TWI429868B

TWI429868B - 具有磁熱材料的熱產生器

Info

Publication number: TWI429868B
Application number: TW097139302A
Authority: TW
Inventors: Jean-Claude Heitzler; Christian Muller
Original assignee: Cooltech Applications
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2014-03-11
Also published as: AR069051A1; BRPI0818342A2; WO2009087310A2; US8869541B2; JP5459794B2; RU2010116932A; ES2367214T3; EP2215410A2; MX2010004739A; CA2702793C; KR20100087140A; WO2009087310A3; CN101842647B; CN101842647A; KR101570548B1; FR2922999A1; ATE511622T1; JP2011501100A; US20100236258A1; AU2008346318B2

Description

具有磁熱材料的熱產生器

本發明係關於一種熱產生器，包含：多個磁熱元件；多個磁性裝置，其被配置成能使該等磁熱元件交替地受到磁場變化，且在各磁熱元件內交替地產生加熱循環過程與冷卻循環過程；至少一熱傳流體，其被配置成能夠在加熱與冷卻循環過程期間收集該等磁熱元件所產生的熱量及/或冷量；至少一熱交換室及一冷交換室，其分別被配置於該產生器的熱端與冷端上；以及，循環機構，用於將該熱傳流體循環於磁熱元件與交換室之間。該產生器包含至少一熱模組，該熱模組包含至少一組N個磁熱元件。

磁性冷凍技術已知有超過二十年了，就生態環境及永續發展來說，此種技術的優點已經被廣泛認可。但是，就其可利用的發熱輸出及其效率來說，此種技術的限制亦為眾所皆知。因此，在此技術領域中所採取的所有研究均傾向於增進這種產生器的性能，其方式乃藉由調整不同的參數，例如：磁化功率、磁熱元件的性能、熱傳流體與磁熱元件之間的熱交換表面、熱交換器的性能等。

專利公告第US 4,829,770號特別著重於磁熱元件的組成，其揭示一種利用這類磁熱元件的熱產生器，且其操作原理係根據史特靈引擎(Stirling engine)為主。熱傳氣體(特別是氮氣)在這些固定的磁熱元件內流通，同時整個總成被包含於一個受到往復移動的槽內，此往復移動與磁場的變化同步發生。氦熱交換器係連接至此槽的熱端與冷端上，以便將熱傳氣體所收集到的熱量與冷量傳遞至外部巡迴路線上。磁熱元件看起來像多孔狀的圓盤，這些圓盤堆疊於槽內，且根據所選定的實施例可以彼此隔開而界定出好幾個室，或者互相結合而僅界定出兩個室。槽的每次移動均對應於一個冷循環過程或者一個熱循環過程，而且使熱傳氣體僅能以一個方向循環。因此，熱量與冷量的產生循環過程是交替的而非同時發生。而且，氣體的熱傳能力比起液體的熱傳能力來說顯著地效果差很多，熱傳氣體與磁熱元件之間的熱交換表面也非常有限。假如在非常低的操作溫度下(大約-200℃)，則此種熱產生器的用途就被限制成實驗室應用而已。總而言之，對於工業用途或家庭用途來說，這類熱產生器的發熱值(calorific value)太低。

專利公告第WO 2005/093343號揭示一種磁熱性熱產生器的原理，其利用馬達車輛中被加熱或冷卻的空氣作為熱傳流體。此方案被設計成在開始的階段中，冷卻系統是在一個封閉的迴路中操作的，且利用一個活塞與移動樑系統使得空氣根據往復移動而在熱槽與冷槽之間循環通過磁熱元件，直到達成想要的溫度梯度為止。如同在前一個範例中一樣，活塞的每個移動均對應於一個冷循環過程或一個熱循環過程，且使得空氣僅在一個方向上循環。因此，熱量與冷量的產生過程是交替的而非同時發生。而且，空氣與磁熱元件之間的熱交換表面非常有限，而且假如熱傳流體是氣體而非液體的話，對於工業用途或家庭用途來說無法達成足夠的發熱值。

屬於本案申請人的專利公告第WO 2007/026062號係揭示一種磁熱產生器，其包含兩個不同的收集巡迴路線，也就是一個熱收集巡迴路線及一個冷收集巡迴路線，此兩個巡迴路線彼此呈液壓密封且被結合至一個熱交換器上。此熱交換器係作為排出熱量或冷量的機構。熱傳流體在收集巡迴路線內的一個封閉迴路中循環，收集巡迴路線包含產生器外側的一部分，且需要至少一泵、與磁場變化同步的變換機構、導管與多個連接部位。

本發明以一種具有磁熱材質的熱產生器為基礎而提出工業用的解決方案，藉此解決上述問題。本發明就經濟上來說是可實行的且能夠加以模組化，因此能夠根據指定的規格而被建構成工業用與家庭用的部件。本發明拋棄使用一個或多個液壓系統，而使熱傳流體循環的方式達到簡化與合理化。

因此，本發明係關於一種在前言中所提及的熱產生器，其特徵在於：該循環機構與磁場的變化同步，且被配置成在一個往復動作中使熱模組內部的熱傳流體同時以兩個相反的方向在熱交換室與冷交換室之間交替地循環通過該等磁熱元件，致使該熱傳流體的第一部分朝向熱交換室循環而通過受到加熱循環過程的磁熱元件，該熱傳流體的第二部分朝向冷交換室循環而通過受到冷卻循環過程的磁熱元件，且反之亦然；而且，該循環機構包含至少一組N個活塞，這些活塞係位於該等磁熱元件的對面且藉由一個驅動機構而產生往復移動，該驅動機構包含至少一個被致動器所驅動的致動凸輪。

因此，可以獲得N個同時且並聯操作的迷你熱產生器，藉此使得與熱傳流體之間的熱交換表面以及熱產生器的發熱值乘上N倍。而且，由於熱傳流體在兩個方向上循環，能夠同時收集受到磁場增加(加熱循環過程)的磁熱元件所產生的熱量，以及受到磁場減少(冷卻循環過程)的磁熱元件所產生的冷量，因此可最理想地利用每個磁性循環過程。

熱交換室與冷交換室形成產生器所產生的熱能之恢復室，且允許一方面來自熱交換室用於加熱循環過程的熱傳流體，以及另一方面來自冷交換室用於冷卻循環過程的熱傳流體兩者之混合。

較佳地，磁熱元件包含露出的流體通道，這些通道是由孔洞、溝渠、溝槽或這些元件的組合而形成的。

在一較佳實施例中，循環機構包含兩組N個活塞，這些活塞係被定位於該等磁熱元件的每一側上，以便使熱傳流體在兩個方向上循環。

致動凸輪包含一個具有大約正弦曲線形狀的凸輪外形，其振幅決定活塞的衝程，而其正弦相位整體地對應於該等磁熱元件的加熱循環過程與冷卻循環過程。

在磁熱元件的附近，磁性裝置可以包含至少一磁性排列，該磁性排列是由交錯的磁化區與非磁化區所形成，該磁性排列係與一致動器連結起來，而能夠相對於該等磁熱元件產生移動。

較佳地，這些磁性裝置包含一個場關閉裝置，係位於該磁性排列的對面，用以關閉該磁化區通過磁熱元件所產生的磁通量。

該磁性排列的一個磁化區與一個非磁化區所形成的每一對，係有利地延伸一段距離，此段距離整體地對應於該凸輪外形的正弦曲線。

在一較佳實施例中，每個磁化區包含至少兩個具有相反極性的永久磁鐵，此兩個永久磁鐵被組裝於一個具有高導磁率(magnetic permeability)的鐵芯上，以便使磁鐵的磁通量朝向磁熱元件集中。

熱模組有利地具有一圓形結構，其中這些磁熱元件是以圓形圍繞著一條中心軸線配置，而且致動凸輪與磁性排列與此中心軸線同軸而繞著該軸線旋轉。

在另一實施例中，熱模組可以具有直線型的結構，其中磁熱元件彼此對齊，而且致動凸輪連同磁性排列是沿著該等元件而被驅動成往復移動。

熱產生器有利地包含X個熱模組，這X個熱模組被堆疊起來而形成一個具有與X個熱階段的產生器，而且這些熱模組可以利用中間室而成對地組裝起來。在此情形中，可以有利地共用兩個連續熱模組的活塞。

因此，藉由堆積多個熱模組，可以利用一種階段性的方式達成熱傳流體的加熱與冷卻，因此能夠根據需要而增加產生器冷端與熱端之間的溫度梯度。

中間室可以與活塞相通，且在兩個連續的熱模組之間形成熱傳流體混合室。

中間室也可以不與活塞相通，因為熱傳流體從一個熱模組經由該等磁熱元件而流到另一個熱模組。

熱交換室與冷交換室可以各被連接到一條與一裝置相配合的外部巡迴路線上，此裝置只有在該交換室內達到預定的溫度之後才會允許熱交換。

參考圖1至8，且特別是參考圖4，本發明的熱產生器1包含一個熱模組10，此熱模組10包括N個磁熱元件2，這些磁熱元件彼此相鄰地繞著一條中心軸線A而配置成圓形，藉此形成一個環狀圓柱形結構。本實施例僅為一範例而已，熱產生器1也可以具有直線型的結構。

熱產生器1包含多個磁性裝置3，這些磁性裝置能夠交替地使磁熱元件2受到磁場變化，以便根據卡諾循環(Carnot cycle)而改變其溫度，且在每個磁熱元件2中交替地產生一加熱循環過程與一冷卻循環過程。此產生器含有一熱傳流體，此流體可透過循環機構4而在該熱模組10內移動，以便收集在連續的加熱與冷卻循環過程期間磁熱元件2所產生的熱量與冷量，而且分別將這些熱量與冷量儲存於產生器的熱端與冷端上的熱交換室5與冷交換室6內。每個交換室5、6被設計成能夠藉由一熱交換器(未顯示)而與一個外部巡迴路線交換，以便運用該產生器所產生的熱量與冷量。循環機構4與磁場的變化同步，以便使熱傳流體在兩個相反方向上同時循環，致使該熱傳流體的第一部分朝向熱交換室5循環而通過受到加熱循環過程的磁熱元件2，該熱傳流體的第二部分朝向冷交換室6循環而通過受到冷卻循環過程的磁熱元件2，且反之亦然。

在所顯示的範例中，磁熱元件2是由多個局部圓柱形區段所形成，這些區段是由磁熱材質切割、加工及/或模製而成，且被放置於一個固定的支架20內。此支架與一個具有互補形狀的外殼21裝配在一起。磁熱元件2的形狀並未被限制，且可以改變成任何其它立體的形狀。磁熱材質意味著局部或完全由磁熱物質所製成的材質，例如：釓(Gd)、例如含有矽(Si)的釓合金、鍺(Ge)、例如含有鐵(Fe)的錳合金、鎂(Mg)、磷(P)、鑭合金、鎳(Ni)合金、及其他等效材質或可磁化合金、或者以粉末、顆粒、固體硬塊、燒結物或多孔形式的各種磁熱材質之組合。根據想要的加熱與冷卻能力以及要求的溫度範圍，而決定這些磁熱材質之間的選擇。這些磁熱元件2可以被熱傳流體所穿透，且因此含有露出的流體通道。這些流體通道是由多孔材質的孔洞、硬塊所加工出來的迷你或微型通道所形成，或者由組裝溝槽板與其他類似元件而獲得。

熱傳流體的循環機構4包含至少一組且較佳為兩組N個活塞40，這些活塞藉由一個驅動機構7而產生平行於中心軸線A的往復移動。每個活塞40係被配置成彼此相向且沿著磁熱元件2的軸線，以便根據是否該元件受到加熱循環過程或冷卻循環過程而使熱模組內所含的熱傳流體在一個方向上循環通過該元件。因此，每個磁熱元件2係與兩個活塞40結合在一起，此兩個活塞沿著其軸線對齊且每一端均相向而同時在相反的方向上被驅動。為了使熱傳流體能夠從一個交換室5、6循環到另一個交換室6、5，護套42包含多個開口43，這些開口連接熱模組10的內部體積與活塞40的外殼41。關於如圖所示的熱產生器1之圓形結構，活塞40圍繞著一條中心軸線A而相鄰地配置於一圓圈內，且形成一環狀結構。在直線型熱產生器的情形中，活塞將會彼此對齊。這些活塞40包含多個圓柱形部件，這些圓柱形部件係被導引於一個護套42內所配置之具有互補形狀的外殼41中。任何其他的活塞形狀均合適，而且也可以決定想要的活塞形狀，以便將液壓損失降至最小。護套42是一個固定的部件，其利用任何適當的組裝方式而安裝於磁熱元件2的支架20上。支架20與護套42也可以由單一部件所形成。較佳地，這些部件是由例如合成材質或類似物等熱絕緣材質所製成。

在所顯示的範例中，該驅動機構7包含至少一個且較佳地為兩個致動凸輪70，這些致動凸輪係連接至活塞40上且被一致動器(未顯示)所驅動。每個致動凸輪70可以包含一個凸輪外形71，其具有大約正弦曲線或類似的形狀(參考圖2與圖3)，其振幅決定活塞40的衝程，而其正弦相位整體地對應於磁熱元件2的加熱循環過程與冷卻循環過程。凸輪外形71形成一突出肋條，係位於每個活塞40的溝槽內，因此可確保在這些部件之間能夠產生機械連結。關於如圖所示的熱產生器之圓形結構，致動凸輪70是環狀的，且藉由一個電動馬達或任何等效致動器而繞著中心軸線A連續或非連續地旋轉。在直線型熱產生器的情形中，致動凸輪是直線的且受到一往復移動。

特別參考圖8，磁性裝置3包含一磁性排列30，此磁性排列30是由磁熱元件2附近之交錯的磁化區ZA與非磁化區ZN所形成的。每一對磁化區ZA與非磁化區ZN延伸達一段距離，此距離整體地對應於凸輪外形71的正弦曲線，使得磁化區ZA產生加熱循環過程而非磁化區ZN產生冷卻循環過程。在所顯示的範例中，磁化區ZA包含至少兩個具有相反極性的永久磁鐵32。此兩個永久磁鐵被組裝於一個具有高導磁率的鐵芯33上，以便使磁通量朝向磁熱元件2集中。顯然地，也可以產生任何其他的結構或排列方式。在所顯示的範例中且關於產生器的圓形結構中，磁性排列30是圓柱形並安裝於熱產生器1內部，且藉由一個電動馬達或任何等效致動器而繞著中心軸線A連續或非連續地旋轉。在此範例中，磁性排列30包含四對磁化區ZA與非磁化區ZN，每個區域涵蓋90度的角度區域。相應地，致動凸輪70的凸輪外形71包含四個正弦曲線，各個正弦曲線係延伸於相等的角度區域內。為了簡化圖形，圖形所示的凸輪外形71僅顯示兩個正弦曲線。磁性裝置3亦包含一個場關閉裝置31，此裝置係位於磁性排列30的對面且在此範例中係位於熱產生器1外側，藉此關閉由磁化區ZA所產生通過磁熱元件2的磁通量。在直線型熱產生器的情形中，磁性裝置3是直線的且受到一個往復移動。

在此範例中，熱產生器1的移動部件是與中心軸線A同軸，而且可以藉由相同內側及中心的致動器或任何等效機構所驅動。在具有較小直徑的熱產生器中，可以藉由從外側驅動移動部件，使得致動凸輪70與磁性排列30位於磁熱元件2的外側，而顛倒此結構。為了說明熱慣性與液壓慣性，可以相對於磁性排列30的移動而在角度上改變活塞40的移動。

熱產生器1的操作包含控制磁性排列30與致動凸輪70的同時與同步移動，以便根據是否該等磁熱元件2受到磁場與否，而使熱模組10內部的熱傳流體同時在相反方向上在熱交換室5與冷交換室6之間產生交替移動。在相同熱模組10內的熱傳流體之交替移動能夠增加該產生器兩端上所放置的熱交換室5與冷交換室6之間的溫度梯度。這些交換室5、6內被設計可以將產生器所產生的熱量與冷量藉由傳導或熱交換器(未顯示)的方式傳送至外部巡迴路線(加熱、空調、回火等系統)。在未顯示的另一實施例中，熱交換室與冷交換室各連接至一個外部巡迴路線，此外部巡迴路線與一裝置裝配在一起。此裝置只有在交換室內側到達預定溫度之後才允許產生熱交換，此裝置可以是一個熱靈敏性或經控制的停止閥。由於只能在產生器已經到達預定的穩定狀態時才可以產生熱交換，所以這樣的裝置能夠使產生器更快速地運轉。

較佳地，所使用的熱傳流體是液體，可以調整此熱傳流體之化學組成以適用於想要的溫度範圍，以便達到最佳的熱交換。因此，流體可以是液體、氣體或同時具有兩個相位。假如是液體的化，例如純水可用於零度以上的溫度，而具有防凍劑(例如：乙二醇為主的產品或濃鹽水)的水則用於零度以下的溫度。

本發明的最佳實施例

圖9至11顯示一熱產生器100，其包含多個熱模組10、11、12、13。這些熱模組類似於先前提到的熱模組，且被堆疊起來而形成幾個可能相等或不等的熱階段。這些熱模組10、11、12、13係利用中間室8而成對地組裝在一起。在此種階段性的結構中，如上述圖形所示。可以共用兩個相鄰熱模組10至13的活塞，如此一來，可簡化並降低產生器的成本以及整體尺寸。因此，致動凸輪70也被共用且位於中間室8內。如圖所示，這些中間室8可以是連接起來的，或者是緊貼氣密的。當這些中間室是連接起來的時候，當熱傳流體從一個熱模組經由活塞40的護套42中之開口43而到另一個熱模組時，這些中間室可允許熱傳流體在兩個連續的熱階段之間混合。這樣的熱混合有助於增加從一個熱階段到另一個熱階段之間的熱梯度，因而可增加該產生器兩端處的熱交換室5與冷交換室6之間的溫度梯度。

在另一個未顯示的實施例中，這些中間室8可以是緊貼氣密的。在此情形下，熱傳流體僅能透過磁熱元件2而從一個熱階段到另一個熱階段。

圖形所顯示的此種階段性結構當然也可以延伸至具有直線型結構的熱模組10至13上。熱模組10至13的數量並未限制，且可以根據實際的應用情形而決定。

產業利用性

形成本發明熱產生器1、100的所有部件均能利用可複製的工業製程而大量生產。除了磁熱元件2與磁性裝置3之外，所有的部件均可以由熱絕緣材質製成、模製成型、射出成型、或類似方式而製成。可以利用任何適當的密封方式與任何適當的已知固定方式，將熱模組10至13以及熱交換室5、6組裝在一起。運用小巧可堆疊且經標準化的熱模組10至13而製造出熱產生器1、100，能夠符合成本效益且能滿足廣泛的應用情形，不論是工業用途或家庭用途均可。同時，對於空間的要求很有限，而且就此種產生器的發熱值來說，本發明的效能程度是先前技術所無法比擬的。

本發明並未侷限於上述實施例的範例而已。而且，對於熟知此項技術者來說，在不背離本發明申請專利範圍所界定之保護範圍的前提下，仍可以產生出許多修改與變化。

1‧‧‧熱產生器

2‧‧‧磁熱元件

3‧‧‧磁性裝置

4‧‧‧循環機構

5‧‧‧熱交換室

6‧‧‧冷交換室

7‧‧‧驅動機構

8‧‧‧中間室

10‧‧‧熱模組

11‧‧‧熱模組

12‧‧‧熱模組

13‧‧‧熱模組

20‧‧‧支架

21‧‧‧外殼

30‧‧‧磁性排列

31‧‧‧場關閉裝置

32‧‧‧永久磁鐵

33‧‧‧鐵芯

40‧‧‧活塞

41‧‧‧外殼

42‧‧‧護套

43‧‧‧開口

70‧‧‧致動凸輪

71‧‧‧凸輪外形

100‧‧‧熱產生器

ZA‧‧‧化區

ZN‧‧‧磁化區

A‧‧‧心軸線

參考附圖以及上述兩個非限制性範例的較佳實施例中，可以更加清楚地了解本發明及其優點，其中：

圖1是本發明熱產生器的第一實施例之立體局部分解圖。

圖2是圖1的產生器之一部分的立體圖。

圖3是圖1的產生器之平面圖。

圖4是圖3的產生器之軸向剖面圖。

圖5至8分別是根據剖面V-V、VI-VI、VII-VII及VIII-VIII對圖3的產生器所作之徑向剖面圖。

圖9是本發明熱產生器的第二實施例之立體局部分解圖。

圖10是圖9的細部X之放大圖。

圖11是圖9的產生器之軸向剖面圖。