht aus einer Wärmequelle 18 bzw. einer Wärmesenke 19, einer Umwälzpumpe 20 und zwei steuerbaren Ventilen 21, 22. Da die Gehäuse 8, 9 bzw. die darin angeordneten Ferrite 7 einem gemeinsamen magnetischen Kreis angehören, können die Ferrite 7 gleichzeitig erwärmt werden. Dadurch genügt für einen magnetischen Kreis eine gemeinsame Ansteuerung, weshalb in dem Heizkreislauf lediglich jeweils ein Ventil 21 in dem Zu- bzw. Abfluss gemeinsam für beide Gehäuse 8, 9 angeordnet ist. Entsprechendes gilt für den Kühlkreislauf und die beiden Ventile 22.
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Die in 3 dargestellte Anordnung ist für die Gehäuse 10, 11 entsprechend vorhanden. Dabei können jedoch die Umwälzpumpen 20 für den Heiz- bzw. Kühlkreislauf für beide Gehäusepaare genutzt werden. Damit sind für die in den 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung 2 × 4 = 8 steuerbare Ventile 21, 22 und zwei Umwälzpumpen 20 für den Wärmeträger erforderlich.
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Die Umwälzpumpen 20 bewegen den Wärmeträger in einem Heiz- bzw. Kühlkreislauf und führen den Wärmeträger Wärmetauschern zu. Die Wärmetauscher nehmen Wärmeenergie von der Wärmequelle 18 auf bzw. geben Wärmeenergie an die Wärmesenke 19 ab. Durch Schalten der Ventile 21 wird der Wärmeträger des Heizkreislaufs in die Gehäuse 8, 9 geleitet, durch Schalten der Ventile 22 strömt der Wärmeträger des Kühlkreislaufs durch die Gehäuse 8, 9.
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Beim Betreiben der Vorrichtung 1 wird nun ein Gehäusepaar 8, 9 mit dem Wärmeträger des Heizkreislaufs durchströmt, während gleichzeitig der Wärmeträger des Kühlkreislaufs dem anderen Gehäusepaar 10, 11 zugeführt wird. (Die Wärmezufuhr bzw. -abfuhr in den beiden magnetischen Kreise ist also um 180° versetzt.) Dadurch erhöht sich der magnetische Widerstand der Ferrite 7 im Gehäuse 8 und 9, was den magnetischen Fluss in dem ersten magnetischen Kreis nahezu vollständig zum Erliegen kommen lässt. Durch die Abkühlung der Ferrite 7 in den Gehäusen 10, 11 sinkt dort der magnetische Widerstand, wodurch der Gesamtwiderstand im zweiten magnetischen Kreis sinkt. Dadurch wird der durch den Permanentmagneten 2 erzeugte magnetische Fluss nahezu vollständig durch den zweiten Kreis gelenkt.
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Nach Ablauf einer gewünschten Zeitspanne oder nach Erreichen einer gewünschten Temperatur der Ferrite 7 wird umgeschaltet. Damit wird den Gehäusen 8, 9 der Wärmeträger des Kühlkreislaufs zugeleitet, während die Gehäuse 10, 11 durch den Wärmeträger des Heizkreislaufs durchströmt werden. Dadurch erhält der erste magnetische Kreis einen niedrigen magnetischen Widerstand, der magnetische Widerstand des zweiten Kreises hingegen steigt gleichzeitig. Damit wird der magnetische Fluss nahezu vollständig in den ersten magnetischen Kreis gelenkt. Wiederum nach Ablauf einer gewünschten Zeitspanne oder nach Erreichen einer gewünschten Temperatur der Ferrite 7 werden die Heiz- bzw. Kühlkreisläufe wieder umgeschaltet. Damit entsteht eine intermittierende Beaufschlagung mit Wärmeenergie, was zu einer intermittierenden Änderung des magnetischen Flusses in den magnetischen Kreisen führt.
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Einen beispielhaften Verlauf der Temperatur der magnetischen Widerstände zeigt der obere Teil der 4. Dabei ist mit durchgezogener Linie der Temperaturverlauf am ersten magnetischen Kreis (oberer Teil der Anordnung gemäß 1) dargestellt, während der Temperaturverlauf bei dem zweiten magnetischen Kreis (unterer Teil der Anordnung gemäß 1) gestrichelt wiedergegeben ist. Der untere Teil der 4 zeigt den jeweils korrespondierenden Verlauf der Induktion in den jeweiligen magnetischen Kreisen.
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Durch die Änderung des magnetischen Flusses in den magnetischen Kreisen wird in den Spulen 14, 15 jeweils eine Spannung induziert. Bei einem periodischen Wechsel zwischen Heiz- und Kühlphasen werden auch die induzierten Spannungen einen periodischen Verlauf annehmen. Dabei entsprechen sich die Frequenzen der Wechsel und der Spannungen.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1' mit mehr als 2 Induktionsspulen. In dem Ausführungsbeispiel sind vier Spulen 23 dargestellt. Die Vorrichtung 1' weist vier Eisenkreise 24, 24', 25 und 25' auf, in denen zwei Permanentmagnete 3 einen magnetischen Fluss erzeugen. In den Eisenkreisen 24, 24', 25, 25' sind mehrere Ferrite 7 angeordnet, die in insgesamt sechs Gehäusen 26 untergebracht sind. Der Betrieb der in 4 dargestellten Vorrichtung entspricht im Wesentlichen dem der in den 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung. Allerdings werden die Eisenkerne in unterschiedlichen Drehsinnen durch den magnetischen Fluss durchflossen. Die Richtung wird dabei durch die Polarität des Permanentmagneten festgelegt.
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Die Vorrichtung kann in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Wärmeenergie erweitert werden. Die Vorrichtung könnte in 5 nach links und/oder nach unten durch Wiederholung einzelner Teile fortgesetzt werden. Dabei muss lediglich die Polarität der Permanentmagneten beachtet werden.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränkt.