DE102017126803A1

DE102017126803A1 - Vorrichtung und verfahren zur umwandlung thermischer energie in elektrische energie

Info

Publication number: DE102017126803A1
Application number: DE102017126803.0A
Authority: DE
Inventors: Kai Sellschopp; Sebastian Fähler; Anja Waske
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: HELMHOLTZ-ZENTRUM DRESDEN - ROSSENDORF E. V., DE
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: US11075333B2; US20190355892A1; CN110313075A; WO2018091573A1; JP2020513718A; JP7105770B2; DE102017126803B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energietechnik und betrifft eine Vorrichtung und eine Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie oder Geothermie eingesetzt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie bereitzustellen, die eine verbesserte Leistung insgesamt und eine erhöhte maximal erreichbare Leistung aufweist, sowie in Herstellung und Einsatz einfach und kostengünstig ist.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit einem oder mehreren thermomagnetischen Generatoren gelöst, 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 magnetischen Nordpole mit einem der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material verbunden sind und deren magnetischen Südpole mit dem anderen Verbindungselement verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energietechnik und betrifft eine Vorrichtung und eine Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie, in der chemischen Industrie oder an Großrechnern zur Umwandlung von Abwärme oder von Wärme aus der Umwelt (Geothermie) in elektrische Energie eingesetzt werden kann.
Das Prinzip des thermomagnetisches 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(3), 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 einem induzierten Strom.
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. Durch die Phasenumwandlung ändern sich die Magnetisierung und die Permeabilität des thermomagnetischen Materials. Wird eine Spule um ein solches thermomagnetisches Material positioniert, so wird ein elektrischer Strom induziert.
Thermomagnetische Generatoren sind besonders bei geringen Temperaturunterschieden bis 120°C effektiv einsetzbar. Die in thermomagnetischen Generatoren eingesetzten Materialien sind beispielsweise Bi₂Te₃, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi₂.
In neueren Zeiten wurde 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 Erwärmung des magnetokalorischen 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 magnetokalorischen Materialien mit ausgeprägtem MCE besteht insbesondere darin, dass sich deren Magnetisierung in einem relativ kleinen Temperaturbereich stark ändert.
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 einem magnetischen System 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.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der magnetische Fluss innerhalb eines thermomagnetischen Generators über die Luft realisiert wird. Es ist bekannt, dass Luft hat eine deutlich geringere Permeabilität µ (ca. 1 bis 4·10^-7) aufweist. Da die Energiedichte eines magnetischen Feldes B durch u=1/2 B²/µ beschrieben wird, erfordert die Flussführung über Luft eine deutlich höhere Energie als die Flussführung über weichmagnetisches Material. Somit muss bei unveränderter induzierter elektrischer Nutzleistung mehr Wärmeleistung aufgebracht werden, was den Wirkungsgrad und die Leistung eines thermomagnetischen Generators reduziert.
Nachteilig ist auch, dass bekannte Vorrichtungen mit einem thermomagnetischen Generator eine noch zu geringe maximal erreichbare Leistung aufweisen sowie aufwändig und kostenintensiv bei ihrer Herstellung und im Einsatz sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie bereitzustellen, die gegenüber den Lösungen des Standes der Technik eine verbesserte Leistung insgesamt und eine erhöhte maximal erreichbare Leistung aufweist, sowie in Herstellung und Einsatz einfach und kostengünstig ist.
Außerdem besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, mit dem eine verbesserte und erhöhte Leistung bei der Umwandlung von thermischer in elektrische Energie erreicht wird.
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 mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie umfasst 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, 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, und wobei die thermomagnetischen Bauelemente von der mindestens einen Spule örtlich getrennt angeordnet sind, und wobei die mindestens eine Spule als Spulenkern mindestens einen Teilbereich des Verbindungselementes aus magnetflussleitendem Material aufweist, und 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, wobei die magnetischen Nordpole der mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material mit einem der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material verbunden sind und deren magnetischen Südpole mit dem anderen Verbindungselement der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material verbunden sind.
Vorteilhaft ist es, wenn die thermomagnetischen Bauelemente und die Bauelemente aus hartmagnetischem Material mit den mindestens zwei Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material magnetisch verbunden sind.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die thermomagnetischen Bauelemente mindestens ein magnetokalorisches Material enthalten, dass vorteilhafterweise La-Fe-Si, Fe₂P und/oder eine oder mehrere Heuslerlegierungen ist.
Und weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Magnetkreisläufe mit Ausnahme der mindestens einen Spule spiegelsymmetrisch gegenüberliegend angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausführung weist das thermomagnetische Material eine Änderung der Magnetisierung M > 50% bei einer Temperaturänderung bis 20 Kelvin auf.
Vorteilhaft ist auch, wenn die thermomagnetischen Bauelemente in Form von Pulver, Röhren, Platten, Netzen, Gittern, Bändern, Drähten und/oder Stäben vorliegen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Bauelement aus hartmagnetischem Material ein Permanentmagnet, insbesondere ein Permanentmagnet aus Nd-Fe-B, ist.
Vorteilhafterweise sind die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material aus weichmagnetischem Material, insbesondere aus Fe-Si und/oder amorphen Fe-basierten Legierungen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material ringförmig geschlossen ausgebildet.
Ebenfalls vorteilhafterweise weist die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material mindestens im Bereich der mindestens einen Spule eine oder mehrere kristallographische Texturen aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind mindestens eine Wärmezuführeinrichtung bei jedem thermomagnetischen Bauelement und mindestens eine Wärmeabführeinrichtung bei jedem thermomagnetischen Bauelement vorhanden, wobei besonders vorteilhaft Regelungseinrichtungen und/oder Steuerungseinrichtungen vorhanden sind.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung sind mehrere thermomagnetische Generatoren in Reihe als Kaskade geschaltet, wobei besonders vorteilhafterweise die ersten und zweiten thermomagnetischen Bauelemente eines thermomagnetischen Generators einer Kaskade jeweils unterschiedliche Curie-Temperaturen gegenüber den weiteren ersten und zweiten thermomagnetischen Bauelementen der weiteren thermomagnetischen Generatoren der Kaskade aufweisen.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben, bei dem ein erstes thermomagnetisches Bauelement erwärmt und gleichzeitig ein zweites thermomagnetisches Bauelement abgekühlt wird, wodurch die Magnetisierung in den thermomagnetischen Bauelementen verändert wird und gleichzeitig in einem ersten Magnetkreislauf durch die hartmagnetischen Bauelemente ein gerichteter magnetischer Fluss realisiert wird und in der mindestens einen Spule durch die magnetische Flussänderung in den mindestens zwei Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material elektrische Energie induziert wird, und anschließend das erste thermomagnetische Bauelement abgekühlt und gleichzeitig das zweite thermomagnetische Bauelement erwärmt wird, wodurch die Magnetisierung in den thermomagnetischen Bauelementen verändert wird und gleichzeitig in einem zweiten Magnetkreislauf durch die hartmagnetischen Bauelemente ein entgegen gerichteter magnetischer Fluss realisiert wird und in derselben mindestens einen Spule durch die Änderung der Richtung des magnetische Fluss über die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material elektrische Energie induziert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die gegenüber den Lösungen des Standes der Technik eine verbesserte Leistung insgesamt und eine erhöhte maximal erreichbare Leistung aufweist, sowie in Herstellung und Einsatz einfach und kostengünstig ist.
Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die einen oder mehrere thermomagnetische Generatoren umfasst, dass in den Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material im Bereich der einen oder mehreren Spulen eine Änderung der Richtung des magnetischen Flusses realisiert wird, was eine wesentliche höhere Induktion in der oder den Spulen bewirkt und damit zu einer wesentlichen Erhöhung der Leistung des thermomagnetischen Generators führt. Jedoch wird auch die maximal erreichbare Leistung erhöht, da die maximal erreichbare Leistung proportional zum Quadrat der magnetischen Flussänderung ist, und somit eine Erhöhung der Flussänderung zu einer deutlichen Leistungssteigerung führt.
Erreicht wird dies dadurch, dass bei dem mindestens einen thermomagnetischen 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 vorhanden sind, wobei durch die erfindungsgemäße Anordnung jeweils zwei Magnetkreisläufe ausgebildet sind, die wechselseitig einen gerichteten magnetischen Fluss realisieren.
Als thermomagnetisches Bauelement soll im Rahmen der Erfindung ein Bauelement verstanden werden, dass bei einer Temperaturänderung eine Änderung der Magnetisierung realisiert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das thermomagnetische Bauelemente aus einem Material ist, bei dem eine Änderung der Magnetisierung > 50% bei Temperaturgradienten von 20 Kelvin erreicht werden. Derartige Materialien können beispielsweise magnetokalorische Materialen, insbesondere La-Fe-Si-Legierungen, Fe₂P und/oder Heuslerlegierungen, sein.
Vorrichtungsgemäß sind die thermomagnetischen Bauelemente und die mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material jeweils örtlich getrennt voneinander angeordnet. Dabei sind die thermomagnetischen Bauelemente und die Bauelemente aus hartmagnetischem Material mit den mindestens zwei Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material verbunden, wobei für einen im Wesentlichen verlustfreien konstanten Magnetfluss im thermomagnetischen Generator vorteilhaft ist, wenn die thermomagnetischen Bauelemente und die Bauelemente aus hartmagnetischem Material mindestens magnetisch mit den mindestens zwei Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material verbunden sind. Damit wird erreicht, dass der magnetische Fluss an der Grenzfläche zwischen den Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material, den Bauelementen aus hartmagnetischem Material und den thermomagnetischen Bauelementen senkrecht zur Grenzfläche erhalten bleibt und der magnetische Fluss in den Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material dem magnetischen Fluss in den thermomagnetischen Bauelementen und den Bauelementen aus hartmagnetischem Material gleicht.
Hierdurch wird erreicht, dass der magnetisch Fluss im magnetischen Material und nicht durch die Luft geführt wird, was ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist.
Ebenso ist es von besonderer Bedeutung für die erfindungsgemäße Lösung, dass die thermomagnetischen Bauelemente von der mindestens einen Spule örtlich getrennt angeordnet sind und jede Spule als Spulenkern mindestens einen Teilbereich des Verbindungselementes aus magnetflussleitendem Material aufweist.
Dadurch wird erreicht, dass durch das Erwärmen des mindestens ersten thermomagnetischen Bauelementes und durch das gleichzeitige Abkühlen des mindestens zweiten thermomagnetischen Bauelementes ein Magnetfeld durch das erwärmte erste thermomagnetische Bauelement erzeugt wird. Dieses Magnetfeld wird durch die mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material aktiviert und ein gerichteter magnetischer Fluss durch die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material und durch die mindestens eine Spule realisiert.
Durch die örtlich getrennte Anordnung der mindestens einen Spule von den thermomagnetischen Bauelementen wird erreicht, dass die Geometrie der mindestens einen Spule unabhängig von der Auslegung der thermomagnetischen Bauelemente gestaltet werden kann. Somit können die mindestens eine Spule und die mindestens zwei thermomagnetischen Bauelemente unabhängig voneinander auf den von den mindestens zwei hartmagnetischen Bauelementen erzeugten magnetischen Fluss abgestimmt werden. Dies vereinfacht die Berechnung und Ermittlung der notwendigen Parameter für die Auslegung der Spule und der thermomagnetischen Bauelemente und führt dazu, dass teures hartmagnetisches Material eingespart werden kann.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß erforderlich, dass mindestens zwei thermomagnetische Bauelemente, mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material, mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material und mindestens eine Spule zu mindestens zwei Magnetkreisläufen ausgebildet sind.
Durch die Anordnung der mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material im Magnetkreislauf jeweils vor und hinter einer Spule wird ein gerichteter magnetischer Fluss im Magnetkreislauf und somit in der mindestens einen Spule gewährleistet.
Dadurch, dass bei der vorliegenden Erfindung die Spule um mindestens einen Teilbereich eines Verbindungselementes aus magnetflussleitendem Material angeordnet ist, wird eine höhere Magnetisierung gegenüber bekannten Spulenkernen aus thermomagnetischem Material erreicht und die maximale Flussdichte des magnetflussleitendem Materials der Verbindungselemente wesentlich besser ausgenutzt. Dies führt zu einer höheren Induktion in der mindestens einen Spule und damit zu einer wesentlich besseren Leistung des thermomagnetischen Generators. Zudem treten Hystereseverluste nur noch in Folge des Koerzitivfeldes auf, die bei Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material im Vergleich mit thermomagnetischen Bauelementen wesentlich geringer sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens zwei thermomagnetischen Bauelemente in Form von Pulver, Röhren, Platten, Netzen, Gittern, Bändern, Drähten und/oder Stäben vorliegen. Damit wird erreicht, dass nur eine geringe Lücke zwischen dem thermomagnetische Bauelement und dem restlichen Magnetkreislauf entsteht. Dies führt zu einer Verringerung des Abfallens des Magnetfeldes im Magnetkreislauf und damit zu Verringerung der benötigten magnetischen Masse der eingesetzten Bauelemente und Verbindungselemente.
Ein weiterer Vorteil der Ausbildung der thermomagnetischen Bauelemente in Form von Pulver, Röhren, Platten, Netzen, Gittern, Bändern, Drähten und/oder Stäben liegt vor, wenn das Wärmeaustauschmedium in direkten Kontakt mit dem thermomagnetischen Material steht und die thermomagnetischen Bauelemente durchströmen kann. Dadurch kann der magnetokalorische Effekt besonders vorteilhaft ausgenutzt und die Leistung des thermomagnetischen Generators verbessert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erreicht, dass durch das wechselseitige Erwärmen und Abkühlen des ersten und zweiten thermomagnetischen Bauelementes die magnetische Flussrichtung im Magnetkreislauf mindestens in der mindestens einen Spule umkehrbar ist. Durch die erfindungsgemäße Verbindung der magnetischen Nordpole der mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material mit einem der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material und der Verbindung deren magnetischen Südpole mit dem anderen Verbindungselement der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material wird erreicht, dass ein gerichteter magnetischer Fluss realisiert wird, der zu einer Umkehr der magnetischen Flussrichtung innerhalb der mindestens einen Spule führt.
Die Umkehr des magnetischen Flusses mindestens innerhalb der mindestens einen Spule wird nach einem magnetischen Protagonist-Antagonist-Prinzip realisiert. Nach dem Erwärmen des ersten thermomagnetischen Bauelementes und dem Abkühlen des zweiten thermomagnetischen Bauelementes wird die Umkehr des magnetischen Flusses dadurch realisiert, dass mindestens ein zweites thermomagnetisches Bauelement erwärmt und mindestens ein erstes thermomagnetisches Bauelement abgekühlt wird. Dadurch wird eine Permeabilitätsänderung in den thermomagnetischen Bauelementen bewirkt, wodurch eine Umkehr des magnetischen Flusses in den Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material und damit in der mindestens einen Spule realisiert wird. Mit der Umkehr des magnetischen Flusses direkt in der Spule ist es nunmehr möglich, die Flussänderung wesentlich zu erhöhen und zugleich den unerwünschten Einfluss der Remanenz wesentlich zu verringern.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material mindestens im Bereich der Spule eine oder mehrere kristallographische Texturen aufweisen. Im Rahmen der Erfindung soll unter kristallographischer Textur eine oder mehrere Vorzugsorientierungen der Kristallite eines vielkristallinen Festkörpers verstanden werden, wobei unter diesen Festkörper im Rahmen der Erfindung die Verbindungselemente aus magnetflussleitenden Material anzusehen sind.
Durch die kristallographische Textur wird erreicht, dass Verluste aufgrund der magnetischen Hysterese wesentlich reduziert werden, was zu einer verbesserten Leistung der Vorrichtung hinsichtlich der Umwandlung von thermischer in elektrische Energie führt.
Für einen besonders vorteilhaften magnetischen Fluss können vor allem weichmagnetische Materialien, insbesondere Fe-Si-Legierungen und/oder amorphe Fe-basierte Legierungen bei den Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die thermomagnetischen Bauelemente jeweils mindestens eine Wärmezuführeinrichtung und mindestens eine Wärmeabführeinrichtung auf, wobei zusätzlich Regeleinrichtungen und/oder Steuereinrichtungen vorhanden sein können. Mit den Wärmezuführ- und Wärmeabführeinrichtungen werden eine gezielte und direkte Wärmezufuhr zu den thermomagnetischen Bauelementen und eine gezielte und direkte Wärmeabfuhr von den thermomagnetischen Bauelementen erreicht. Zudem ist ein schneller Wechsel von Erwärmung und Abkühlung des thermomagnetischen Materials möglich, was zu einer schnellen Umkehr des magnetischen Flusses im thermomagnetischen Generator führt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung sind die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material jeweils ringförmig geschlossen ausgebildet. In einer technischen Umsetzung können die ringförmig geschlossen ausgebildeten Verbindungselemente als Polygone mit n Seiten ausgeführt sein.
Dabei sind ein innerer Ring eines Verbindungselementes aus magnetflussleitendem Material und ein äußerer Ring als Verbindungselement aus magnetflussleitendem Material ausgebildet, wobei der innere Ring einen geringeren Umfang gegenüber dem äußeren Ring aufweist. Um den äußeren Ring sind 2n Induktionsspulen gewickelt und zwischen beiden Ringen befinden sich n thermomagnetische Bauelemente sowie n Permanentmagnete. Diese ringförmige geschlossene Anordnung weist eine geradzahlige Anzahl 2n von Magnetfeldkreisen auf.
Mit einer derartigen vorteilhaften ringförmig geschlossenen Anordnung des thermomagnetischen Generators ermöglicht den thermomagnetischen Generator in Drehung zu versetzen, so dass die thermomagnetischen Bauelementen abwechselnd durch die beispielsweise über der Vorrichtung angeordneten Wärmezuführeinrichtungen erwärmt und abgekühlt werden. Der in den Spulen induzierte Strom kann beispielsweise über Schleifkontakte nach außen geführt werden.
Ein Vorteil dieser Anordnung der Vorrichtung ist, dass keine elektrische Energie für den Betrieb von Ventilen der Wärmezuführeinrichtungen und Wärmeabführeinrichtungen benötigt wird, sondern die Strömungsenergie der Medien ausgenutzt und somit die Effizienz gesteigert wird. Zudem besteht ein weiterer Vorteil darin, dass die Medien von oben zugeführt werden können und somit deren potentielle Energie ausgenutzt werden kann, ohne dass eine zusätzliche Pumpe zum für die Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr mit entsprechendem Druckaufbau notwendig ist.
Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung aus zwei oder mehrere thermomagnetische Generatoren bestehen, die in Reihe als Kaskade verbunden sind, wobei die ersten und zweiten thermomagnetischen Bauelemente eines thermomagnetischen Generators einer Kaskade unterschiedliche Curie-Temperaturen gegenüber den weiteren ersten und zweiten thermomagnetischen Bauelementen der weiteren thermomagnetischen Generatoren der Kaskade aufweisen.
Mit der Anordnung von zwei oder mehreren thermomagnetischen Generatoren in Reihe als Kaskade wird eine höhere Ausbeute der zur Verfügung stehenden thermischen Energie in elektrische Energie möglich, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad im Hinblick auf die bereitstehende thermische Energie und die Umwandlung in elektrische Energie führt.
Es konnte festgestellt werden, dass durch den erfindungsgemäßen thermomagnetischen Generator beispielsweise eine doppelt so hohe Änderung des magnetischen Flusses in der mindestens einen Spule realisiert wird. Dies führt dazu, dass, aufgrund des quadratischen Zusammenhangs zwischen Flussänderung und Leistung, die Leistung des erfindungsgemäßen thermomagnetischen Generators gegenüber dem Stand der Technik um das Vierfache verbessert ist.
Durch die Vermeidung von Lücken zwischen den thermomagnetischen Bauelementen, den Bauelementen aus hartmagnetischem Material und den Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material wird ein thermomagnetischer Generator mit besonders vorteilhafter hoher Permeabilität bereitgestellt, bei dem insbesondere magnetische Streufelder in der Luft minimiert und die Eigenschaften der eingesetzten magnetischen Materialien optimal ausgenutzt und eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigen

1 eine schematische Ausführungsvariante der Vorrichtung mit paralleler Anordnung der Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material und
2 eine schematische Ausführungsvariante der Vorrichtung mit dreieckiger Anordnung der Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material.

Ausführungsbeispiel 1
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem thermomagnetischen Generator weist zwischen horizontal angeordneten oberen und unteren Verbindungselementen aus weichmagnetischem Material (4) als Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material linksseitig begrenzend ein erstes magnetokalorisches Bauelement (1a) und rechtsseitig begrenzend ein zweites magnetokalorisches Bauelement (1b) als thermomagnetische Bauelemente auf. Jedes magnetokalorische Bauelement (1a, 1b) besteht aus 25 Platten, die aus La(FeCoSi)₁₃ hergestellt sind. Die Platten eines jeden magnetokalorischen Bauelementes (1a, 1b) sind parallel zueinander und quer zur Ausrichtung der Verbindungselemente aus weichmagnetischem Material (4) in einem Abstand von 0,5mm angeordnet.
Neben den magnetokalorischen Bauelementen (1a, 1b) sind Permanentmagnete (2) als hartmagnetische Bauelemente angeordnet, die jeweils eine magnetische Flussdichte von 1,47T aufweisen. Die magnetischen Nordpole der Permanentmagnete (2), die als Pfeilspitzen dargestellt sind, sind mit dem oberen Verbindungselement aus weichmagnetischem Material (4) verbunden und deren Südpole, die durch die Pfeilenden dargestellt sind, sind mit dem unteren Verbindungselement aus weichmagnetischem Material (4) verbunden. Zwischen den beiden Permanentmagneten (2) sind um die Verbindungselemente aus weichmagnetischem Material (4) zwei Spulen (3) mit einer Länge von jeweils 50 mm angeordnet, deren Spulenkerne Bereiche der Verbindungselemente aus weichmagnetischem Material (4) bilden.
Im Ruhezustand des thermomagnetischen Generators weisen die magnetokalorischen Bauelemente (1a, 1b) jeweils Umgebungstemperatur und damit einen gleichen magnetischen Widerstand auf. Ein magnetischer Fluss in den zwei Spulen (3) liegt nicht vor, da der von den Permanentmagneten erzeugte Fluss gleichmäßig auf die magnetokalorischen Bauelemente verteilt ist.
Nun werden die magnetokalorischen Bauelemente (1a, 1b) senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses in den Verbindungselementen aus weichmagnetischem Material von unterschiedlich temperiertem Fluid durchströmt, wobei das erste magnetokalorische Bauelement (1a) erwärmt wird und das zweite magnetokalorische Bauelement (1b) abgekühlt wird. Die Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und dem kalten Fluid, die durch die magnetokalorischen Bauelemente strömen, beträgt ΔT = 30K. Dadurch ändern sich die Magnetisierung in den magnetokalorischen Bauelementen und der magnetische Widerstand in den Verbindungselementen aus weichmagnetischem Material. Durch die Permanentmagnete (2) wird ein gerichteter magnetischer Fluss erzeugt, wobei durch die Änderung des magnetischen Flusses beim Durchfließen durch die beiden Spulen (3) entlang der Spulenachsen ein elektrischer Strom induziert wird. Anschließend werden gleichzeitig das erste magnetokalorische Bauelement (1a) abgekühlt und das zweite magnetokalorische Bauelement (1b) wieder erwärmt, bis die beiden magnetokalorischen Bauelemente Umgebungstemperatur erreicht haben, wobei dabei durch die Änderung des magnetischen Flusses ebenfalls ein elektrischer Strom in den Spulen (3) induziert wird.
Nun werden die magnetokalorischen Bauelemente (1a, 1b) senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses in den Verbindungselementen aus weichmagnetischem Material von unterschiedlich temperiertem Fluid durchströmt, wobei diesmal das zweite magnetokalorische Bauelement (1b) erwärmt und das erste magnetokalorische Bauelement (1a) abgekühlt wird. Die Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und dem kalten Fluid, die durch die magnetokalorischen Bauelemente (1a, 1b) strömen, beträgt ΔT = 30K. Dadurch ändert sich die Magnetisierung in den magnetokalorischen Bauelementen (1a, 1b) und deren magnetische Permeabilität. Durch die Permanentmagneten (2) wird ein gerichteter magnetischer Fluss erzeugt, wobei durch die Änderung des magnetischen Flusses beim Durchfließen durch die beiden Spulen (3) entlang der Spulenachsen ein elektrischer Strom induziert wird. Anschließend werden gleichzeitig das zweite magnetokalorische Bauelement (1b) abgekühlt und das erste magnetokalorische Bauelement (1a) wieder erwärmt, bis die beiden magnetokalorischen Bauelemente (1a, 1b) wieder Umgebungstemperatur erreicht haben, wobei dabei durch die Änderung des magnetischen Flusses ebenfalls ein elektrischer Strom in den Spulen (3) induziert wird.
Die durch den thermomagnetischen Generator erreichte Änderung des magnetischen Flusses beträgt Φ_max = 4.836 × 10^-5 Wb und Φ_min = -4.836 × 10^-5 Wb. Daraus ergibt sich Flussänderung von ΔΦ = Φ_max - Φ_min = 9.672 × 10^-5 Wb, was einer Änderung der Flussdichte von 0.77 T entspricht. Die erzeugte elektrische Leistung pro Spule (3) beträgt 0,306 W, wodurch eine elektrische Gesamtleistung von 0,61 W erreicht wird.
Ausführungsbeispiel 2
Ein thermomagnetischer Generator weist zwischen einem äußeren und einem inneren Ring aus weichmagnetischem Material (4), drei thermomagnetischen Bauelemente (1a-c) und drei Permanentmagnete (2a-c) auf, die jeweils im Dreieck angeordnet sind. Am äußeren Ring aus weichmagnetischem Material (4) sind außerdem jeweils zwischen den thermomagnetischen Bauelementen (1a-c) und den Permanentmagneten (2a-c) sechs Spulen (3) angeordnet, so dass in ihnen durch die Änderung des Magnetflusses eine Spannung induziert wird. Die Spezifikationen für die thermomagnetischen Bauelemente (1a-c) und die Permanentmagnete (2a-c) sind analog zum Ausführungsbeispiel 1 gewählt, die magnetokalorischen Bauelemente (1a-c) bestehen aus 38 Platten, um den Fluss von drei Permanentmagneten aufzunehmen. Die Nordpole der Permanentmagnete (2a-c) sind durch die Pfeilspitzen dargestellt und jeweils mit dem äußeren Ring verbunden. Die Südpole der Permanentmagnete (2a-c) sind durch die Pfeilenden dargestellt und entsprechend mit dem inneren Ring aus weichmagnetischem Material (4) magnetisch verbunden. Die magnetische Verbindung der beiden Pole der Permanentmagneten (2a-c) mit dem inneren und äußeren Ring aus weichmagnetischen Material (4) ist durch eine Klebung mit einem ferromagnetischen Kleber. Der dargestellte Aufbau besitzt insgesamt 3 Spiegelebenen, die senkrecht zur Bildebene orientiert sind. Diese Spiegelsymmetrien beinhalten nicht die Verschaltung der Spulen.
Im Ruhezustand weisen die thermomagnetischen Bauelemente (1a-c) jeweils Umgebungstemperatur, eine gleiche Magnetisierung und damit einen gleichen magnetischen Widerstand auf. Dadurch entsteht ein magnetischer Fluss, der jeweils von den Permanentmagneten durch die beiden benachbarten Spulen und die benachbarten thermomagnetischen Bauelemente über den inneren Ring zurück zu den Permanentmagneten fließt. Insgesamt sind somit in diesem Aufbau 6 Magnetfeldkreise vorhanden.
Nun werden zwei der drei thermomagnetischen Bauelemente (1b und 1c) erwärmt und das übrige (1a) abgekühlt, indem sie von unterschiedlich temperierten Fluiden oder Gasen durchströmt werden. Dadurch sinkt die Magnetisierung in den erwärmten magnetokalorischen Bauelementen (1b und 1c) und steigt die Magnetisierung in dem gekühlten thermomagnetischen Bauelement (1a). Der magnetische Fluss des Permanentmagneten (2a), der gegenüber vom gekühlten thermomagnetischen Bauelement (1a) angeordnet ist, fließt nun nicht mehr über die benachbarten thermomagnetischen Bauelemente (1b und 1c), sondern über das gekühlte thermomagnetische Bauelement (1a) zum Permanentmagneten (2a) zurück. Auch der Fluss aus den anderen zwei Permanentmagneten (2b und 2c) fließt über das gekühlte thermomagnetische Bauelement (1a). Dadurch kehrt sich die Flussrichtung in den Spulen (3) zwischen den zum gekühlten thermomagnetische Bauelement (1a) benachbarten Permanentmagneten (2b und 2c) und den erwärmten thermomagnetische Bauelementen (1b und 1c) um und eine elektrische Spannung wird induziert. Außerdem erhöht sich der magnetische Fluss in den zum gekühlten thermomagnetischen Bauelement (1a) benachbarten Spulen (3), wodurch ebenfalls eine elektrische Spannung induziert wird.
Nunmehr wird das im Uhrzeigersinn nächste thermomagnetische Bauelement (1b) abgekühlt und das vorher gekühlte thermomagnetische Bauelement (1a) erwärmt. Dadurch sinkt die Magnetisierung im nun erwärmten thermomagnetischen Bauelement (1a) und die Magnetisierung im nun gekühlten thermomagnetischen Bauelement (1b) steigt. Der magnetische Fluss aller Permanentmagnete (2a-c) fließt nun über das gekühlte thermomagnetische Bauelement (1b). Dies bewirkt eine Änderung des magnetischen Flusses und eine elektrische Spannung wird in allen Spulen (3) induziert. In den zum thermomagnetischen Bauelement (1c) benachbarten Spulen (3) und in der Spule (3) zwischen dem nun erwärmten thermomagnetischen Bauelement (1a) und dem im Uhrzeigersinn benachbarten Permanentmagneten (2c) ändert sich dabei auch das Vorzeichen der magnetischen Flussrichtung.
Anschließend wird der Erwärmungs- und Abkühlvorgang zyklisch fortgesetzt, indem das im Uhrzeigersinn nächste thermomagnetische Bauelement abgekühlt und das zuvor gekühlte thermomagnetische Bauelement erwärmt wird. Dadurch ändert sich die Größe des magnetischen Flusses in allen sechs Spulen, wodurch eine elektrische Spannung induziert wird. In jeweils drei der sechs Spulen ändert sich außerdem das Vorzeichen der magnetischen Flussrichtung, was aus oben genannten Gründen besonders vorteilhaft ist.
Um die Leistung der einzelnen Spulen gemeinsam zu nutzen, werden diese Wechselspannungen mittels Dioden gleichgerichtet und zusammengeschaltet.
Das zyklische Erwärmen und Abkühlen durch Wasser als Medium wird folgendermaßen realisiert. Die Zuführung der kalten und warmen Medien erfolgt senkrecht zu der Abbildungsebene und wird durch 6 ortsfeste Kanäle realisiert, die rotationssymmetrisch um die Drehachse angeordnet sind. Aus jedem zweiten Kanal fließt warmes, aus den anderen kaltes Wasser. In der Mitte des Aufbaus befindet sich eine Welle, um die sich der Aufbau drehen kann. Wird der thermomagnetische Generator in Drehung versetzt, so werden die thermomagnetischen Bauelementen erfindungsgemäß abwechselnd kalt und warm. Um den Aufbau in Drehung zu versetzen, werden unterhalb der thermomagnetischen Platten zusätzliche Platten angebracht, die ähnlich wie ein Windrad oder Turbine durch das strömende Wasser den Aufbau in Rotation versetzen. Die Schrägstellung wird so gewählt, dass die Drehzahl eine maximale Nutzleistung des thermomagnetischen Generators erlaubt. Somit wird für dieses Ausführungsbeispiel keine elektrische Energie für den Betrieb von Ventilen benötigt, sondern die Strömungsenergie der Medien ausgenutzt und somit die Effizienz gesteigert.
Der beschriebene Aufbau lässt sich auf beliebig viele thermomagnetische Bauelemente und Permanentmagnete in zyklischer Anordnung erweitern. In allen Betriebszuständen wird der magnetische Fluss in einem magnetischen Material geführt, das heißt in den Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material, den Bauelementen aus hartmagnetischem Materialien und in den thermomagnetischen Bauelementen.
Bezugszeichenliste

1a, 1b, 1c: thermomagnetische Bauelemente
2, 2a, 2b, 2c: Permanentmagnete
3: Spulen
4: Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3732312 A1 [0007]
EP 2465119 A1 [0008]
EP 2408033 B1 [0009]
DE 102012020486 A1 [0010]
WO 2009133047 A2 [0011]
DE 3106520 A1 [0012]
JP H07107764 A [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Brillouin, L. and Iskenderian H.P.: „Thermomagnetic Generator“, Electrical communication 25(3), 300-311 (1948 [0002]

Claims

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, 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, und wobei - die thermomagnetischen Bauelemente von der mindestens einen Spule örtlich getrennt angeordnet sind, und wobei - die mindestens eine Spule als Spulenkern mindestens einen Teilbereich des Verbindungselement aus magnetflussleitendem Material aufweist, und 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, wobei die magnetischen Nordpole der mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material mit einem der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material verbunden sind und deren magnetischen Südpole mit dem anderen Verbindungselement der zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die thermomagnetischen Bauelemente und die Bauelemente aus hartmagnetischem Material mit den mindestens zwei Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material magnetisch verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die thermomagnetischen Bauelemente mindestens ein magnetokalorisches Material enthalten, dass vorteilhafterweise La-Fe-Si, Fe₂P und/oder eine oder mehrere Heuslerlegierungen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Magnetkreisläufe bestehend aus den thermomagnetischen Bauelementen, den mindestens zwei Bauelemente aus hartmagnetischem Material und mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material spiegelsymmetrisch gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das thermomagnetische Material eine Änderung der Magnetisierung M > 50% bei einer Temperaturänderung bis 20 Kelvin aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die thermomagnetischen Bauelemente in Form von Pulver, Röhren, Platten, Netzen, Gittern, Bändern, Drähten und/oder Stäben vorliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Bauelement aus hartmagnetischem Material ein Permanentmagnet, insbesondere ein Permanentmagnet aus Nd-Fe-B, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material ringförmig geschlossen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material aus weichmagnetischem Material, insbesondere aus Fe-Si und/oder amorphen Fe-basierten Legierungen, sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material mindestens im Bereich der mindestens einen Spule eine oder mehrere kristallographische Texturen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die thermomagnetischen Bauelemente jeweils mindestens eine Wärmezuführeinrichtung und jeweils mindestens eine Wärmeabführeinrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Wärmezuführeinrichtung und/oder die Wärmeabführeinrichtung Regelungseinrichtungen und/oder Steuerungseinrichtungen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mehrere thermomagnetische Generatoren in Reihe als Kaskade geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die ersten und zweiten thermomagnetischen Bauelemente eines thermomagnetischen Generators einer Kaskade jeweils unterschiedliche Curie-Temperaturen gegenüber den weiteren ersten und zweiten thermomagnetischen Bauelementen der weiteren thermomagnetischen Generatoren der Kaskade aufweisen.
Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mittels Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem ein erstes thermomagnetisches Bauelement erwärmt und gleichzeitig ein zweites thermomagnetisches Bauelement abgekühlt wird, wodurch die Magnetisierung in den thermomagnetischen Bauelementen verändert wird und gleichzeitig in einem ersten Magnetkreislauf durch die hartmagnetischen Bauelemente ein gerichteter magnetischer Fluss realisiert wird und in der mindestens einen Spule durch die magnetische Flussänderung in den mindestens zwei Verbindungselementen aus magnetflussleitendem Material elektrische Energie induziert wird, und anschließend das erste thermomagnetische Bauelement abgekühlt und gleichzeitig das zweite thermomagnetische Bauelement erwärmt wird, wodurch die Magnetisierung in den thermomagnetischen Bauelementen verändert wird und gleichzeitig in einem zweiten Magnetkreislauf durch die hartmagnetischen Bauelemente ein entgegen gerichteter magnetischer Fluss realisiert wird und in derselben mindestens einen Spule durch die Änderung der Richtung des magnetische Fluss über die mindestens zwei Verbindungselemente aus magnetflussleitendem Material elektrische Energie induziert wird.