Thermomagnetischer Generator

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen thermomagnetischen Generator, der Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt ohne zwischenzeitliche Umwandlung in mechanische Arbeit.

Die in thermomagnetischen Generatoren eingesetzten Materialien basieren auf dem magnetokalorischen Effekt (MCE). In einem Material, das einen magnetokalorischen Effekt zeigt, führt die Ausrichtung von zufällig orientierten magnetischen Momenten durch ein externes Magnetfeld zu einem Erwärmen des 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.

Die magnetokalorische Erzeugung von elektrischer Energie ist verbunden mit der magnetischen Heizung und Kühlung. In den Zeiten der ersten Konzipierung wurde das Verfahren zur Energieerzeugung als pyromagnetische Energieerzeugung beschrieben. Verglichen mit Vorrichtungen der Peltier- oder Seebeck-Typs können diese magnetokalorischen Vorrichtungen eine wesentlich höhere Energieeffizienz aufweisen.

Die Forschung zu diesem physikalischen Phänomen begann im späten 19. Jahrhundert, als zwei Wissenschaftler, Tesla und Edison, pyromagnetische Generatoren zum Patent anmeldeten. Im Jahr 1984 beschrieb Kirol zahlreiche mögliche Anwendungen und führte thermodynamische Analysen davon durch. Damals wurde Gadolinium als ein potentielles Material für Anwendungen nahe Raumtemperatur angesehen.

Ein pyromagneto-elektrischer Generator ist beispielsweise von N. Tesla in US 428,057 beschrieben. Es ist angegeben, dass die magnetischen Eigenschaften von Eisen oder anderen magnetischen Substanzen teilweise oder ganz zerstört werden können oder verschwinden können durch Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur. Beim Abkühlen werden die magnetischen Eigenschaften wiederhergestellt und kehren in den Ausgangszustand zurück. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um elektrischen Strom zu erzeugen. Wird ein elektrischer Leiter einem variierenden Magnetfeld ausgesetzt, führen die Veränderungen des Magnetfelds zur Induzierung eines elektrischen Stroms im Leiter. Wird beispielsweise das magnetische Material von einer Spule umschlossen

und sodann in einem permanenten Magnetfeld erhitzt und nachfolgend abgekühlt, so wird jeweils beim Aufwärmen und Abkühlen ein elektrischer Strom in der Spule induziert. Hierdurch kann Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt werden, ohne dass zwischenzeitlich eine Umwandlung in mechanischer Arbeit erfolgt. In dem von Tesla beschriebenen Verfahren wird Eisen als magnetische Substanz über einen Ofen oder eine geschlossene Feuerstelle erhitzt und nachfolgend wieder abgekühlt.

T. A. Edison beschreibt in US 476,983 ebenfalls einen pyromagnetischen Generator, in dem wiederum Eisen als thermomagnetisches Material eingesetzt wird. Das Eisen wird in Form von Röhren mit kleinem Durchmesser eingesetzt, die zu Röhrbündeln zusam- mengefasst sind. Jedes Rohr ist dabei so dünn wie möglich ausgearbeitet, so dass es schnell erhitzt und abgekühlt werden kann. Das Eisen wird gegen die Oxidation durch eine Nickelplattierung oder Emaillierung geschützt. Die Rohrbündel sind auf einer kreisförmigen Scheibe angeordnet und werden nacheinander erhitzt bzw. abgekühlt, während an ihnen ein Magnetfeld anliegt. Das Erhitzen wird wiederum durch eine Feuerung erreicht, wobei die für die Feuerung erforderliche Frischluft durch die Rohre geführt werden kann, die abgekühlt werden sollen.

L. D. Kirol und J. I. Mills beschreiben theoretische Berechnungen zu thermomagneti- sehen Generatoren. Dabei wird von Magnetfeldern ausgegangen, die durch einen supraleitenden Magneten erreicht werden. Als Materialien werden Eisen, Gadolinium und Ho ₆₉ Fei ₃ betrachtet neben einem hypothetischen Material. Die betrachteten Materialien haben entweder seh r n ied rige Cu rie-Temperaturen oder sehr hohe Curie- Temperaturen, während kein Material für die gewünschte Arbeit bei Umgebungstempe- ratur beschrieben ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines thermoelektrischen Generators, der Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt ohne zwischenzeitliche Umwandlung in mechanische Arbeit, der bei Temperaturen in der Nähe von Raum- temperatur mit hohen Energieausbeuten arbeitet. Damit soll es möglich sein, bei und um Raumtemperatur herum einen magnetokalorischen Effekt für die Erzeugung von Strom aus Abwärme ausnutzen zu können.

So soll es möglich werden, aus Abwasser bzw. der Abwärme aus industriellen Prozes- sen oder aus Solarenergie oder Sonnenkollektoren Strom zu gewinnen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen thermoelektrischen Generator, der Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt ohne zwischenzeitliche Umwandlung in mechanische Arbeit, der bei Temperaturen im Bereich von -20 ⁰ C bis 200 ⁰ C arbeitet und ein thermomagnetisches Material enthält, das ausgewählt ist aus (1 ) Verbindungen der allgemeinen Formel (I)

(A _y B _y-1 ) _2+δ C _W D _χ E _Z (I) mit der Bedeutung

A Mn oder Co,

B Fe, Cr oder Ni,

C, D, E mindestens zwei von C, D, E sind voneinander verschieden, haben eine nicht-verschwindende Konzentration und sind ausgewählt aus P, B, Se, Ge, Ga, Si, Sn, N, As und Sb, wobei mindestens eines von C,

D und E Ge oder Si ist,

δ Zahl im Bereich von - 0,1 bis 0,1

w, x, y, z Zahlen im Bereich von 0 bis 1 , wobei w + x + z = 1 ist;

(2) auf La und Fe basierenden Verbindungen der allgemeinen Formeln (II) und/oder (III) und/oder (IV)

La(Fe _x AI _1-x ) ₁₃ H _y oder La(Fe _x Sii _-x )i ₃ H _y (II)

mit

x Zahl von 0,7 bis 0,95

y Zahl von 0 bis 3, vorzugsweise 0 bis 2;

La(Fe _x AIyCO _z ) ₁₃ oder La(Fe _x Si _y Co _z ) ₁₃ (III)

mit

x Zahl von 0,7 bis 0,95 y Zahl von 0,05 bis 1 - x

z Zahl von 0,005 bis 0,5;

LaMn _x Fe _2-x Ge (IV)

mit x Zahl von 1 ,7 bis 1 ,95 und

(3) Heusler-Legierungen des Typs MnTP mt T übergangsmetall und P einem p- dotierenden Metall mit einem electron count pro Atom e/a im Bereich von 7 bis 8,5.

(4) auf Gd und Si basierenden Verbindungen der allgemeinen Formel (V)

Gd ₅ (Si _x GeLx) ₄ (V)

mit x Zahl von 0,2 bis 1 ,

(5) Fe ₂ P-basierten Verbindungen,

(6) Manganiten des Perovskit-Typs,

(7) Seltenerden-Elemente enthaltenden Verbindungen der allgemeinen Formeln (VI) und (VII)

Tb ₅ (Si _4-X Ge _x ) (VI)

mit x = 0, 1 , 2, 3, 4

XTiGe (VII)

mit X = Dy, Ho, Tm,

(8) auf Mn und Sb oder As basierenden Verbindungen der allgemeinen Formeln (VIII) und (IX)

Mn _2-x Z _x Sb (VIII)

Mn ₂ Z _x Sb _1- , (IX)

mit

Z Cr, Cu, Zn, Co, V, As, Ge,

x 0,01 bis 0,5,

wobei Sb durch As ersetzt sein kann, sofern Z nicht As ist.

Es wurde erfindungsgemäß gefunden, dass die vorstehenden thermomagnetischen Materialien vorteilhaft in thermomagnetischen Generatoren eingesetzt werden können, um die Umwandlung von (Ab)wärme in elektrischen Strom im Umfeld der Raumtemperatur, das heißt bei Temperaturen im Bereich von -20 bis 200 ⁰ C, zu ermöglichen. Die Energieumwandlung erfolgt dabei bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 150 ⁰ C, insbesondere bei Temperaturen im Bereich von 40 bis 120 ⁰ C.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Materialien sind prinzipiell bekannt und zum Teil beispielsweise in WO 2004/068512 beschrieben.

Dabei ist das metallbasierte Material ausgewählt aus den vorstehenden Materialien (1 ) bis (8).

Besonders bevorzugt sind erfindungsgemäß die metallbasierten Materialien ausge- wählt aus den Verbindungen (1 ), (2) und (3) sowie (5).

Erfindungsgemäß besonders geeignete Materialien sind beispielsweise in WO 2004/068512, Rare Metals, Vol. 25, 2006, Seiten 544 bis 549, J. Appl. Phys. 99,08Q107 (2006), Nature, Vol. 415, 10. Januar 2002, Seiten 150 bis 152 und Physica B 327 (2003), Seiten 431 bis 437 beschrieben.

In den vorstehend genannten Verbindungen der allgemeinen Formel (I) sind bevorzugt C, D und E identisch oder unterschiedlich und ausgewählt aus mindestens einem von P, Ge, Si, Sn und Ga.

Das metallbasierte Material der allgemeinen Formel (I) ist vorzugsweise ausgewählt aus mindestens quarternären Verbindungen, die neben Mn, Fe, P und gegebenenfalls Sb zudem Ge oder Si oder As oder Ge und Si, Ge und As oder Si und As oder Ge, Si und As enthalten.

Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% der Komponente A Mn. Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% von B Fe. Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% von C P. Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% von D Ge. Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% von E Si.

Vorzugsweise hat das Material die allgemeine Formel MnFe(P _w Ge _x Si _z ). Bevorzugt ist x eine Zahl im Bereich von 0,3 bis 0,7, w ist kleiner oder gleich 1-x und z entspricht 1-x-w.

Das Material hat vorzugsweise die kristalline hexagonale Fe ₂ P-StOi ktur. Beispiele geeigneter Strukturen sind MnFeP ₀ ,45 bιs o,7, Ge _o ,55 bis 0,30 und MnFeP ₀ ,5 bis 0,70, (Si/Ge) ₀ ,5 bis

0,30-

Geeignete Verbindungen sind ferner M _n n- _x Fe ₁ . _x P ₁ .yGey mit x im Bereich von -0,3 bis 0,5, y im Bereich von 0,1 bis 0,6. Ebenfalls geeignet sind Verbindungen der allgemeinen Formel Mni ₊ χFei.χPi. _y Ge _y - _z Sb _z mit x im Bereich von -0,3 bis 0,5, y im Bereich von 0,1 bis 0,6 und z kleiner als y und kleiner als 0,2. Ferner sind Verbindungen der Formel Mnn-xFe ₁ . _x P ₁ - _y Ge _y . _z Si _z geeignet mit x Zahl im Bereich von 0,3 bis 0,5, y im Bereich von 0,1 bis 0,66, z kleiner oder gleich y und kleiner als 0,6.

Geeignet sind ferner weitere Fe ₂ P-basierte Verbindungen ausgehend von Fe ₂ P und FeAs ₂ , gegebenenfalls Mn und P. Sie entsprechen beispielsweise den allgemeinen Formeln MnFei. _x Co _x Ge, mit x = 0,7 - 0,9, Mn ₅ ^Fe _x Si ₃ mit x = 0 - 5, Mn ₅ Ge ₃ .χSiχ mit x = 0,1 - 2, Mn ₅ Ge ₃ - _X Sb _x mit x = 0 - 0,3, Mn ₂ . _x Fe _x Ge ₂ mit x = 0,1 - 0,2, (Fei _-x Mn _x ) ₃ C mit x = ... - ..., Mn ₃ .χCo _x GaC mit x = 0 - 0,05.

Bevorzugte auf La und Fe basierende Verbindungen der allgemeinen Formeln (I I) und/oder (III) und/oder (IV) sind La(Fe _o , _9O Si _o ,i _O )i ₃ , La(Fe ₀₁ SgSiO ₁ Ii)Is, La(Fe _Oi8 8 _O Si _Oi i _2O )is, La(Fe _θi877 Si _o, i ₂₃ )i ₃ , L a F eii _, βSii _,2 , La(Fe _o,88 Si _o, i ₂ )i ₃ H _o,5 , La(Fe _o,88 Si _o, i ₂ )i ₃ Hi _,o , LaFeii _,7 Sii _,3 Hi _, i , L a F en,57Sii, ₄₃ Hi, ₃ , La(Fe _o ,88Si _o ,i ₂ )Hi, ₅ , LaFen, ₂ Co _o , ₇ Sii,i , LaFeii, ₅ Ali, ₅ C _o ,i , LaFeii, ₅ Ali, ₅ C _o , ₂ , LaFeii,5Ali, ₅ Co,4, LaFeii,5Ali, ₅ Cθo,5,

La(Fe _o ,94Co _o , ₀ 6)ii,83Ali,i _7! La(Fe _o , ₉₂ Co _o , ₀ 8)n,83Ali,i ₇ .

Geeignete Mangan enthaltende Verbindungen sind MnFeGe, MnFe _{0 9} Co _{0 I} Ge, MnFe _o,8 Co _o,2 Ge, Mn Fe _o,7 Co _o,3 Ge, Mn Fe _o,6 Co _o,4 Ge, Mn Fe _o,5 Co _o,5 Ge, MnFe _o,4 Co _o,6 Ge, MnFe _o,3 Co _o,7 Ge, MnFe _o,2 Co _o,8 Ge, MnFe _o, i ₅ Co _o,85 Ge, MnFe _o, iCo _o,9 Ge, MnCoGe, Mn ₅ Ge _2,5 Si _o,5 , Mn ₅ Ge ₂ Si, Mn ₅ Gei, ₅ Sii, ₅ , Mn ₅ GeSi ₂ , Mn ₅ Ge ₃ , Mn ₅ Ge ₂ , ₉ Sb _o ,i, Mn ₅ Ge _2,8 Sb _o,2 , Mn ₅ Ge _2,7 Sb _o , ₃ , LaMni, ₉ Fe ₀ ,iGe, LaMni, ₈₅ Fe _o ,i ₅ Ge, LaMni, ₈ Fe _o , ₂ Ge, (Fe _o,9 Mn _o, i) ₃ C, (Fe _o,8 Mn _o,2 ) ₃ C , ( F e _o,7 Mn _o,3 ) ₃ C, Mn ₃ GaC, MnAs, (Mn, Fe)As, Mni _+δ As _o,8 Sb _o,2 , MnAs _o,75 Sb _o,25 , Mni _, iAs _o,75 Sb _o,25 , Mni _,5 As _o,75 Sb _o,25 .

Erfindungsgemäß geeignete Heusler-Legierungen sind beispielsweise Ni ₂ MnGa, Fe ₂ MnSii. _x Ge _x mit x = 0 - 1 wie Fe ₂ MnSi _o , ₅ Ge _o , ₅ , Ni ₅₂ , ₉ Mn ₂₂ , ₄ Ga ₂₄ , ₇ , Ni ₅₀ , ₉ Mn ₂₄ , ₇ Ga ₂₄ ,4, Ni ₅₅ , ₂ Mni8, ₆ Ga ₂ 6, ₂ , Ni ₅ i, ₆ Mn ₂₄ , ₇ Ga ₂₃ , ₈ , Ni ₅₂ , ₇ Mn ₂₃ , ₉ Ga ₂₃ , ₄ , CoMnSb, CoNb _o , ₂ Mn _o , ₈ Sb, CoNb _o,4 Mn _o,6 S B , C o N b _o,6 Mn _o,4 Sb, Ni ₅₀ Mn ₃₅ Sn _I5 , Ni ₅₀ Mn ₃₇ Sn _I3 , MnFeP _o,45 As _o,55 , MnFeP _o,47 As _o,53 , Mni _, iFe _o,9 P _o , ₄₇ As _o , ₅₃ , MnFeP _o , ₈₉ - _χ Si _χ Ge _o ,ii, χ = 0,22, χ = 0,26, χ = 0,30, χ = 0,33.

Weiterhin geeignet sind Fe ₉₀ Zr _I0 , Fe ₈₂ Mn ₈ Zr _I0 , Co ₆₆ Nb ₉ CUiSi _I2 Bi ₂ , Pd ₄₀ Ni _22,5 Fei _7,5 P ₂₀ , FeMoSiBCuNb, Gd ₇₀ Fe ₃₀ , GdNiAI, NdFe _i2 B ₆ GdMn ₂ .

Manganite des Perovskit-Typs sind beispielsweise Lao _,6 Ca _0, 4Mn0 ₃ , Lao _,67 Ca _0,33 Mn0 ₃ , Lao _,8 Cao _, 2Mnθ ₃ , Lao _,7 Cao _,3 Mnθ ₃ , Lao _,958 Lio _, o2 ₅ Tio _, i Mn _0,9 θ ₃ , Lao _,65 Cao _,35 Tio _, i Mn _0,9 θ ₃ ,

Lao,799Nao,199Mnθ2,97, L3θ,88Nao,099Mn ₀ ,977θ3, Lao,877Ko,096Mn ₀ ,974θ3, La ₀ ,65Sro,35Mno,95Cno,o5θ ₃ , La _o , ₇ Nd _o ,i Na _o , ₂ Mn0 ₃ , La ₀₁₅ Ca ₀₁ SSr ₀₁₂ MnO ₃ .

Auf Gd und Si basierende Verbindungen der allgemeinen Formel (V)

Gd ₅ (Si _x GeI-X) ₄ mit x Zahl von 0,2 bis 1

s i n d be i s p i e l swe i s e G d ₅ (Si ₀₁₅ Ge ₀₁ S) ₄ , Gd ₅ (Si _0i 42 ₅ Ge _0i575 )4, Gd ₅ (Si _0i 4 ₅ Ge _0i55 ) ₄ , Gd ₅ (Si _0i3 6 ₅ Ge _0i 6 ₃₅ )4, Gd ₅ (Si _0i3 Ge _0i7 ) ₄ , Gd ₅ (Si _0i25 Ge _0i75 ) ₄ .

Seltenerden-Elemente enthaltende Verbindungen sind Tb ₅ (Si _4-X Ge _x ) mit x = 0, 1 , 2, 3, 4 oder XTiGe mit X = Dy, Ho, Tm, beispielsweise Tb ₅ Si ₄ , Tb ₅ (Si ₃ Ge), Tb(Si ₂ Ge ₂ ), Tb ₅ Ge ₄ , DyTiGe, HoTiGe, TmTiGe.

Auf Mn und Sb oder As basierende Verbindungen der allgemeinen Formeln (VIII) und (IX) haben bevorzugt die Bedeutungen z = 0,05 bis 0,3, Z = Cr, Cn, Ge, As, Co.

Die erfindungsgemäß eingesetzten thermomagnetischen Materialien können in beliebiger geeigneter Weise hergestellt werden.

Die Herstellung der thermomagnetischen Materialien erfolgt beispielsweise durch Festphasenumsetzung der Ausgangselemente oder Ausgangslegierungen für das Material in einer Kugelmühle, nachfolgendes Verpressen, Sintern und Tempern unter I- nertgasatmosphäre und nachfolgendes langsames Abkühlen auf Raumtemperatur. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in J. Appl. Phys. 99, 2006, 08Q107 beschrieben.

Auch eine Verarbeitung über das Schmelzspinnen ist möglich. Hierdurch ist eine homogenere Elementverteilung möglich, die zu einem verbesserten magnetokalorischen Effekt führt, vergleiche Rare Metals, Vol. 25, Oktober 2006, Seiten 544 bis 549. In dem dort beschriebenen Verfahren werden zunächst die Ausgangselemente in einer Argon- gas-atmosphäre induktionsgeschmolzen und sodann in geschmolzenem Zustand über eine Düse auf eine sich drehende Kupferwalze gesprüht. Es folgt ein Sintern bei 1000 ⁰ C und ein langsames Abkühlen auf Raumtemperatur.

Ferner kann für die Herstellung auf WO 2004/068512 verwiesen werden.

Die nach diesen Verfahren erhaltenen Materialien zeigen häufig eine große thermische Hysterese. Beispielsweise werden in Verbindungen des Fe ₂ P-Typs, die mit Germanium oder Silicium substituiert sind, große Werte für die thermische Hysterese in einem großen Bereich von 10 K oder mehr beobachtet.

Bevorzugt ist daher ein Verfahren zur Herstellung von thermomagnetischen Materialien für die magnetische Kühlung, umfassend die folgenden Schritte:

a) Umsetzung von chemischen Elementen und/oder Legierungen in einer Stöchio- metrie, die dem metallbasierten Material entspricht, in der Fest- und/oder Flüssigphase,

b) gegebenenfalls überführen des Umsetzungsproduktes aus Stufe a) in einen Festkörper,

c) Sintern und/oder Tempern des Festkörpers aus Stufe a) oder b),

d) Abschrecken des gesinterten und/oder getemperten Festkörpers aus Stufe c) mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100 K/s.

Die thermische Hysterese kann signifikant vermindert werden und ein großer magneto- kalrischer Effekt kann erreicht werden, wenn die metallbasierten Materialien nach dem Sintern und/oder Tempern nicht langsam auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden, sondern mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckt werden. Dabei be- trägt die Abkühlgeschwindigkeit mindestens 100 K/s. Bevorzugt beträgt die Abkühlgeschwindigkeit 100 bis 10000 K/s, besonders bevorzugt 200 bis 1300 K/s. Speziell bevorzugt sind Abkühlgeschwindigkeiten von 300 bis 1000 K/s.

Das Abschrecken kann dabei durch beliebige geeignete Kühlverfahren erreicht wer- den, beispielsweise durch Abschrecken des Festkörpers mit Wasser oder wasserhaltigen Flüssigkeiten, beispielsweise gekühltem Wasser oder Eis/Wasser-Mischungen. Die Festkörper können beispielsweise in eisgekühltes Wasser fallengelassen werden. Es ist ferner möglich, die Festkörper mit untergekühlten Gasen wie flüssigem Stickstoff abzuschrecken. Weitere Verfahren zum Abschrecken sind dem Fachmann bekannt. Vorteilhaft ist dabei ein kontrolliertes und schnelles Abkühlen.

Die übrige Herstellung der thermomagnetischen Materialien ist weniger kritisch, solange im letzten Schritt das Abschrecken des gesinterten und/oder getemperten Festkörpers mit der erfindungsgemäßen Abkühlgeschwindigkeit erfolgt. Das Verfahren kann dabei auf die Herstellung beliebiger geeigneter thermomagnetischer Materialien für die magnetische Kühlung angewendet werden, wie sie vorstehend beschreiben sind.

In Schritt (a) des Verfahrens erfolgt die Umsetzung der Elemente und/oder Legierungen, die im späteren thermomagnetischen Material enthalten sind, in einer Stöchio- metrie, die dem thermomagnetischen Material entspricht, in der Fest- oder Flüssigphase.

Vorzugsweise wird die Umsetzung in Stufe a) durch gemeinsames Erhitzen der Elemente und/oder Legierungen in einem geschlossenen Behältnis oder in einem Extruder, oder durch Festphasenumsetzung in einer Kugelmühle erfolgen. Besonders bevorzugt wird eine Festphasenumsetzung durchgeführt, die insbesondere in einer Ku- gelmühle erfolgt. Eine derartige Umsetzung ist prinzipiell bekannt, vergleiche die vorstehend aufgeführten Schriften. Dabei werden typischerweise Pulver der einzelnen Elemente oder Pulver von Legierungen aus zwei oder mehr der einzelnen Elemente, die im späteren thermomagnetischen Material vorliegen, in geeigneten Gewichtsanteilen pulverförmig vermischt. Falls notwendig, kann zusätzlich ein Mahlen des Gemi- sches erfolgen, um ein mikrokristallines Pulvergemisch zu erhalten. Dieses Pulvergemisch wird vorzugsweise in einer Kugelmühle aufgeheizt, was zu einer weiteren Verkleinerung wie auch guten Durchmischung und zu einer Festphasenreaktion im Pulvergemisch führt. Alternativ werden die einzelnen Elemente in der gewählten Stöchio- metrie als Pulver vermischt und anschließend aufgeschmolzen.

Das gemeinsame Erhitzen in einem geschlossenen Behälter erlaubt die Fixierung flüchtiger Elemente und die Kontrolle der Stöchiometrie. Gerade bei Mitverwendung von Phosphor würde dieser in einem offenen System leicht verdampfen.

An die Umsetzung schließt sich ein Sintern und/oder Tempern des Festkörpers an, wobei ein oder mehrere Zwischenschritte vorgesehen sein können. Beispielsweise kann der in Stufe a) erhaltene Feststoff verpresst werden, bevor er gesintert und/oder getempert wird. Hierdurch wird die Dichte des Materials erhöht, so dass bei der späteren Anwendung eine hohe Dichte des thermomagnetischen Materials vorliegt. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da das Volumen, in dem das magnetische Feld herrscht, vermindert werden kann, was mit erheblichen Kosteneinsparungen verbunden sein kann. Das Verpressen ist an sich bekannt und kann mit oder ohne Presshilfsmittel durchgeführt werden. Dabei kann jede beliebige geeignete Form zum Pressen verwendet werden. Durch das Verpressen ist es bereits möglich, Formkörper in der gewünschten dreidimensionalen Struktur zu erzeugen. An das Verpressen kann sich das Sintern und/oder Tempern der Stufe c) gefolgt vom Abschrecken der Stufe d) anschließen.

Alternativ ist es möglich, den aus der Kugelmühle erhaltenen Feststoff einem Schmelzspinnverfahren zuzuführen. Schmelzspinnverfahren sind an sich bekannt und

beispielsweise in Rare Metals, Vol. 25, Oktober 2006, Seiten 544 bis 549 wie auch in WO 2004/068512 beschrieben.

Dabei wird die in Stufe a) erhaltene Zusammensetzung geschmolzen und auf eine sich drehende kalte Metallwalze gesprüht. Dieses Sprühen kann mittels überdruck vor der Sprühdüse oder Unterdruck hinter der Sprühdüse erreicht werden. Typischerweise wird eine sich drehende Kupfertrommel oder -walze verwendet, die zudem gegebenenfalls gekühlt werden kann. Die Kupfertrommel dreht sich bevorzugt mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 10 bis 40 m/s, insbesondere 20 bis 30 m/s. Auf der Kupfertrommel wird die flüssige Zusammensetzung mit einer Geschwindigkeit von vorzugsweise 10 ² bis 10 ⁷ K/s abgekühlt, besonders bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 10 ⁴ K/s, insbesondere mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 2 x 10 ⁶ K/s.

Das Schmelzspinnen kann wie auch die Umsetzung in Stufe a) unter vermindertem Druck oder unter Inertgasatmosphäre durchgeführt werden.

Durch das Meltspinning wird eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erreicht, da das nachfolgende Sintern und Tempern verkürzt werden kann. Gerade im technischen Maßstab wird so die Herstellung der thermomagnetischen Materialien wesentlich wirt- schaftlicher. Auch die Sprühtrocknung führt zu einer hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit. Besonders bevorzugt wird das Schmelzespinnen (MeIt spinning) durchgeführt.

Alternativ kann in Stufe b) ein Sprühkühlen durchgeführt werden, bei dem eine Schmelze der Zusammensetzung aus Stufe a) in einen Sprühturm gesprüht wird. Der Sprüh- türm kann dabei beispielsweise zusätzlich gekühlt werden. In Sprühtürmen werden häufig Abkühlgeschwindigkeiten im Bereich von 10 ³ bis 10 ⁵ K/s, insbesondere etwa 10 ⁴ K/s erreicht.

Das Sintern und/oder Tempern des Festkörpers erfolgt in Stufe c) vorzugsweise zu- nächst bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1400 ⁰ C zum Sintern und nachfolgend bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 750 ⁰ C zum Tempern. Diese Werte gelten insbesondere für Formkörper, während für Pulver niedrigere Sinter- und Tempertemperaturen angewendet werden können. Beispielsweise kann dann das Sintern bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 800 ⁰ C erfolgen. Für Formkör- per/Festkörper erfolgt das Sintern besonders bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1300 ⁰ C, insbesondere von 1100 bis 1300 ⁰ C. Das Tempern kann dann beispielsweise bei 600 bis 700 ⁰ C erfolgen.

Das Sintern wird vorzugsweise für einen Zeitraum von 1 bis 50 Stunden, besonders bevorzugt 2 bis 20 Stunden, insbesondere 5 bis 15 Stunden durchgeführt. Das Tempern wird vorzugsweise für eine Zeit im Bereich von 10 bis 100 Stunden, besonders

bevorzugt 10 bis 60 Stunden, insbesondere 30 bis 50 Stunden durchgeführt. Die exakten Zeiträume können dabei je nach Material den praktischen Anforderungen ange- passt werden.

Bei Einsatz des Schmelzspinnverfahrens kann der Zeitraum für ein Sintern oder Tempern stark verkürzt werden, beispielsweise auf Zeiträume von 5 Minuten bis 5 Stunden, bevorzugt 10 Minuten bis 1 Stunde. Im Vergleich zu den sonst üblichen Werten von 10 Stunden für das Sintern und 50 Stunden für das Tempern resultiert ein extremer Zeitvorteil.

Durch das Sintern/Tempern kommt es zu einem Anschmelzen der Korngrenzen, so dass sich das Material weiter verdichtet.

Durch das Schmelzen und schnelle Abkühlen in Stufe b) kann damit die Zeitdauer für Stufe c) erheblich vermindert werden. Dies ermöglicht auch eine kontinuierliche Herstellung der thermomagnetischen Materialien.

Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist die Verfahrenssequenz

a) Festphasenumsetzung von chemischen Elementen und/oder Legierungen in einer Stöchiometrie, die dem thermomagnetischen Material entspricht, in einer Kugelmühle,

b) Schmelzspinnen des in Stufe a) erhaltenen Materials,

c) Tempern des Festkörpers aus Stufe b) für einen Zeitraum von 10 Sekunden oder 1 Minute bis 5 Stunden, bevorzugt 30 Minuten bis 2 Stunden, bei einer Temperatur im Bereich von 430 bis 1200 ⁰ C, bevorzugt 800 bis 1000 ⁰ C.

d) Abschrecken des getemperten Festkörpers aus Stufe c) mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 200 bis 1300 K/s.

Alternativ kann in Stufe c) ein Mahlen der erhaltenen Bänder zu einem kleinteiligen Werkstoff, z. B. Pulver, und Verpressen des Werkstoffs in einem Formkörper oder Ver- arbeitung durch andere Formgebungsverfahren erfolgen.

Das thermomagnetische Material kann in beliebiger geeigneter Form im thermomagnetischen Generator vorliegen. Bevorzugt ist eine Form, die ein einfaches und schnelles Erhitzen und Abkühlen erlaubt. Bevorzugt liegt das thermomagnetische Material in Form von Röhren, Platten, Netzen, Gittern oder Stäben vor. Röhren können beispielsweise in Form von Rohrbündeln angeordnet sein und Platten können in einer Abfolge

parallel liegender Platten vorliegen. Gleiches gilt für Netze oder Gitter. Bevorzugt ist das thermomagnetische Material so angeordnet, dass ein guter Wärmeübergang möglich ist bei einem möglichst geringen Druckverlust. Formkörper wie Monolithe oder Wabenkörper können beispielsweise durch ein Heißextrusionsverfahren hergestellt wer- den. Es können beispielsweise Zelldichten von 400 bis 1600 CPI oder mehr vorliegen. Auch durch Walzverfahren erhältliche dünne Bleche sind erfindungsgemäß einsetzbar. Vorteilhaft sind nicht-poröse Formkörper aus geformtem dünnem Material. Auch Metallspritzgußverfahren (MIM) können erfindungsgemäß durchgeführt werden zur Formgebung.

Die Wärmeübergangsrate limitiert die Zyklusgeschwindigkeit und hat damit einen großen Einfluss auf die Leistungsdichte. Hohe Wärmeübertragungskoeffizienten werden beispielsweise für gewebte Drahtnetze oder Siebe erhalten. Die Optimierung der Geometrie des thermomagnetischen Generators kann wie von L. D. Kirol und J. I. NiIIs in Proc. Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, San Francisco, CA, USA, 1984, Vol. 3,1361 beschrieben erfolgen.

Typischerweise wird das thermomagnetische Material mit einem Fluid als Wärmeübertragungsmedium kontaktiert. Hierbei kann es sich um Gase oder Flüssigkeiten han- dein, insbesondere um Luft oder Wasser. Die konkrete Ausgestaltung der dreidimensionalen Struktur ist dabei dem Fachmann bekannt.

Um das thermomagnetische Material ist eine Spule aus einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet. In dieser Spule wird durch Veränderung des Magnetfeldes bzw. der Magnetisierung ein Strom induziert, der zur Verrichtung von elektrischer Arbeit verwendet werden kann. Vorzugsweise werden die Spulengeometrie und die Geometrie des thermomagnetischen Materials so gewählt, dass eine möglichst hohe Energieausbeute bei einem möglichst geringen Druckverlust resultiert. Die Spulenwindungsdichte (Windungen/Länge), die Spulenlänge, der Ladungswiderstand und die Tempera- turveränderung des thermomagnetischen Materials sind wichtige Einflussgrößen für die Energieausbeute.

Um den magnetokalorischen Effekt in einem weiten Temperaturbereich ausnutzen zu können, ist es bevorzugt, eine Serie von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5, insbesondere mindestens 10 unterschiedlichen metallbasierten Materialien im thermo- magnetischen Generator anzuordnen, deren magnetokalorischer Effekt bei unterschiedlichen Temperaturen auftritt, so dass die Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie eine vergrößerte Temperaturspanne ausnutzen kann. Die thermomagnetischen Materialien können dabei gemäß ihrer Curie-Temperatur angeordnet sein und in einer Reihe mechanisch miteinander verbunden sein. Hierdurch ist es mög- lieh, eine breitere Temperaturspanne abzudecken, da der Effekt über die Temperatur integriert wird.

Das thermomagnetische Material befindet sich in einem äußeren Magnetfeld. Dieses Magnetfeld kann durch Permanentmagnete oder Elektromagnete erzeugt werden. Elektromagnete können herkömmliche Elektromagnete oder supraleitende Magnete sein.

Vorzugsweise ist der thermomagnetische Generator so ausgelegt, dass die Wärmeenergie aus der Geothermie oder aus der Abwärme industrieller Prozesse oder aus Solarenergie oder Sonnenkollektoren, z. B. in der Photovoltaik, umgewandelt werden kann. Gerade in Regionen mit geothermischer Aktivität erlaubt der erfindungsgemäße thermomagnetische Generator eine einfache Stromerzeugung unter Ausnutzung der Erdwärme. In industriellen Prozessen fällt häufig Prozesswärme oder Abwärme an, die üblicherweise in die Umgebung abgeleitet und nicht weiter genutzt wird. Auch Abwässer weisen häufig eine höhere Temperatur beim Austritt als beim Eintritt auf. Gleiches gilt für Kühlwasser. Damit erlaubt der thermomagnetische Generator die Gewinnung von elektrischer Energie aus Abwärme, die ansonsten verloren geht. Dadurch, dass der thermomagnetische Generator im Bereich der Raumtemperatur betrieben werden kann, ist es möglich, diese Abwärmen zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln. Die Energieumwandlung erfolgt dabei vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 150 ⁰ C, besonders bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 40 bis 120 ⁰ C.

In (konzentrierten) Photovoltaikanlagen werden häufig hohe Temperaturen erreicht, so dass gekühlt werden muss. Diese abzuführende Wärme kann erfindungsgemäß in Strom umgewandelt werden.

Zur Stromerzeugung wird das thermomagnetische Material abwechselnd mit einem warmen Reservoir und einem kalten Reservoir kontaktiert und damit einem Aufwärmund Abkühlungszyklus unterworfen. Die Zykluszeit wird dabei nach den jeweiligen technischen Voraussetzungen gewählt.

Die nachfolgenden Beispiele beschreiben die Herstellung für die erfindungsgemäße Anwendung geeigneter thermomagnetischer Materialien.

Beispiele

Beispiel 1

Evakuierte Quarzampullen, die gepresste Proben von MnFePGe enthielten, wurden für

10 Stunden bei 1100 ⁰ C gehalten, um das Pulver zu sintern. Auf dieses Sintern folgte ein Tempern bei 650 ⁰ C für 60 Stunden, um eine Homogenisierung herbeizuführen.

Anstelle eines langsamen Abkühlens im Ofen auf Raumtemperatur wurden die Proben

jedoch sofort in Wasser bei Raumtemperatur gequencht. Das Quenchen in Wasser verursachte einen gewissen Grad von Oxidation an den Probenoberflächen. Die äußere oxidierte Schale wurde durch ätzen mit verdünnter Säure entfernt. Die XRD-Muster zeigen, dass alle Proben in einer Struktur des Fβ ₂ P-Typs kristallisieren. Folgende Zusammensetzungen wurden dabei erhalten:

Mn _1:1 Feo,9Po,8iGeo,i9; M und

Mn _{1 2} Feo,8Po,8iGeo,i9- Die beobachteten Werte für die thermische Hysterese sind für diese Proben in der angegebenen Reihenfolge 7 K, 5 K, 2 K und 3 K. Gegenüber einer langsam abgekühlten Probe war die eine thermische Hysterese von mehr als 10 K aufweist, konnte die thermische Hysterese stark vermindert werden.

Die thermische Hysterese wurde dabei in einem Magnetfeld von 0,5 Tesla bestimmt.

Figur 1 zeigt die isotherme Magnetisierung von Mn ₁ , iFeo,gBo,78Geo,22 in der Nähe der Curie-Temperatur mit wachsendem Magnetfeld. Ein Feld-induziertes übergangsverhalten, das zu einer großen MCE führt, wird für Magnetfelder von bis zu 5 Tesla beobachtet.

Die Curie-Temperatur kann durch Variation des Mn/Fe-Verhältnisses und der GeKonzentration eingestellt werden, ebenso der Wert für die thermische Hysterese.

Die änderung der magnetischen Entropie, berechnet aus der Gleichstrommagnetisierung unter Verwendung der Maxwell-Beziehung beträgt für eine maximale Feldände- rung von 0 bis 2 Tesla für die ersten drei Proben 14 J/kgK, 20 J/kgK bzw. 12,7 J/kgK.

Die Curie-Temperatur und die thermische Hysterese nehmen mit zunehmendem Mn/Fe-Verhältnis ab. Im Ergebnis zeigen die MnFePGe-Verbindungen relativ große MCE-Werte in niedrigem Feld. Die thermische Hysterese dieser Materialien ist sehr klein.

Beispiel 2

Schmelzspinnen von MnFeP(GeSb)

Die polykristallinen MnFeP(Ge, Sb)-Legierungen wurden zunächst in einer Kugelmühle mit hohem Energie-Eintrag und durch Festphasenreaktionsverfahren hergestellt, wie sie in WO 2004/068512 und J. Appl. Phys. 99,08 Q107 (2006) beschrieben sind. Die Materialstücke wurden sodann in ein Quarzrohr mit einer Düse gegeben. Die Kammer wurde auf ein Vakuum von 10 ^"2 mbar evakuiert und anschließend mit Argongas hoher Reinheit gefüllt. Die Proben wurden durch Hochfrequenz geschmolzen und durch die

Düse versprüht aufgrund einer Druckdifferenz zu einer Kammer mit einer rotierenden Kupfertrommel. Die Oberflächengeschwindigkeit des Kupferrades konnte eingestellt werden, und Abkühlgeschwindigkeiten von etwa 10 ⁵ K/s wurden erreicht. Anschließend wurden die gesponnenen Bänder bei 900 ⁰ C für eine Stunde getempert.

Aus der Röntgendiffraktometrie geht hervor, dass alle Proben im hexagonalen Fe ₂ P- Strukturmuster kristallisieren. Im Unterschied zu nicht nach dem Schmelzspinnverfahren hergestellten Proben, wurde keine kleinere Verunreinigungsphase von MnO beobachtet.

Die erhaltenen Werte für die Curie-Temperatur, die Hysterese und die Entropie wurden für unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten beim Schmelzspinnen bestimmt. Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen 1 und 2 aufgeführt. Jeweils wurden geringe Hysterese-Temperaturen bestimmt.

Tabelle 1:

Tabelle 2