TWI398609B - 室溫下迴轉式磁製冷機裝置 - Google Patents

Description

室溫下迴轉式磁製冷機裝置

本發明室溫下迴轉式磁製冷機裝置，應用於冷氣(藏)壓縮機，能提高效率，並達節能省碳之目的。

由於地球環境的破壞如森林的砍伐以及大量產生的二氧化碳排到天空等等現象造成氣候的改變使海水溫度上升，因此更大量的使用空調設備，當今世界各工業國家之冷凍空調用電，對能源之損耗均占極大比例，在我國，更是造成夏天尖峰用電超載導致限電危機之主因，此外，使用CFC冷媒所造成臭氧層的破壞，早已成為全球性之環保上的一個重要課題，基於上述能源及環保之重大課題，科技界一直在尋求因應之道，希望能開發一種更節能及更環保的空調冷凍系統因應使用，例如改善現有產品缺失，及在產品工作效率上提升，研究不會分解臭氧的替代冷媒與利用各種節能技術；此外，另一備受矚目的領域為開發新的製冷機，如熱聲式、熱電式、熱管噴射冷卻、磁冷卻等等，其中磁製冷裝置(Magnetic refrigerator)藉製冷工質磁性材料的磁熱效應特性來達成製冷目的，無須壓縮機與CFCs-HCFCs冷媒，具環保、噪音小、可靠度高、壽命長等特點，可廣泛地應用於電冰箱、空調器、冰櫃和汽車空調等各種商用和家用製冷設備；由於磁製冷的製冷效率高，綠色環保、節能效果顯著，是21世紀最具發展前景的冷凍空調技術。本發明即以此方向為出發點，來進行磁製冷機開發，以降低當前冷凍空調的耗能。

所謂磁製冷技術，簡單的說是一種把磁性材料的磁熱效應(又稱磁卡效應Magneto Caloric Effcct，MCE或稱磁卡路里效應)應用於製冷領域的技術。磁熱效應是磁性材料固有特性，即磁性材料在外加磁場下，磁體中的磁矩會按磁場方向整齊排列(磁熵變小)，並放出熱量，當撤去外加磁場時，磁體中磁矩方向變雜亂(磁熵變大)，並從周圍吸收熱量的現象。磁製冷就是利用有磁熱效應的物質在激磁與退磁的過程間伴隨會有熱量的轉變原理，反覆不斷對磁性物質進行激磁與退磁，讓物質產生吸、放熱的作用，藉熱交換使周圍環境的溫度降低，達到製冷的目的。這磁製冷運作原理就和氣體壓縮-膨脹過程中所引起的放熱-吸熱現象相似，整個磁製冷循環包括：激磁過程-磁性材料放出熱量及退磁過程-磁性材料吸收熱量；中間以適當的循環熱交換過程加以連接，達到製冷的目的。

從磁冷凍的發展歷史來看，磁冷凍的研究可追溯到19世紀末，1881年Warburg首先觀察到鐵金屬在外加磁場中的熱效應，1895年Langewiz發現了磁熱效應。1926年Debye、1927年Giauqu兩位科學家分別從理論上推導出可以利用絕熱去磁的過程來作為冷凍技術的結論後，磁冷凍技術得以逐步發展。1930年利用順磁性材料製成圓盤來作為磁工質，採用絕熱去磁方式成功的獲得mK(Kelvin scale)級的低溫，1933年Giauque和MacDougall首先實現了磁冷凍，他們在美國用磁工質硫酸釔進行3次實驗：第一次從3.4K降溫到0.53K；第二次又從1.5K降溫到0.25K。到1950年磁冷凍技術在大量低溫物理實驗室開始應用，可以獲得mK(Kelvin scale)級的溫度。

從磁冷凍材料來看1980年Tegus等人採用Gd₃ Ga₅ O₁₂ (GGG)型的順磁性石榴石化合物成功的應用於1.5~15K的磁冷凍，1990年採用磁性Fe離子取代部分非磁性Gd離子，由於H離子與Gd離子間存在超交換作用，使局部區域的磁矩有序化，構成磁性的奈米團簇，當溫度大於15K時其磁熵變高於GGG，而成為15~30K溫區最佳的磁冷凍工質。在1997年，南京大學物理系都有為教授的研究小組發現La_1-x Ca_x MnO(x=0.2、0.33)在室溫附近具有大於Gd的巨磁熵變，同年美國Ames實驗室Pecharsky和Gschneidher研究小組發現Gd_s Si₂ Ge₂ 在近室溫區也有巨磁熵變。他們的發現都對當前磁冷凍研究起了巨大的推動作用。在2002年在位於荷蘭的阿姆斯特丹大學發現了一種跟Gd_s Si₂ Ge₂ 合金有相當的巨磁熱效應物質MnFeP_1-x As_x 。通過調節P/As比例在1/2-3/2之間的可以使居禮溫度達到200K~350K的變化。

目前磁製冷材料、技術和裝置的研究開發，美國和日本居領先水準，這些發達國家都把磁製冷技術研究開發列為21世紀初的重點攻關項目，投入了大量資金、人力和物力，競爭極為激烈，都想搶先佔領這一高新技術領域。

由前述先進國家的投入可知磁製冷是一相當好可開發領域，其與傳統的依靠液體壓縮與膨脹的製冷技術相比，磁製冷具有下列優點：(1)磁製冷是採用磁性物質作為製冷工質，對大氣臭氣層無破壞作用，無溫室效應；(2)而且磁性工質的熵密度比氣體大因此製冷裝置可以做得更緊湊；(3)磁製冷只要用電磁體或超導體以及永磁體提供所需之磁場，無需壓縮機，沒有運動部件的磨損問題，因此機械振動及噪音較小、可靠性高，壽命長；(4)在效率方面，磁製冷可以達到卡諾循環的30%~60%，而依靠氣體的壓縮與膨脹的製冷循環一般只達到5%~10%，因此磁製冷技術具有良好的應用前景。

由於本發明開發之磁製冷機不使用CFC化合物冷媒，效率高、噪音小、可靠性佳，加上壽命長之優點，符合未來綠色環保節能冷凍空調產品趨勢，發展此型制冷機，可解決國際環保與蒙特羅公約的問題。又國外發展熱聲制冷機至今不過十餘年，但商業化的契機已浮現，國內在此時切入，與國外的技術差距不致過大，應該可以急起直追，大有可為。

此外本發明所開發之磁製冷技術衍生創新應用範圍廣，除了可應用在極低溫度冷凍醫療、紅外線感測器、高溫超導及液化氦等小規模的製冷外，在太空和核技術等國防領域都有巨大的潛在的應用市場，甚至可應用於中央空調、高檔車用空調、家用冰箱、家用空調等，電腦高速CPU運作(讓CPU工作在極低溫，以增加工作頻率與效能)等等應用範圍，本發明解決了許久未能突破的問題，而且達到節能省碳的目的，實為一優良之發明。

本發明室溫下迴轉式磁製冷機裝置，應用於製冷領域，能提高效率，並達節能省碳之目的。

本發明室溫下迴轉式磁製冷機裝置，包括設製冷箱，於殼體內設轉軸由馬達帶動轉軸迴轉，在轉軸上設永久磁鐵，並在迴轉相對側分散佈設數釓金屬(製冷工質)，且釓金屬內穿設管路並納水，利用永久磁鐵迴轉時產生激磁與退磁效應，管路中設馬達、水箱、散熱器、閥及冷庫構成完整系統，整個磁製冷循環包括：激磁過程-磁性材料放出熱量及退磁過程-磁性材料吸收熱量；中間以適當的循環熱交換過程加以連接，達到製冷的目的。

本發明室溫下迴轉式磁製冷機裝置，有下列優點：(1)採磁性物質作製冷工質，無破壞大氣臭氣層作用，無溫室效應；(2)磁製冷無需壓縮機，沒有機件磨損問題，振動及噪音較小、可靠性高，壽命長；(3)磁製冷效率高，達到卡諾循環的30%~60%；因此磁製冷技術具有良好的應用前景，可解決國際環保與蒙特羅公約的問題。

首先請參閱所有圖示，本發明一種室溫下迴轉式磁製冷機裝置，應用於製冷，並達節能省碳之目的，其實施時：本發明室溫下迴轉式磁製冷機裝置(參閱第1、3圖)，包括設一循環管路1以將各機件聯接，管路1內納有流體如水等溶液來回循環，在管路1一端設一驅動泵2推動熱交換迴路內之流體來回循環，在驅動泵2一端設一水箱3，內納有水供應管路1內的水循環應用，在水箱3一側設一散熱器4以將管路1內熱水散熱降溫，另於散熱器4及驅動泵2一側都各設一電控閥5、6，該閥體都具三通可藉由控制改變水路流向，該二電控閥5、6一側設一製冷箱7，其具備一容納空間的殼體8，在內納設一轉軸9，以殼體8作一活固點，而轉軸9另一端設一馬達10(伺服馬達)係固定在製冷箱7一適當位置，以帶動轉軸9迴轉，在轉軸9上設永久磁鐵11，該永久磁鐵11迴轉相對側鄰近位置設數釓金屬12、13、14、15(製冷工質)，並分散對稱佈設固定在殼體8內適當位置，且在該釓金屬12、13、14、15內穿設管路1，並在穿設該釓金屬12、13、14、15出口管路1一端設一冷庫16，該冷庫16可容納物品，並由通經該冷庫16之管路1輸入冷卻水將內部熱帶走，其中殼體7外部可設一腳架17以支承穩固(參閱第3圖)，其中，釓金屬12、13、14、15係稀土元素釓(Ga Gadolinium)為磁製冷工質，具磁熱效應是磁性材料固有特性，即磁性材料在外加磁場下，磁體中的磁矩會按磁場方向整齊排列(磁熵變小)並放出熱量，當撤去外加磁場時，磁體中磁矩方向變雜亂(磁熵變大)並從周圍吸收熱量，本發明磁製冷就是利用有磁熱效應的物質在激磁與退磁的過程間伴隨會有熱量的轉變原理，反覆不斷對磁性物質進行激磁與退磁，讓物質產生吸、放熱的作用，藉熱交換使周圍環境的溫度降低，達到製冷的目的，因此，當馬達10迴轉帶動永久磁鐵11迴轉時，釓金屬12、13、14、15(製冷工質)之磁場強度發生消長變化之激磁/退磁過程，可在室溫下進行磁製冷目的將冷庫16溫度降低；茲說明本發明運作，該馬達10(伺服馬達)運轉將永久磁鐵11之磁場帶入與釓金屬12、13、14、15(製冷工質)時產生激磁作用，該釓金屬12、13、14、15即磁性材料在外加磁場下，磁體中的磁矩會按磁場方向整齊排列(磁熵變小)並放出熱量，該馬達(伺服馬達)運轉將永久磁鐵帶離釓金屬12、13、14、15(製冷工質)區時撤去外加磁場時為退磁過程，磁體中磁矩方向變雜亂(磁熵變大)，會從周圍吸收熱量，以下說明本發明流路循環流動方向與退激磁動作實施形態(請參閱第5圖)，該釓金屬12、14(製冷工質)激磁放出熱量時利用繞經釓金屬12、14內部的管路1水將熱帶走，經控制閥6再經散熱器4降溫之後進入水箱3，經驅動泵2運作又經另一控制閥5後又進入釓金屬13、15後進入冷庫16，再由冷庫16經釓金屬12、14又進入控制閥6完成一循環；另一循環(請參閱第4圖)，該驅動泵2作功將水箱3水經管路1帶入控制閥5進入釓金屬12、14(製冷工質)，此時該釓金屬12、14係退磁過程，也就是永久磁鐵11磁場已離開釓金屬12、14，使得釓金屬12、14從周圍吸收熱量，即將管路1水製冷，之後管路1進入冷庫16作功將冷庫16內熱帶走，再進入釓金屬13、15而後又進入控制閥6，再經散熱器4降溫之後進入水箱3，完成另一循環動作；其中，本發明動作係由電路作控制包括設可程式控制器18、馬達驅動器19、開關20、電路板21等電子元件，並作相關聯結以組成一完整電控箱裝置22運作(參閱第2圖)，另於管路1及冷庫16適當位置設數溫度感測器23以偵測內部溫度(參閱第4、5圖)。

再者，本發明釓金屬也可由其衍生之釓合金替代使用，也可產生激磁與退磁之磁熱效應，達到製冷目的，其釓合金至少包括有Gd_0.5 Dy_0.5 、Gd_0.74 Tb_0.26 、Gd₇ Pd₃ 、Gd5(Si_1.985 Ge_1.985 Ga_0.03 )₂ 等等合金同樣具磁熱效應可達製冷目的。

綜上所述，本發明乃利用自然法則之技術思想之創作，完全突破傳統創新思維的新產品，且非其所屬技術領域中具有通常知識者依申請前之先前技術所能輕易完成者，已具新穎性、進步性、產業利用性，也符合發明專利申請要件，爰依法提出發明申請。

惟以上所述僅為本發明之一較佳可行實施例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效結構，直接或間接運用於其它相關技術領域者，均同理皆理應包含於本發明之精神範疇的範圍內，合予陳明。

1．．．管路

2．．．驅動泵

3．．．水箱

4．．．散熱器

5、6．．．電控閥

7．．．製冷箱

8．．．殼體

9．．．轉軸

10．．．馬達

11．．．永久磁鐵

12、13、14、15．．．釓金屬

16．．．冷庫

17．．．腳架

18．．．可程式控制器

19．．．馬達驅動器

20．．．開關

21．．．電路板

22．．．電控箱裝置

23．．．溫度感測器

第1圖本發明系統裝置圖。

第2圖本發明系統與電控箱裝置聯結圖。

第3圖本發明側視圖。

第4圖本發明冷藏循環圖。

第5圖本發明散熱循環圖。

1．．．管路

2．．．驅動泵

3．．．水箱

4．．．散熱器

5、6．．．電控閥

7．．．製冷箱

8．．．殼體

9．．．轉軸

10．．．馬達

11．．．永久磁鐵

12、13、14、15．．．釓金屬

16．．．冷庫

Claims (3)

1. 一種室溫下迴轉式磁製冷機裝置，應用於冷氣(藏)壓縮機，包括：管路將各機件聯接，內納水循環；驅動泵設於管路一端，推動水循環；水箱設於驅動泵一端，內納水供應管路內的水循環應用；散熱器設於水箱一側，以將管路內水散熱降溫；電控閥分別佈於散熱器及驅動泵一側，具三通可改變水流向；製冷箱設於電控閥一側，具容納空間殼體，內設轉軸，其另一端設馬達帶動轉軸迴轉，在轉軸上設永久磁鐵，並於其相對側位置分散對稱佈設釓金屬，且固定在殼體內，另在釓金屬內穿設管路；冷庫設在製冷箱一側，通有管路將內部熱帶走；電控箱裝置設於製冷箱一側，係由可程式控制器、馬達驅動器、開關、電路板等電子元件組成；溫度感測器設於管路及冷庫適當位置偵測內部溫度；藉此利用磁熱效應產生吸、放熱作用，藉熱交換使周圍環境的溫度降低，達到製冷目的。
2. 如申請專利範圍第1項所述之室溫下迴轉式磁製冷機裝置，製冷箱設於電控閥一側，具容納空間殼體，內設轉軸，其另一端設馬達帶動轉軸迴轉，在轉軸上設永久磁鐵，並於其相對側位置分散對稱佈設釓金屬，且固定在殼體內，另在釓金屬內穿設管路，其中；釓金屬可改設由其衍生之釓合金取代。
3. 如申請專利範圍第1項所述之室溫下迴轉式磁製冷機裝置，製冷箱設於電控閥一側，具容納空間殼體，其中，殼體外設腳架支承穩固。