CN103326542A - 磁热装置 - Google Patents

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林铭赐
刘玠成
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Abstract

一种磁热装置，包括：一机轴，具有一轴方向；一转子，为机轴所支撑，具有一工作材料以及一实体材料；一磁性总成，相邻于该转子，用以产生一磁通量，其以一磁通方向通过该转子，其中该磁通方向大致垂直于该轴方向。本发明的磁热装置能够改善转动的稳定性，增加转动的力矩。

Description

磁热装置
技术领域
本发明涉及一种磁热装置，其能够提供更稳定的转速以及更强大的输出力矩。
背景技术
磁热引擎是一种利用磁卡效应(magneto-caloric effect)产生机械运动的机器。
图1为现有技术的磁热引擎示意图。如图1所示，磁热引擎100包括一机轴110、一转子120、多个磁铁140、一热水供应150以及一冷却区160。转子120为一中空碟盘，其边缘上具有工作材料122。工作材料122通常为磁铁材料所制，因此，若适当地改变工作材料122上的温度，可使其产生明显的磁场变化。如图1所示，热水供应160与冷却区150分别可加热及冷却转子120上工作材料122的不同部位，因而产生具有不同磁力的两道磁场。之后，转子120的这两个区域相对磁铁140产生一净磁力矩，而此净磁力矩可推动转子120而使其沿着垂直机轴110的方向转动。
然而，前述的中空碟盘通常设计成具有较大的气隙，因而某种程度地阻碍磁通路径，造成磁热引擎100中的磁阻增加。此外，由图1可了解到，在现有技术的磁热引擎100中，磁铁140的配置并不对称，使得转子120难以稳定地运转，而不稳定运转亦将导致装置整体的可靠性大幅降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁热装置，以改善转动的稳定性，增加转动的力矩。
本发明提供一种磁热装置。该磁热装置包括：一机轴，具有一轴方向；一转子，为机轴所支撑，具有一工作材料以及一实体材料；一磁性总成，相邻于该转子，用以产生一磁通量，其以一磁通方向通过该转子，其中该磁通方向大致垂直于该轴方向。
附图说明
图1为现有技术的磁热引擎示意图。
图2A为依据本发明一实施例的磁热装置200示意图
图2B为图2A的磁热装置200的侧视图。
图3为依据本发明一实施例的磁热装置300的示意图。
图4为依据本发明一实施例磁热装置400示意图。
图5为依据本发明一实施例磁热装置500示意图。
图6为依据本发明一实施例磁热装置600示意图。
其中，附图标记说明如下：
100~磁热引擎
110~机轴
120~转子
122~工作材料
140~磁铁
150~热水供应
160~冷却区
200~磁热引擎
210~机轴
220~转子
222~工作材料
224~实体材料
230~磁性总成
232~磁性元件
234~磁性元件
240~磁铁
242~热源
244~冷源
250~定子
300~磁热引擎
320~转子
322~工作材料
324~实体材料
330~磁性总成
340~磁铁
350~外部定子
352~内部定子
G~气隙
400~磁热引擎
410~机轴
420~转子
422~实体材料
424~工作材料
430~磁性总成
432~磁性元件
434~磁性元件
436~磁性元件
438~磁性元件
440~磁铁
500~磁热引擎
510~机轴
520~转子
522~实体材料
524~工作材料
530~磁性总成
540磁铁
550~定子
600~磁热引擎
610~机轴
620~转子
622~实体材料
624~工作材料
630磁性总成
640~热交换总成
650~定子
具体实施方式
下文为介绍本发明的最佳实施例。各实施例用以说明本发明的原理，但非用以限制本发明。本发明的范围当以后附的权利要求项为准。
为了克服现有技术的缺点，本发明提供各种磁热装置，其不仅能改善转动的稳定性，亦能增加转动的力矩。下文将参照附图详细说明本发明的各个实施例。
实施例1
图2A为依据本发明一实施例的磁热装置200示意图，而图2B为图2A的磁热装置200的侧视图。本发明的磁热装置200具有一机轴210、一转子220、一磁性总成230、一热交换总成240，以及一定子250，其中转子220在定子250的内侧旋转。
机轴210支撑着转子220，而转子220以机轴210为轴心转动。转子220在此实施例为碟形(或盘形)，主要为「实体材料224」所组成(后文将再详述)，并且在其边缘上具有「工作材料222」。在本发明中，举例而言，工作材料222可为各种具有居里温度(Curie temperature)Tc的磁卡(magneto-caloric)材料，例如：FeRh、Gd5Si2、RCo2(Rare-Earth-Element Cobalt)、La(Fe，Si)13、MnAs1-xSbx、MnFe(P,As)、Co(S1-xSex)2、NiMnSn、MnCoGeB，或其它具有相似磁性特征的材料。
在此实施例中，磁性总成230具有一对磁性元件232与234，两者相邻于转子220。举例而言，磁性元件232和234分别位于转子220相对的两侧，如图2A及图2B所示。本发明的磁性总成230用以产生通过转子220的磁通量，该磁通量可通过转子220的工作材料224而在该工作材料224上感应出一磁场，进而驱动转子220。
如图2A所示，热交换总成240各具有至少一热源242和至少一冷源244，分别配置于一磁性元件232/234的左右两侧(如图2A左半部所示，对磁性元件232而言，热源242位于上侧，而冷源244位于下侧；如图2A右半部所示，对磁性元件234而言，冷源244位于下侧而热源242位于上侧)。虽然在图2A的实施例中仅有两热源242和两冷源244，但熟悉本技艺人士可了解到，本发明热源及冷源的数量以及配置方式不必以此实施例为限，只要能使热源及冷源交错排列即可。热交换总成240可与工作材料224进行热量交换，举例而言，可通过将适当的热交换媒注入转子220达成，而热交换媒可为：空气、蒸气、喷雾、润滑液、亲水性液体、混合液，以及以上的组合。明确地说，就磁性元件232而言，如图2A左半部所示，热源242加热磁性元件232下方近处的工作材料224，使得该处磁场以及推动转子220的力量减弱，同时，冷源244冷却磁性元件232上方近处的工作材料224，使得该处磁场以及推动转子220的力量增加。施加于转子220边缘两处的力量彼此不平衡，即会造成图2A的转子220以逆时针方向旋转。在一更佳实施例中熟悉本技艺人士可了解到，为了在转子220上产生较大的磁力矩，热源242和冷源和244应该尽可能地靠近磁性元件232。
值得注意的是，本发明的磁性总成230在配置方式上是与现有技术完全不同的。在图1的现有技术中，磁铁140和机轴110所产生的磁通量皆沿着相同的方向(Y方向)。然而，如图2B所示，本发明的机轴210代表轴方向(Y方向)，而磁性总成230所产生的磁通量则沿着与轴方向(Y方向)大致垂直的一磁通方向(X方向)流通。在本发明中，磁性总成230所产生的磁通量不会在垂直方向(Y方向)上产生任何力量，因此，转子220在转动时不会受到垂直方向力量的干扰，进而保持整个磁热装置200的稳定。
此外，亦须注意到在本发明中构成转子220的实体材料222。本发明的实体材料222具有高导磁性，可为纯铁、硅钢，或低碳钢。本发明的转子110并非如图1的中空结构，本发明的转子220以具有高导磁性的实体材料222为主要材料，因而可以最大程度的减少气隙的大小(气隙的存在阻碍了磁通量的流通，并使磁路扭曲)。使用具有高导磁性的实体材料222，有助于让磁性总成230所产生的磁通量更轻易地流通转子220，因而能够更有效率地产生转动力矩。再者，由于使用实体材料222会额外增加转子220的转动惯量，故可帮助转子220以更稳定的方式旋转(此即所谓的「非轮效应」)。在一更佳实施例中，为了进一步提升磁热装置200转动的稳定性以及速度，不仅转子22可由高导磁性材料所组成，定子250、机轴210，以及任何转子210的支持结构皆可采用高导磁性材料，不必以前述实施例为限。
本发明的磁热装置具有多种实施形态，下文将详细补充其中某些实施例。
实施例2
图3为依据本发明一实施例的磁热装置300的示意图。相似地，本发明的磁热装置3200具有一机轴(图未示)、一转子320，具有工作材料322、一磁性总成330、一外部定子350，以及一内部定子352。工作材料322可为各种具有居里温度(Curietemperature)Tc的磁卡材料(magneto-caloric材料)，例如：FeRh、Gd5Si2、RCo2、La(Fe，Si)13、MnAs1-xSbx、MnFe(P,As)、Co(S1-xSex)2、NiMnSn、MnCoGeB，或其它具有相似磁性特征的材料。磁性总成330和热交换总成340分别具有与实施例1的磁性总成230和热交换总成240相同的功能以及配置方式。
然而，在此实施例中，内部定子352由实体材料324(即，高导磁性材料)所组成，但其比实施例1中的定子大。在此实施例中，转子320为中空，目的在减轻转子320的重量。转子320为工作材料322所覆盖。为了能使转子320转动，本实施例以极微小的气隙G间隔转子320与定子352。由于空气具有相对低的导磁性，因此，熟悉本技艺人士可了解到，当气隙G的尺寸越小时，磁热装置300的效能就会越好。
实施例3
图4为依据本发明一实施例磁热装置400示意图。相似地，本发明的磁热装置400具有一机轴410；一转子420，其主要由实体材料422所构成，而其边缘上具有工作材料424；一磁性总成430；一热交换总成440，以及一定子450。实体材料422为高导磁性材料，而工作材料424为具有居里温度的磁卡材料，如：FeRh、Gd5Si2、RCo2、La(Fe，Si)13、MnAs1-xSbx、MnFe(P,As)、Co(S1-xSex)2、NiMnSn、MnCoGeB，或其它具有相似磁性特征的材料。热交换总成440具有与实施例1的热交换总成240相同的功能以及配置方式。
然而，在此实施例中，磁性总成430具有磁性元件432、434、436和438。在此实施例中，此四个磁性元件432，434，436和438彼此间隔90度。在另一实施例中，磁性总成430可具有N个彼此间隔一角度的磁性元件，其中，所间隔的角度的范围可在180/N度至360/N度之间(N为大于等于2的整数，且最好为偶数)。可以了解的是，无论磁热装置中具有多少磁性元件，磁性元件所产生磁通量皆沿着一磁通方向流通，而该磁通方向大致垂直于机轴的轴方向，如此可使转子稳定的转动。
实施例4
图5为依据本发明一实施例磁热装置500示意图。在此实施例中，转子520转动于定子550的外部。基本上，磁热装置500具有与实施例大致相同的元件与结构。其中，由磁性总成530所产生的磁通量沿着一磁通方向通过转子520，而该磁通方向大体垂直于机轴510的轴方向。此外，磁热装置500的机轴510、转子520，与定子550主要以具有高导磁性的实体材料522所构成。实体材料522为高导磁性材料，而工作材料524为具有一居里温度的磁卡材料，如，FeRh、Gd5Si2、RCo2、La(Fe，Si)13、MnAs1-xSbx、MnFe(P,As)、Co(S1-xSex)2、NiMnSn、MnCoGeB，或其它具有相似磁性特征的材料。热交换总成540具有与实施例1的热交换总成240相同的功能以及配置方式。
实施例5
图6为依据本发明一实施例磁热装置600示意图。相似地，如前述实施例，本发明的磁热装置600具有一机轴610；一转子620，其大体由实体材料622所构成，而其边缘具有工作材料624；一磁性总成630；一热交换总成640，以及定子650。实体材料622为高导磁性材料，而工作材料624为具有一居里温度的磁卡材料，如：FeRh、Gd5Si2、RCo2、La(Fe，Si)13、MnAs1-xSbx、MnFe(P,As)、Co(S1-xSex)2、NiMnSn、MnCoGeB，或其它具有相似磁性特征的材料。热交换总成640具有与前述实施例热交换总成相同的配置方式以及大致相同的功能。
在前述实施例中，磁性总成630和转子620配置于相同的平面。与前述实施例不同的是，此实施例的磁性总成630设置在稍高于转子620之处。然而，值得注意的是，虽然磁性总成630的设置位置有别于前述实施例，但其产生的磁通量以一磁通方向通过转子620，而该磁通方向仍大致垂直于机轴610的轴方向。
前文已配合图2至图6说明本发明磁热装置200~600的各种实施例。本发明磁热装置200~600可用以回收废热，并且产生动力或电能。因此，本发明的磁热装置200~600特别适合应用于发电厂、工厂、办公建筑、中央空调系统，垃圾焚化炉的废热回收系统之中。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种磁热装置，包括：
一机轴，具有一轴方向；
一转子，为机轴所支撑，具有一工作材料以及一实体材料；
一磁性总成，相邻于该转子，用以产生一磁通量，其以一磁通方向通过该转子，其中该磁通方向垂直于该轴方向。
2.如权利要求1所述的磁热装置，其中该工作材料为具有一居里温度的一磁卡材料。
3.如权利要求2所述的磁热装置，其中该磁热装置还包括：
至少一热交换总成，可利用该工作材料交换热量。
4.如权利要求3项所述的磁热装置，其中该热交换总成还包括：
一热源，用以加热该工作材料；以及
一冷源，用以冷却该工作材料。
5.如权利要求3所述的磁热装置，其中该热交换总成还包括一热交换媒，其中该热交换媒选自下列群组中之一：空气、蒸气、喷雾、润滑液、亲水性液体、混合液，以及以上的组合。
6.如权利要求1所述的磁热装置，其中该磁性总成包括一对磁性元件，该对磁性元件分别位于该转子的两侧。
7.如权利要求1所述的磁热装置，其中该磁性总成包括N个磁性元件，所述磁性元件两两间隔一夹角，其中N为大于或等于2的整数。
8.如权利要求7所述的磁热装置，其中该夹角的角度为180/N度至360/N度。
9.如权利要求1所述的磁热装置，其中该实体材料具有高导磁性。
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