DE1551312A1

DE1551312A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Kaelte,insbesondere bei sehr tiefen Temperaturen

Info

Publication number: DE1551312A1
Application number: DE1967N0030078
Authority: DE
Inventors: Van Geuns Johannes Rudolphus
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1966-03-03
Filing date: 1967-02-28
Publication date: 1970-03-19
Also published as: DE1551312B2; FR1516393A; NL6602744A; GB1170507A; AT274024B; SE319198B; NO121279B; CH471356A; US3413814A; BE694870A

Description

DipL-Iag. H. ZOEKBE Patentanwalt

JW/TH

N. V. PHILIPS' GLOEILAMPENFÄBRIEKEN, EINDHOVEN / HOLLAND '

'■ "Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte, insbesondere bei sehr tiefen Tern, eraturen".

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Kälte, insbesondere bei sehr tiefen Temperaturen, wobei wenigstens ein Präparat eines Stoffes, der bei Änderung eines äuseeren Parameters eine Entropie^änderung erfährt, abwecheelndtn

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en des betreffenden Parameters ausgesetzt wird, wobei wenigstens während der Änderung des betreffenden Parameters unter nahezu Konstanthaltung der Temperatur, Kälte bzw. Wärme aus jedem der Präparate abgeführt wird. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zum Durchführen des erwähnten Verfahrens.

Bei einem bekannten Verfahren und

einer bekannten Vorrichtung der Art, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird ein Präparat eines paramagnetischen Stoffes abwechselnd magnetisiert und entmagnetisiert. Die Entropie eines paramagnetischen Stoffes in einem Magnetfeld mit einer gewissen Feldstärke ist niedriger als die in einem Kagnetfeld mit der Feldstärke gleich Null. Das heisst, dass zum Konstantbleiben der Temperatur, dem Präparat beim Mag- . netieieren Wärme abgeführt, beim Entmagnetisieren Wärme zugeführt werden muss.

Ausser paramagnetischen Stoffen sind

auch noch andere Stoffe bekannt, bei denen ein kalorischer Effekt derselben Art auftritt, z.B. bei der Magnetisierung eines Supraleiters und bei der elektrischen Entladung eines paraelektrischen Stoffes.

Die erwähnten kalorischen Effekte werden umso besser, je niedriger die Temperatur ist. ^;

Bei der bekannten Vorrichtung wird

das Präparat in flüssiges Helium getaucht, wobei das Präparat zur Ableitung und Zufuhr von Wärme durch Materialstreifen mit einer wärmeliefernden (zu kühlenden) und einer wärmeaufnehmenden (gekühlten) Stelle vei—

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bunden ist. Die Streifen sind dabei aus einen. Material hergestellt, das bei den herrschenden Temperaturen supraleitenfl ist, 'wobei diese Streifen durch Magnetisierung im gewünschten Augenblick aus einem supraleitenden Zustand gebracht werden. Dadurch werden gleichsam Wä'nneventile erhalten, wodurch ein Wännestrom der. zu kühlenden Stelle entnommen und über das Präparat zur gekühlten Stelle weitergeleitet werden kann.

Die Erfindung bezweckt, eine andere Ausführungsform des oben geschilderten Verfahrens zu schaffen. - -...,.

Das erfindungsgemässe Verfahren weist

das Merkmal auf, daf-s ein oder mehrere Präparate des erwähnten Stoffes derart in einen, gegenüber diesen Präparaten abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung fliessenden Liediumstrom gebracht werden, αβε3 jedes der Präparate in wärmeaustauschender Berührung mit dem Medium steht, und dass als Medium ein Medium gewählt wird, das unter den herrschenden Bedingungen eine gegenüber dem betreffenden Stoff hohe spezifische Wärme besitzt, wobei cei jedem Präparat die Änderung des betreffenden Parameters im·wesentlichen nahezu zum Zeitrunkt α er Richtungsumkehr des Kediumstrcma erfolgt, wobei der Ke d i urne t rom bei Jedem der Präparate nach dem Durchgang in der einen Richtung, wobei dem Präparat Wanne entnommen wird, in Wärmeaustausch mit einer gekühlten Stelle» und nach dem Durchgang in der anderen i wobei dem Präparat Wärme abgegeben wird, in 0098 ta/0436 BAD ORIGINAL

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WänneauBtausch mit einer zu kühlenden Stelle gebracht wird, und sich der Mediumstroin gegenüber jedem der Präparate über eine derartige Entfernung in beide Richtungen bewegt, dass das Medium, das sich in einem gewissen Augenblick an der gekühlten Stelle befindet, niemals die zu kühlende Stelle erreicht.

Beim erfindungsgemässen Verfahren wird ein Teil des Mediumstroms die Temperatur der gekühlten Stelle aufweisen. Diese Stelle kann z.B. mit flüssigem Helium, flüssigem Wasserstoff oder mit irgendeinem kühlmaschinentyr· gekühlt werden.

Ein anderer Teil des Mediumstroma wird , die niedrigere Temperatur der zu kühlenden Stelle aufweisen. Dazwischen befindet sich ein Gaestromteil, der als Regenerator wirksam ist, und über dem ein Temperaturgradient steht, d.h. in diesem Teil dee Gasstromes wird Wärme gespeichert, wenn das Präparat τοη der Temperatur der gekühlten Stelle auf die Temperatur der zu kühlenden Stelle gebracht wird, andererseits wird, wenn das Medium in der anderen Richtung flieset, aus diesem Teil des Kediumstroms Wärme an das Präparat abgegeben. Dadurch, dass ein Medium mit einer gegenüber der des . Präparate grossen Wärmekapazität gewählt wird, wird eich die Temperatur in dem als Regenerator wirksamen Teil des Kediumstroms nur sehr wenig-ändern. Helium unter einem Druck von ca. 2Ό atm. bewährt sich ausgezeichnet.

Auf diese Weise ist ein Verfahren erhalfen worden, mit dem einfach 12nd mit einem guten Wir-

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kungsgrad in einem Dauervorgang Kälte bei niedrigen Temperaturen erzeugt werden kann. Sine weitere günstige Äusführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens weist das Merkmal auf, dass bei jedem der Präparate die dem Präparat zugewandte Seite der gekühlten bzw. zu kühlenden Stelle in einem Abstand von diesem Präparat liegt, der mindestens gleich der Länge desjenigen Teils des luediumstroms ist, über dem ein Temperaturgradient steht, wodurch dieser Teil des Mediumstroms, der bei Strömung in der einen Richtung dem Präparat regenerativ Wärme entnimmt, und bei Strömung in der anderen Richtung regenerativ .värme an das Präparat abgibt, niemals die gekühlte bzw. zu kühlende Stelle erreicht.

Eine weitere günstige Ausführungsform

ist dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlte Stelle bis auf eine Temperatur unter 3O⁰K gekühlt wird.

Nach einer weiteren günstigen Aus-

führungrsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Druck des Kediums ständig höher gehalten als der kritische Druck. Dies verhindert etwaigen Phasenübergang zwischen dem gasförmigen und dem flüssigen Zustand; bekanntlich erfolgt dieser übergang'bei überkritischem Druck gleichsam in einem Dauervorgang. Insbesondere wenn ■ Helium verwendet wird, ist es nach einer weiteren Äusführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens vorteil-" haf.t, die -Betriebsverhältnisse, besonders deji Druck, so zu wählen, dass beim Betrieb kein Phasenübergang, in diesem Falle in den festen Zustand, auftritt.

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Bei einer weiteren günstigen Aueführungsform, bei der Temperaturen niedriger ale 2,5⁰K auftreten, wird als Medium das Isotop He^ gewählt. Normales Helium ist wegen seines Ä-Uberganges bei diesen niedrigen Temperaturen nicht mehr verwendbar.

Es sei bemerkt, dass das erfindungsgemässe Verfahren nicht nur mit einem überkritischen Medium durchführbar ist. Es besteht ausserdem die Möglichkeit als Medium eine Flüssigkeit zu wählen, sofern die Temperaturen so sind, dass diese Flüssigkeit in der flüssigen Phase bleibt.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf

eine Vorrichtung zum Durchführen des oben.beschriebenen Verfahrens, die wenigstens ein Präparat eines Stoffes enthält, der bei Änderung eines äusseren Parameters eine Entropieänderung erfährt, wie auch auf eine oder mehrere Vorrichtungen zum Erzeugen bzw. Ändern des betreffenden Parameters, wobei weiter Mittel vorhanden sind, um Wärme bzw. Kälte aus jedem der Präparate abzuführen. Diese Vorrichtung wird nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie einen oder mehrere Kanäle enthält, die ein Medium enthalten, dass sich unter dem Einfluss von, mit einem Getriebe gekuppelten kolbenförmigen Körpern, hin- und herbewegen kann, wobei in jedem der-Kanäle eine oder mehrere gekühlte Stellen vorhanden sind, die je mit einer oder mehreren zu kühlenden Stellen zusammenarbeiten, und zwischen jeder gekühlten und der mit ihr zusammenarbeitenden zu kühlenden Stelle ein oder mehrere der erwähnten Präparate so angeordnet sind, dass sie in gutem Wärme-

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austausch mit dem Medium stehen, und wobei das Medium unter den im Betrieb herrschenden Bedingungen eine, gegenüber dem Stoff, aus dem die Präparate hergestellt sind, hohe spezifische Wärme besitzt, wobei die kolbenförmigen Körper das Medium gegenüber Jedem der Präparate über eine derartige Entfernung in beide Richtungen bewegen, dass das Medium, das sich in einem gewissen Augenblick an der gekühlten Stelle befindet, niemals die zu kühlende Stelle erreicht.

Die Vorrichtung zum Erzeugen, bzw. Ändern des erwähnten Parameters kann z.B. in einem Elektromagneten, dessen Feld variiert wird, bestehen. Es ist ebenfalls möglich einen Magneten mit einem konstanten Magnetfeld zu wählen und das dazugehörende Präparat und den Magneten derart gegeneinander zu bewegen, dass die Magnetisierung des Präparats auf die gewünschte üeise variiert.

Sine weitere Ausführungsform der erfindungsgemassen Vorrichtung v/eist dis lierkmal auf, dass im Betrieb derjenige Teil des Mediumstroms, der Wärme zur gekühlten Stelle ableitet, eine höhere Temperatur hat als derjenige Teil des L-ediumstroms, der Kälte zu der zu kühlenden Stelle leitet, wobei der Teil des Mediumstroms zwischen beiden erwähnten Teilen ein kontinuierliches Temperaturgefälle zwischen den beiden er-. wähnten Temperaturen besitzt, und dieser Teil bei Strömungen zur"gekühlten Stelle hin dem Präparat regenerativ

Wärme entnimmt, und bei Strömungen in der anderen Richtung

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dem Präparat diese Wärmemenge wieder zuführt.

Eine weitere Ausführungsform der er-

findungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich bei federn Präparat diejenige Seite des Präparats, die einem, mit diesem Präparat zusammenarbeitenden benachbarten Präparat, oder einer mit diesem Präparat zusammenarbeitenden gekühlten oder zu kühlenden Stelle zugewandt ist, in einem Abstand von diesem Präparat, bzw. dieser gekühlten Stelle, bzw. zu kühlenden Stelle befindet, der mindestens so Arose wie der im Betrieb als Regenerator wirksame Teil der Kediumeäule ist. Bei dieser Vorrichtung besteht eomit keine Gefahr, dass der als Regenerator v/irksame Teil des Mediumstrome die gekühlte Stelle oder die zu kühlende Stelle erreicht.

Nach einer weiteren Aueführungsform

ist jedes der Präparate als eine gasdurchlässige Masse ausgebildet, deren Querschnitt dem des Kanals, in dem sie sich befindet, entspricht.

Nach einer weiteren Ausführungsform

haben die d is Medium bewegenden kolbenförmigen Körper das gleiche Hubvolumen, wobei sich diese Körper wenigstens nahezu phasengleich bewegen, so dass das Gesamtvolumen zwischen diesen Körpern wenigstens nahezu konstant ist.. Dadurch bleibt, da die Temperatur des Mediums infolge seiner hohen Wärmekapazität sich nur .venig ändert, auch der Druck des Mediums nahezu konstant. Zwei sich phasengleich bewegende Kolben umfassen auch einen Verdränger, dessen eine Seite das eine Ende der

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Mediumsäule und dessen andere Seite das andere Ende der Mediumsäule begrenzen.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist der Baum zwischen jedem der Präparate und'einem mit ihm zusammenarbeitenden benachbarten Präparat bzw. einer gekühlten Stelle,, bzw. zu kühlenden Stelle, mit einer gasdurchlässigen -Masse» gegebenenfalls mit gleicher Struktur wie die des betreffenden Präparats, gefüllt.

Diese Massen dienen daau, den in das

Präparat hinein und aus ihm herausfliessenden Mediumstrom zu stabilisieren.

Wach einer weiteren günstigen Aus-

führunfsform ist der Druck in der Vorrichtung immer höher als der kritische Druck des Mediums. Dadurch kann kein Phasenübergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand des Mediums auftreten.

Anstelle eines Kadiums unter seinem

überkritischen Druck kann au eh- als Medium eine Flüssigkeit verwendet werden, die dann so gewählt wird, dass unter den Betriebsverhältnissen kein Phasenübergang erfolgt.

Bei einer weiteren günstigen Ausführung,

wobei im- Betrieb Temperaturen kleiner als 2,5⁰K auftreten, ist das Medium das Isotop He . ·

■Eine weitere günstige Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung weist das Merkmal auf, dass die Vorrichtung einen, in einem Zylinder bewegbaren

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dopreitwirkenden kolbenförmigen Körper enthält, wobei an jedem Ende des Zylinders sich ein Kanal anschlieset der jeweils, vom Zylinder aus gerechnet, eine gekühlte· Stelle, eine oder mehrere Präparate, und eine zu kühlende Stelle, enthält wobei beide Kanäle auf der Seite der zu kühlenden Stelle miteinander in offener Verbindung stehen und die Änderung des betreffenden Parameters bei den Präparaten im einen Kanal sich mit der Änderung dieses Parameters bei den Präparaten im anderen Kanal in Gegenphase befindet.

Auf diese Weise wird eine günstige

Bauart erhalten, bei der kein kalter Kolben vorhanden ist, was vom Gesichtspunkt der Wärmeleckage besondere günstig ist. ■

Bei dieser Vorrichtung kann jedes Paar übereinstimmender Präparate aus den oeiden Kanälen mit einem Magneten mit rotierenden Polen zusammenarbeiten, wobei der Magnet derart angeordnet ist, dass sich abwechselnd erst das eine und dann das andere Präparat zwischen diesen Polen befindet.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist jedes der Präparate aus einem paramagnetischen Stoff, und- die Vorrichtung _/. enthält einen oder mehrere Magnete, mit "denen ein konstantes Magnetfeld erzeugt werden kann, und wobei die Vorrichtung weiter Kittel enthält, um jedes der Präparate und den dazugehörenden Magneten unter sich zu verstellen, so dass jedes der Präparate abwechselnd in das Magnetfeld hinein- oder aus ihm herausschiebbar ist.

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Nach einer weiteren Ausführungsf orm

ist eine Vorrichtung vorhanden, die das Magnetfeld bei jedem Präparat so ändert, dass die grösste Änderung der Magnetisierung des Präparats nahezu in dem Augenblick erfolgt, in dem die Mediumbewegung ihre Richtung ändert.

Nacr. einer weiteren günstigen Ausführungsform ändert eine Regelvorrichtung bei jedem Präparat das luugnetfeld derart, dass während der Bewegung des

H Mediums zur gekühlten Stelle hin der Ausdruck ' des betreffenden Präparats durchschnittlich konstant bleibt, wobei H die magnetische Feldstärke, T die mittlere absolute [temperatur des Präparats und d die paramagnetische Curie-TeiBt-eratur des Stoffes des Präparats sind.

Dadurch bleibt die Magnetisierung des

Präparats während der Abkühlung im Regenerator konstant. Dies verhindert unerwünschte magnetokalorische Effekte. Am Ende des Hubes des Mediums wird das remanente Kagnetfeld abgestellt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 und 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen von UiI te, wo-? bei ein Kediuß unter dem Sinfluss von zwei sich phasengleich bewagenden Kolben durch ein Präparat aus einem paramagnetischen Stoff hin- und hergeführt wird,

Fig. 3 eine schematische Darstellung

einer Vorrichtung zum Ereeugen von Kälte, die zum hin- und

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herbewegen des Mediums mit einem doppeltwirkenden Kolben versehen ist,

Pig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte, die einen doppeltwirkenden Kolben zum hin- und herbewegen einer Mediumsäüle enthält, und bei der das Präparat aus einem paramagnetischen Stoff in ein Magnetfeld hinein und heraus bewegt werden -kann,

Pig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte, die mehrere, in Reihe angeordnete Präparate aus einem paramagnetiechen Stoff enthält,

Fig. 6 und 7 eine schematische Dar* stellung bzw. eine Ansicht im Querschnitt einer Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte, die einen, in einem Zylinder bewegbaren doppeltwirkenden Kolben enthält, wobei an jedem Ende des Zylinders ei on ein Kanal an schliesst, in dem sich ein Kühler, ein Präparat aus einem paramagnetischen Stoff und ein Gefrierer befindet, wobei die Kanäle auf der Gefriererseite miteinander verbunden sind und wobei die beiden Präparate mit Hilfe eines Magneten mit rotierenden Polen in Gegenphaee magnetisiert oder entmagnetisiert werden.

In Fig. 1 ist mit Ziffer 1 ein Zylinder bezeichnet. In diesem Zylinder liegen zwei Kolben 2 und 3, die über die Kolbenstangen 4 und 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden sind, das die beiden Leiben ,.hssengleieh bewegen kann.

Il: Zylinder befindet sich weiter ein

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Präparat 6 aus einem parainagnetischen Stoff. Dieses Präparat ist gasdurchlässig. Auf beiden Seiten des Präparats 6 sind Stabilisatoren 7 und δ angeordnet. Das sind gasdurchlässige Massen mit gegebenenfalls derselben Struktur wie die des Präparats 6. Weiter ist ein Kühler 9 und ein Gefrierer 10 vorhanden. Um das Präparat 6 ist ein Elektromagnet 11, mit einem variablen Feld angeordnet. Im Zylinder 1 befindet sich zwischen den Kolben 2 und 3 eine Mediumsäule. Dieses Medium ist dabei so gewählt worden, dass es bei den im Betrieb herrsehende'n Bedingungen gegenüber dem Material des Präparats 6 eine hohe spezifische Wärme hat.

Die 'ti.irkungsweise dieser Vorrichtung

beruht auf dem .rinzip, dass bei einem yaramagnetischen .--.-■-""--"" ·■*

Stoff eine Änderung der Magnetisierung dieses Stoffes eine- Entropi©änderung bewirkt wird, und zwar so, dass der Stoff beim Magnetisieren wärmer und beim Entmagnetisieren -älter wird« «Venn nun die erzeugte Wärme zu einem Kühler hin, und die erzeugte Halte zu einem Gefrierer hin befördert werden kann, dann hat man eine Kühlmaschine erhalten« Der wärme- und Kältetruns;:ort erfolgt bei der Vorrichtung nach Pig. 1 durch das sich hin- und herbewegende Medium.

In der in Pig. 1 dargestellten Situation befinden sich die'Kolben in ihrer äussersten rechten stellung. Be-r Kühler 9 hat eine gewisse Temperatur, die '" mit .Ulfe eines nicht dargestellten zusätzlichen ICühlöystems-,. z.B. einer Gaskältemaschine, erhalten wird. Der

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Gefrierer wird abhängig von der !'gelieferten Kühlleistung des Präparats und der zugeführten Wärme eine Temperatur

i
annehmen, die niedriger ist als äie des Kühlers.

Das unter der Vorrichtung skizzierte

Diagramm zeigt den Tempernturverlauf in der· Vorrichtung. Von I bis II herrscht die Temperatur des Kühlers 9. Von III bis IV herrscht die Temperatur des Gefrierers

Der Teil II - III der Kediumsäule

ist -ils Regenerator wirksam. Darin verläuft die Temperatur von Kuhlertemperatur bis Gefrierertemper^tur.

Wenn sich die Kolben nach links zu bewegen anfangen, wird djs Präparat 6 mit Hilfe des Magneten 11 magnetisiert. Dabei erwärmt sich das Präparat. Diese Wärme wird gleich awjfdas lledium übertragen. Dies ist im Diagramm mit den gestrichelten Linien V angedeutet. Wenn sich die Kediumsäule. nacl. links bewegt, gelangt die Wärmenenge V in den I'.ühler 9, wo sie abgeführt wird.

Fig. 2 zeigt die Situation, in der

sich die Kolben in ihrer äussersten linken Ctellung befinden. Die Wärmemenge V ist durch den Kühler abgeführt. Die in. Präparat 6 und Stabilisator (teilweise) vorhandene wärme ist nun in dem als Regenerator wirksamen ' Teil II-III der ilediumsäule aufges eichert.

Die Temperatur dieses Regeneratorteils wird dabei wenig variieren, da das Medium, wie gesagt, eine grosse Wärmekapazität hat.

Das Präparat hat nun die Gefrierertemperatur* ' 0 0 9 812/0496

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Bewegt sich nun der Kolben nach rechts, eo wird das Präparat mit Hilfe des Magneten 11 entmagnetisiert und "das Präparat wird, wie mit gestrichelten Linien VI angegeben, kälter.

. Die Kältemenge VI gelangt bei der Rechtsbewegung der Kolben in den Gefrierer 10, wo diese Kälte dazu dienen kann, einen Gegenstand auf niedriger Temperatur äüu halten. Bei dieser Bewegung wird der Teil I-I-III der I<*ediumsäule dem Präparat wieder öärme abgeben, so dass die^ wieder auf die .^ühlertem eri-.tur gelangt.

Da sich die Kolben 2 und 3 phasengleich^bewegen, ändert sich das Volumen der Kediunsäule nicht. Durch die grosse Wännekapazitälr des Mediums wird die Temperatur nahezu konstant sein. Infolgedessen wird auch der Iiediuradruck einen nahezu konstanten >vert haben.

Jie stabilisatoren 7. und c haben

dafür zu sorgen, dass das Medium ruhig in das Präparat 6 hinein und aus demselben herausfliesst, ausserdem müssen sie dafür sorgen, dass der zwischen II und III liegende Teil der Kediumsaule beim Hin- und Herfliessen nicht in den Gefrierer oder den Kühler ge— langt.

Da-ε zeitweise Speichern einer Wärmemenge, die gegenüber der Kühlleistung der Verrichtung gross ist, mittels des als Hegeneratcr wirksamen Teils der MediuEsäule bildet ein wesentliches Teil des beschrieDenen Zyklus. Die Laoarität dieses Zvkl'i= c^;n°

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diesen Regenerator wäre äusserst gering. Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, dat-s es eine grosse Übereinstimmung mit den bereits bekannten Regeneratoren gibt, die dazu dienen, einer; periodischen Gasstrom anzuheizen bzw. abzukühlen. DaB überraschende dabei ist» dass im vorliegenden Pail bei sehr tiefen Temperaturen sowohl ein Gas wie auch eine Flüssigkeit verwendbar ist, um ein aus festem Stoff bestehendes Präparat von einer höheren Temperatur auf eine niedrigere Temperatür zu bringen und dieses danach wieder auf die ursprüngliche Temperatur anzuheizen. Die durch den festen Stoff abgegebene Wärme wird zeitweise im Gas bssw. in der Flüssigkeit aufgespeichert. Zur Abkühlung des Präparats bedarf es dann nur einer Kältequelle um die Regenerationsverluste, die ebenso wie bei dem "normalen" Regenerator infolge nicht.einwandfreier Wärmeübertragung auftreten, auszugleichen.

Die Möglichkeit, Gas oder Flüssigkeit zu diesem Zweck zu verwenden, beruht auf ihren hohen Wärmekapazitäten gegenüber denen vieler Feststoffe bei ■ tiefen Temperaturen.

Bei dem obenbeschriebenen Zyklus ist <Jer Einfachheit halber vorausgesetzt, dass die Variation des Magnetfeldes von minimal bis maximal (Fig. 1) und von maximal bis minimal (Fig. 2) in beiden Fallen nahezu in dem Augenblick, in dem die Bewegung der Kolben ihre Richtung ändert, erfolgt. Dies ist gerade vor der Situation der Fig. 1; dabei wird das Magnetfeld auf einmal maximal gemacht,

ÜÜ98l2/Ö43b 3eiE übergang von der Situation der

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Pig. 1 auf die der Pig. 2 wird das Magnetfeld jedoch

ti

bereits derart variiert, dass der Ausdruck ^¹* - das Präparat durchschnittlich konstant bleibt. Dadurch bleibt die Magnetisierung des Präparats konstant und unerwünschte magnetokalorisehe Effekte werden im ?.egenerator vermieden.

Das remanente Magnetfeld wird beim Erreichen der Situation der Fig. 2 abgestellt.

. Bei dieser Vorrichtung besteht das

Medium aus einem Gas, das unter einem Druck steht der höher ist als sein überkritischer Druck. Gase besitzen die Eigenschaft, dass sie bei sehr tiefer Temperatur und hohem Druck eine grosse spezifische Wärme pro Volumeneinheit haben. Dabei müssen die letriebsbedingungen derart sein, dass kein Phasenübergang in den festen Zustand erfolgt.

Statt eines Gases ist gegebenenfalls

als Kecüum auch eine Flüssigkeit verwendbar, die Bedingungen müssen dann so gewählt werden, dass im Betrieb kein Phasenübergang dieser Flüssigkeit erfolgt.

Mit der Vorrichtung nach Fig. 1 und

2 kann auf einfache Weise unter Benutzung des magnetokalorischen Sfiektes in einem Dauervorgang Kälte erzeugt v/erden.

Anstelle eines Präparates aus einem

paramagnetischen Stoff ist auch ein Präparat aus einem paraelektrischen oder supraleitenden Stoff verwendbar, das abwechselnd elektrisiert bzw, magnetisiert wird.

O 0 9 8 1 2/0 U 9 6 ^Fis* ³ zeigt eine Vorrichtung zum

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Erzeugen von Kälte, die in grossen Zügen der der Fig, 1 und 2 entspricht.

Die Torrichtung enthält einen Zylinder 31, in dem sich ein gasdurchlässiges Präparat 36 aus einem paramagnetischen Stoff befindet. Dieses Präparat ist auf beiden Seiten durch einen Stabilisator 37 bzw.

38 begrenzt. Der Zylinder 31 schliesst über einen Kühler

39 und einen Gefrierer 40 an einem Zylinder 43 an, in dem ein Verdränger 44 bewegbar ist.

Ein Magnet 41 sorgt für die erforderliche Änderung des Magnetfeldes.

Die Wirkungsweise dieser Vori'ichtung entspricht der der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte, die ebenso wie die Vorrichtung nach Fig. 3 mit einem in einem Zylinder 43 bewegbaren Verdränger 44 zum hin- und herbewegen der Mediumsäule versehen ist. Die Vorrichtung enthält weiter einen Zylinder 31, in dem ein Gefrierer

40 und ein i.'ühler 39 fest angeordnet sind. Zv/ischen

dem Gefrierer und dem.Kühler befindet sich ein gasdurchlässiges paramagnetisches Präparat 36. Dieses Präparat· 36 liegt zwischen zwei, mit Kanälen 45 versehenen Massen. Das Präparat 36 und die beiden Massen 46 sind starr miteinander verbunden, wobei dieses Gebilde an einer, mit einem nicht dargestellten Getriebe verbundenen Kolbenstange 47 befestigt ist. In den Kanälen 45 sind Rohre 43 verschiebbar, dLia Qrv oLcm WühLe-r 39 bzw. dem Gefrierer

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.·'■;■ PHH. 1425

40 anschliessen. Die Rohre 48 bilden zusammen mit den ' Kanälen 45 die Stabilisatoren. '

lim den Zylinder 31 herum liegt ein Magnet 41, dessen Feld nicht verändert wird.

Dieser Magnet ist am einen Ende

einer Büchse 42 aus einem gut wärmeleitenden Material, z.B. Kupfer, montiert, deren anderes Ende wärmeleitend mit dem Gefrierer 40 verbunden' ist. Dadurch wird der Magnet bis auf ungefähr dieselbe Temperatur wie die des Gefrierers gekühlt. Der Kühler 3) wird z.B. mit Hilft einer Gaskältemaschine bis ungefähr 10⁰K gekühlt. Bei dieser raihltemperatur hat^Gefrierer eine Temperatur von ca. 3⁰K,

Die Magnetspule ist aus Niobium-Zinn

hergestellt, das bei dieser Temperatur supraleitend ist, so dass ein sehr starkes Magnetfeld erhalten werden kann.

Die Änderung der Ka^netisierung des

Präparats 36 wird nun dadurch erhalten, dass das Präparat mittels einer Stange 47 verschoben wird, wodurch es mehr oder weniger in das Llagnetfeld {relangt.

An der Büchse 42 ist noch ein Zylinder

50 aus Niobium-iZinn angeordnet. Am Ende der Bewegung des Präparate 36 nach unten befindet sich dieses gerade im Zylinder 5C.

Der Zylinder 5C ist, bevor das Magnetfeld eingeschaltet wurdej in den supraleitenden Zustand gebracht worden, so dass innerhalb dieser Büchse l:ein Magnetfeld herrscht. Die Llagnetisierung des Prärarats wird dann also gleich Null. Ü098 YlI 049 6

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Die Wirkungsweise der Vorrichtung eniK spricht weiter im Prinzip wieder der der Vorrichtungen nach den vorstehenden Figuren.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte, die mehrere in Reihe angeordnete paramagnetische Präparate 51, 52 und 53 enthält, die alle mit einem ihnen zuge-

ordneten Magneten 54, 55 bzw. 56 mit einem variablen Feld zusammenarbeiten.

Jedes der Präparate wird auf beiden Seiten durch einen Stabilisator 57, 56, 59 und 60 flankiert. Der Zylinder 61, in den die Präparate und die Stabilisatoren aufgenommen sind, schließet an der einen Eieite über einen Kühler 62 und an der anderen Seite über einen Gefrierer 63 an den beiden Enden eines Zylinders 64 an, in dem ein Verdränger 65 bewegbar ist.

Die Magneten 54, 55 und 56 werden

gleichzeitig erregt bzw. die Erregung wird weggenommen, wenn der .Verdränger 65 seine Richtung ändert.

Die bei der Magnetisierung in den Prär. ar at en entwickelte Wärme wird durch das sich bewegende Medium von Präparat 53 zum Präparat 52 und vom Präparat ♦ 52 zum Präparat 51 und vom Präparat 51 zum Kühler 62 hin abgeleitet. Die Wärme des Präparats 53 gelangt in d-is Präparat 52 und wird durch ein Teil der bei der Entmagnetisierung entwickelten Kälte rückgängig gemacht.

Die Wärme des Präparats 52 wird bei

aer "3nta gnetisierung in d.ts Präparat 51 aufgenommen.

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Auf diese Weise wird eine Kältevorrichtung erhalten, bei der jedes der nacheinander liegenden Präparate bei einer niedrigeren Temperatur wirksam ist, so dass schliesslich das Präparat 53 bei sehr niedriger Temperatur Kälte erzeugt.

In den Figuren 6 und 7 ist noch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte schematisch dargestellt, bei der ein in einem Zylinder 74 bewegbarer Verdränger 75 eine Kediumsäule in zwei/ am Zj^linder 74 anschliessenden Kanälen 76 und 77 bewegt, wobei in jedem Kanal je ein Kühler Jb, ein erster Stabilisator 79, ein Präparat bü, ein zweiter Stabilisator 61 und ein Gefrierer ü2 vorhanden sind. -¹In der Gefriererseite stehen die Kanäle 76 und 77 miteinander in Verbindung.

Bei dieser Vorrichtung bewegt sich •ils-o die I-Iediumsäule im Kanal 76 während der einen Hälfte eines Zyklus vom fühler 78 zum Gefrierer 82, während sie sich im anderen Kanal vom Gefrierer zum Kühler hin bewegt. Das bedeutet, dass die Änderungen der Kagnetisierung der Präparate 80 in beiden Kanälen r/iteinander in Ge^enphase sein müssen, da die Llediumströmun-|^;-en in den beidßn Kanälen untereinander in Gegenphase sind. Dies wäre natürlich mit drei gesonderten Magneten durchführbar.

In üen figuren ist dies jedoch unter

Benutzung eines Ifogneten mit rotierbaren Polen H4 und durchgeführt. In der einen Hälfte des Zyklus umschliessen diese öle das Präparat im Kanal 77, und in der anderen

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Hälfte das Präparat im Kanal 76. Auf diese Weise erhalt man eine äusserst einfache Vorrichtung zur Änderung des Magnetfeldes.

Ein grosser Vorteil der in diesen Figuren dargestellten Vorrichtung ist, dass die beiden Seiten äes Verdrängers die Kühlertemperatur fühlen, so dass Leckageverluste des Verdrängers keine Kälteverluste ergeben. Es wird selbstverständlich auch wenig Leitunesverlust auftreten. Ein Vorteil dieser Vorrichtung ist zudem, dass das Magnetfeld sehr gut ausgenutzt wird.

Es dürfte aus dein vorstehenden ersichtlich sein, dass die Erfindung eine gute Vorrichtung aum Erzeugen von Kälte in einem Dauervorgang unter Benutzung eines magnetokalorischen Effektes schafft.

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Claims

: · ": :. PHN. 1425 -23- ^; ■

PATENTANSPRüECHEi .

" , 1, Verfahren zum Erzeugen von Kälte,

insbesondere bei sehr tiefen Temperaturen, wobei wenig-

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stens ein Präparat eines Stoffes, der bei Änderung eines äüeseren Parameters eine Entropieänderung erfährt, abwechselnden Änderungendes betreffenden Parameters ausgesetzt wird, wobei wenigstens während der Änderung des betreffend en Parameters unter nahe-zu Konstanthaltung der temperatur Kälte bzw. Wärme aus jedem der Präparate abgeführt wirdf dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Präparate des erwähnten Stoffes, in einen gegenüber jedem der Präparate abwechselnd in der einen und · in der ihr entgegengesetzten Sichtung flies senden lie-

diumstrom gebracht werden, derart, dass jedes der Präparate in wärmeaustauschender Berührung mit dem Medium steht, und das als luedium ein Medium gewählt wird, das unter den herrschenden Bedingungen eine, gegenüber dem betreffenden L^vtoff hohe sresifisehe Wärme besitzt, wobei bei jedem Präparat die-Änderung des betreffenden ■.., ■ Parameters im wesentlichen nahezu zum Zeitpunkt der Richtungumkehr'des Mediumstroms erfolgt, wobei der LIediumstrom bei jedem der Präparate nach dem Durchgang in-der einen Richtung, wobei dem Präparat Wärme ent-

_o nommen wird, in Wärmeaustausch mit einer gekühlten Stelle

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<o und nach dem Durchgang in der anderen Richtung, wobei

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—^k dem Fräparat Wärme abgegeben wird, in Wärmeaustausch

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>- mit einer zu kühlenden Stelle gebr^ cht wird, und der ςρ Mediumstrom sich gegenüber jeden der Präparate über . eine derartige Entfernung in beiden Richtungen bewegt,

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dass das Medium, das sich in einem gewissen Augenblick an der gekühlten Stelle befindet, niemals die zu kühlende Stelle erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium über eine derartige Entfernung in beide Richtungen bewegt wird, dase derjenige Teil des Ivlediumstroms, der Wärme zur gekühlten Stelle hin ableitet, eine höhere Temperatur hat als derjenige Teil des Mediumstromes, der Kälte zu der zu kühlenden Stelle hin ableitet, und dass der Teil des Mediumstroms zwischen beiden erwähnten Teilen ein kontinuierliches Temperaturgefälle zwischen den beiden erwähnten Temperaturen besitzt, und dieser Teil bei Strömungen zur gekühlten Stelle hin dem Präparat Wärme entnimmt, und bei Strömungen in der anderen Richtung dem Präparat-diese Wärmemenge wieder zuführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,· dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem der Präparate die dem Präparat zugewandte Seite der gekühlten bzw. zu fühlenden Stelle in einem Abstand von diesem Präparat liegt, der mindestens so grose wie derjenige Teil des Mediumströme ist, über dem ein Temperaturgradient steht,

,wodurch dieser Teil des Mediumstrome (Regenerator) bei

ο Strömung in der einen Richtung dem Präparat regenerativ σ

^ iVi'rme entnimmt, und bei Strömung in der anderen Sichtung

Iv, dem Präparat regenerativ Wärme abgibt. ο 4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder

⁰⁼¹ 3*, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlte Stelle bis

auf eine Temperatur tiefer als 3O⁰K gekühlt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Mediums ständig höher als der kritische Druck gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass dasXedium und die Betriebsbedingungen derart gewählt werden, dass im Betrieb kein Phasenübergang des Mediums erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, dass, weil im Betrieb Temneraturen tiefer als 2, 5^GK auftreten, als Medium, das Isotop He-* gewählt wird.

5. Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte

jCemäss dem Verfahren nach einer oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, mit wenigstens nur einem Präparat eines Stoffes, der bei Änderung eines äusseren Parameters eine Entropieänderung erfährt, wie auch mit einer oder mehreren Vorrichtungen zum Erzeugen bw. **inäern des betreffenden Parameters, wobei weiter Mittel zum Abführen vcn V/ärme bzw. Kälte aus jedem der Präparate vorlmnä en sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen oder mehrere Kanäle enthält die je ein liedium enthalten, d".s sich unter dem Einfluss von mit einem Getriebe gekuppelten kcIbenförmigen Körpern hin_o. und herbewegen kann, wobei in jedem der Kanäle eine

oo oder mehrere gekühlte Stellen vorhanden sind, die je "° nut einer oder mehreren zu kühlenden Stellen· zusammen-J^ arbeiten, wobei zwischen jeaer gekühlten und der mit

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o> ihr zusammenarbeitenden zu kühlenden Stelle bzw. den

ir.it ihr zus.iumenarbeitenden zu kühlenden Stellen ein BAD ORIGINAL

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oder mehrere der erwähnten Präparate so angeordnet sind, dass sie in gutem Wärmeaustausch mit dem Medium stehen, und wobei das Medium unter den im Betrieb herrschenden Bedingungen eine gegenüber dem Stoff, aus dem die Präparate hergestellt sind,, hohe spezifische Wärme hat, wobei die kolbenförmigen Körper das Medium gegenüber jedem der Präparate über eine derartige Entfernung in beiden Richtungen bewegen, dass das Medium dae sich in einem gewissen Augenblick an der gekühlten Stelle befindet, niemals die zu kühlende Stelle erreicht.

9. Vorrichtung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb derjenige Teil des Mediumstroms, der. Wärme zur gekühlten Stelle hin abführt, eine iiöhere Temperatur hat als derjenige Teil des Mediumstroms, der ilälte zu der zu kühlenden Stelle hinführt wobei der Teil des Tvtediumstroms zwischen beiden erwähnten Teilen ein kontinuierliches Temp er ..turgef alle zwischen den oeiden erwähnten Temperaturen besitzen, und dieser Teil bei Strömungen zur gekühlten Stelle hin dem Präparat regenerativ Wärme entnimmt, und bei Strömungen in Ger anderen Richtung dem Präparat diese Y/ärmemenge wieder zuführt.

10.Vorrichtung nach Anspruch 8 oder;;), da-

o durch gekennzeichnet, dass sich bei jedem Präparat die-

^ jenige Seite des Präparats, die einem mit diesem Präiv p arat zusammenarbeitenden benachbarten Präparat oder

o . einer mit. diesem Präparat zusammenarbeitenden gekühlten

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oder so kühlenden Stelle zugewandt ist, sich in einem Abstand von diesem Präparat bzw. der gekühlten Stelle

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der zu kühlenden Stelle befindet, der mindestens so gross ist wie der im Betrieb als Regenerator wirksame Teil der- Kediumsäule.

11. Vorrichtung,nach Anspruch 8, 9

oder 10» dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Präparate gasdurchlässig ausgebildet ist und einen Querschnitt hat, der den querschnitt-des Kanals, in dem es eich befindet, entspricht. -

■ . ■ 12, Vorrichtung η-ich Ans. ruch - 11,

dadurch gekennzeichnet, dass die d'is Lledium bewegenden kolbenförmigen Körper dasselbe Hubvolumen haben ,^d ie se-Kolben sich wenigstens nahezu phasengieich bewegen, so dsss'das Gesamtvolumen zwischen den -olben wenigr · etens nahezu konstant ist.

13, Vorrichtung nach Anspruch 8>- 12, dadurch £e!-euhceiehnet,-· dass der Raum zwischen jedem der Präparate und einen mit iha zus. r..n-enf..-beitenden benachbarten Präparat bzw. einer gekühlten Stelle bzw. zu kühlenden Stelle mit einer gardurchlässigen Kasse gegebenenfalls tiit derselben Struktur wie die des betreffenden Präparats gefüllt : st,

. 14. Yorriohtunc naeh Anspruch B - 13,

dadurch gekennzeichnet, dass der "ruck in der Vorrichtung immer grosser ist. als der kritische Truck des betreffenden Mediums.

15. Torrichtung'na-c.l. Anspruch £' - 13, dadurch gekennzeichnet, dass das lüediuE derart gewählt

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worden ist, d^ss es unter den im Betrieb herrechenden Bedingungen keinen Phasenüυ ergang erfährt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, d-^ss weil im Betrieb Temperaturen tiefer als 2,5⁰K auftreten, als Medium das Isotop He vorhanden ist.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrichtung einen in einem Zylinder bewegbaren

doppeltwirkenden kolbenförmigen Körper enthält, wobei an jedem Znde des Zylinders sich ein Kanal anschlieset, der jeweils vcm Zylinder aus gerechnet, eine gekühlte ■teile, eine oder mehrere Präparate und eine zu kühlende L'telle enthält, wobei die beiden Kanäle auf der .'eite der ευ kühlenden -teile miteinander in offener Verbandun_e- riehen, und die Snderunc des betreffenden Parameters bei Jen Präparaten im einen Kanal sich mit ier Xnrlerung dieses Parameters bei den Präparaten im anderen Kanal in Gegenphase befindet.

1Ü. Vorrichtung nach einem oder

mehreren der verstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, άαεζ jedes der Präparate aus einem j.aramagnetischen Stoff gebildet ist, und die Vorrichtung einen oder mehrere tlagneten enthalt, mit denen das Feld, in dem sich ein Präparat befindet, verändert werfen kann.

* ' 1?. Vorrichtung nach einem oder mehre-

er. 'ler vcr::~^e: enäen Ansprüche, d durch gekennzeichnet,

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dasi jedes der Präparate aus einem paramagnetischen Stoff gebildet ist, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Magneten enthalt, mit denen ein konstantes Magnetfeld erzeugt werden kann, und die Vorrichtung weiter Mittel enthält um jedes der Präparate und den dazugehörenden Magneten gegenübereinander zu verschieben, so dass jedes der Präparate abwechselnd in das Magnetfeld hinein und aus ihm herausgeschoben·werden kann.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1.8 oder

13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorhanden ist, die bei jedem Präparat das Magnetfeld derart verändert, dass die grösste Änderung der Magnetisierung des Präparats nahezu in dem Augenblick der Richtungsänderung der Llediumbewegung erfolgt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18„ 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelvorrichtung bei jedem Präparat das Magnetfeld derart ändert, daes v/ährend der Bewegung des Mediums zur gekühlten Stelle

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hin. der Ausdruck ' für das betreffende Präparat durchschnittlich konstant bleibt, wobei: H= magnetische Feldstärke. ■ ■ T = die mittlere absolute Temperatur des Präparats 9 = die paramagnetische Curie-Temperatür des Stoffes des Präparats.

22. Vorrichtung nach Anspruch 17 und

einem oder mehreren der Ansprüche 18 - 21, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Paar übereinstimmender Prä-

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par-ite aus den beiden Kanälen mit einem Magneten mit rotierenden Polen zusarrjnenarbeitet, der eo angeordnet ist, dass sich das eine Präparat und das andere Präparat abwechselnd zwischen den Polen befindet.

23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen, in einem Zylinder bewegbaren doppeltwirkenden kolbenförmigen Körper enthält, wobei die Räume auf beiden Seiten des Kolbenförmigen Körpers über eine gekühlte bzw. eine zu kühlende Stelle mit den beiden Enden eines zweiten Zylinders verbunden sind, in dem ein paramagnetisches Präparat be?/egbar ist, wobei um diesen Zylinder ein Elektromagnet angeordnet ist, der wärmeleitend mit der zu kühlenden Stelle verbunden ist, und dessen S^uIe aus einem Material hergestellt ist, das wenigstens bei der Temperatur der gekühlten Stelle supraleitend ist, und wcbei weiter um den Zylinder eine Büchse angeordnet ist, die ebenfalls wärmeleitend mit der zu kühlenden Stelle verbunden und aus einem Material hergestellt ist, das wenigstens bei der Temperatur der gekühlten Stelle supraleitend ist, wobei der Magnet und die Büchse in einer solchen Abstand voneinander angeordnet sind, dass sich das Präparat in seinen äussersten Lagen innerhalb des Magneten oder der Büchse befindet.

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