TWI438950B

TWI438950B - 磁熱產生器

Info

Publication number: TWI438950B
Application number: TW097145409A
Authority: TW
Inventors: Jean-Claude Heitzler; Christian Muller
Original assignee: Cooltech Applications
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2014-05-21
Also published as: CA2706504A1; TW200926468A; PL2223022T3; EP2223022A1; CN101889179A; CN101889179B; EP2223022B1; ES2367272T3; FR2924489B1; CA2706504C; AR069457A1; JP5449186B2; US20100300118A1; ATE511623T1; WO2009098391A1; US8418476B2; KR101579328B1; FR2924489A1; HK1150652A1; BRPI0820547A2

Description

磁熱產生器

本發明係關於一種磁熱產生器，包含：至少一個熱平台(thermal stage)，該熱平台係與多個主動元件裝配在一起，該等主動元件係由磁熱材質所製成且被配置於一條中心軸線周圍；一磁性排列，係被一驅動軸所支撐且該驅動軸係藉由一致動器而在該中心軸線周圍旋轉，該磁性排列被配置成能夠使該等主動元件受到磁場變化；至少一熱傳流體，係容納於該產生器內且被推擠機構推擠而通過該等主動元件；至少一個所謂的冷交換室與一個所謂的熱交換室，該等交換室被設計成分別連結到外部利用迴路，該產生器亦包含用於熱傳流體的強迫循環機構，其被連結至該驅動軸上，以便被該磁性排列的相同致動器所驅動。

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、磁熱材質所製成的主動元件的性能、熱傳流體與這些主動元件之間的熱交換表面、熱交換器的性能等。

本案申請人的一先前的專利申請案第FR 07/07612號係揭示一種磁熱產生器，其包含一個或多個熱模組，這些熱模組堆疊起來而形成一個或多個熱平台，各包含N個相鄰由磁熱材質所製成的主動元件，這些主動元件圍繞著一條中心軸線配置成圓形，且受到磁場變化致使能夠改變其溫度。這些主動元件係與N個活塞結合在一起，藉由一致動凸輪使活塞受到往復移動，藉此同時以兩個相反的方向推擠熱模組內所含的熱傳流體，致使熱傳流體的第一部分被推擠通過受到加熱循環過程的主動元件而朝向一個所謂的熱交換室，熱傳流體的第二部分被推擠通過受到冷卻循環過程的主動元件而朝向一個冷交換室，及相反地。因此，可以獲得N個同時且並聯操作的迷你或微型熱產生器，藉此使得主動元件與熱傳流體之間的熱交換表面乘上N倍，因而增加了這類產生器的發熱功率(calorific power)。而且，由於熱傳流體在兩個循環方向上運動，所以能夠同時收集受到磁場增加(加熱循環過程)的主動元件所產生的卡路里，以及受到磁場減少(冷卻循環過程)的主動元件所產生的負千卡(frigory)，而不會有閒置的時間或損失的循環過程，因此，能夠以最理想的方式利用每個磁性循環過程。

此外，已知有其他的磁熱產生器，其中藉由雙重外部泵或兩個外部泵而使熱傳流體強迫循環，這些泵係被插入於產生器與外部迴路之間，此外部迴路特別顯著地含有熱交換器。其中一個範例係揭示本案申請人所申請的專利公告第WO 2005/0430052號案。在此種產生器中，泵屬於已知類型的泵，且必須被提供電力(特別是電流)才能夠操作，如此一來，對於產生器的整個能量效率來說極為不利。為了防止此項缺點的發生，專利公告第FR 2 875 895號提出將熱傳流體的循環泵連結至產生器的驅動機構上。

本發明之目的是要增進磁熱產生器的效率，以便增加其發熱功率與經濟利益，同時還保留其模組化的型態，如此一來便可以輕易根據指定的規格而建構成工業用途與家庭用途的部件。

為了此目的，本發明係關於一種在前言中所提及的磁熱產生器，其特徵在於：該強迫循環機構係被整合於該產生器的內部體積中。

由於此種結構之緣故，產生器與確保流體在產生器內混合的強迫循環機構裝配在一起，如此能允許被推擠通過主動元件的流體獲得徹底的更新。而且，這些強迫循環機構是被單一致動器所啟動。如此能夠增加產生器的發熱功率而不會不利於其能量效率。

在推擠機構包含至少一個活塞的情形中，此活塞係被配置成用於推擠熱傳流體通過主動元件，且受到至少一個與該驅動軸旋轉結合的凸輪之驅動而產生往復移動。該強迫循環機構可以包含至少一活塞泵，其具有至少一個中心活塞，此中心活塞係被該驅動軸自由支撐且被該凸輪驅動而產生往復移動。在此情形中，凸輪可以與一個內冠齒輪裝配在一起，該內冠齒輪係藉由一行星齒輪系而旋轉結合至該驅動軸上。

強迫循環機構也可以包含多個小行星齒輪，這些小行星齒輪係被配置於中心軸線周圍而被產生器的本體所支撐，並且與凸輪結合成一體的一內冠齒輪相嚙合。而且，強迫循環機構還包含流體通道，使得每個小行星齒輪形成一個迷你的齒輪泵。此外，強迫循環機構可以包含至少一個連結至該驅動軸的渦輪。

在另一個實施例，強迫循環機構可以包含至少一行星齒輪，此行星齒輪與該驅動軸結合成一體的一個驅動齒輪相嚙合，且與一個泵外殼結合在一起。此泵外殼係與熱傳流體循環用的溝渠裝配在一起，使得與該泵外殼結合在一起的該行星齒輪形成一齒輪泵。

在另一個替代實施例中，該強迫循環機構可以同時形成該推擠機構。

在此情形中，該強迫循環機構可以包含兩個總成，此兩個總成係被配置於該熱平台的任一側上且在角度上彼此偏移。各個總成包含多個行星齒輪，這些行星齒輪係圍繞著該中心軸線配置，與產生器本體結合成一體的一個內冠齒輪相嚙合，且各與形成迷你齒輪泵的一個齒輪之兩個齒狀輪子其中之一旋轉結合。該齒輪係被整合於藉由該驅動軸所旋轉驅動的一圈內。該等總成包含交叉的通道，這些通道能夠使流體在相關的熱或冷交換室與主動元件之間循環。

參考圖1與2，根據本發明的磁熱產生器1(以下稱之為「產生器1」)包括至少一熱平台10，此熱平台包含多個主動元件2。這些主動元件2是由磁熱材質所製成，且圍繞著一條中心軸線A而配置於一冠狀物中。而且，這些主動元件受到磁場變化，藉此根據卡諾循環而改變其溫度，並且在這些主動元件2中交替地產生加熱循環過程與冷卻循環過程。熱平台10的數量是根據產生器1的規格而決定的，且特別是根據想要的溫度梯度而決定，使得每個熱平台10能夠構成一個可以相互套疊與堆積的模組。磁場的變化例如是由主動元件2內側配置的磁性排列3之作用所產生。這些主動元件藉由一致動器而繞著中心軸線A旋轉，且與整圈主動元件2外側上配置的一個場關閉裝置(field closing device)4相結合。磁性排列3可以包含多個永久磁鐵或類似物，這些永久磁鐵是被一個在其他圖形中以中心軸線A作為象徵之驅動軸30所支撐(參考圖3與圖7至9)，且藉由任何已知類型的致動器(未顯示)而產生連續或非連續的旋轉，交替的或非交替的。

主動元件2可以許多不同的形式出現，比如說由單一部件或多個相鄰部件組合而成的一個冠狀物，具有幾何形狀的區段與否均可，且由具有穿孔或微穿孔的堅硬材質、多孔材質、粉末、結塊顆粒、軸向或徑向薄片等所製成。其原料可為單一磁熱材質或者多種不同磁熱材質的組合，並且可結合或並未結合其他導熱材質。

產生器1包含至少一熱傳流體，該熱傳流體被配置以收集在連續的加熱與冷卻循環過程期間主動元件2所產生的卡路里與負千卡，而且分別將這些卡路里與負千卡儲存於一個所謂的熱交換室5與一個所謂的冷交換室6內。這些熱交換室5與冷交換室6分別被設置於產生器1的熱端與冷端上，且被外蓋50、60所關閉。這些交換室5、6被設計成能夠透過例如連接到末端設備51、61上的熱交換器(未顯示)而交換外部利用迴路上所收集到的卡路里與負千卡。

特別參考圖2，產生器1在熱平台10的任一側上包含推擠機構7，用以推擠熱傳流體使其通過主動元件2。推擠機構7的形式為多個活塞70，這些活塞係位於主動元件2對面且藉由至少一凸輪71而被驅動產生往復移動。此凸輪71係與驅動軸結合成一體，且本身藉由用以控制磁性排列3的旋轉之致動器而繞著中心軸線A旋轉。在產生器1包含幾個熱平台10之情形中，推擠機構7可以是兩個連續的熱平台10所共用的。這些推擠機構7被覆蓋於一中空本體72內，此本體被配置成能夠特別透過堆積互補的公/母形狀(如圖1至3中的範例)而將其本身在一邊組裝於場關閉裝置4且另一邊組裝於外蓋50、60上。顯然地，可以考慮使用任何其他的組裝機構，不論是否具有一個外殼均可。在所顯示的範例中，O環或類似物(未顯示)被插入於每個部件之間，以確保此總成的緊密性，此緊密性係藉由繫桿11或類似物而保持繃緊且均勻地分佈於產生器1的周圍。在圖2所示的相同範例中，本體72是由兩個徑向組裝起來的半殼體所構成，藉此界定出用於活塞70的容室73以及內含熱傳流體的槽74。本體72亦包含多個軸承75，用以引導凸輪71旋轉。凸輪71包含一個例如具有正弦曲線的凸輪外形71a，此凸輪外形係在每個活塞70中的溝槽70a內側移動。

依據本發明前三個實施例的產生器1與先前技術之差異在於：它包含強迫循環的整合機構8a、8b、8c，這些機構被配置以根據產生器1是否包含一個或多個熱平台10，具有流體槽74互相連接與否，而對至少在流體槽74與活塞70的容室73內之熱傳流體產生強迫循環。

在所有實施例中，如同在圖2至12所示的範例一樣，強迫循環機構8a、8b、8c被設計成能夠整合到產生器1的內部體積中。在此情形下，這些機構在磁性排列3的驅動軸上移動，且被相同的致動器所驅動，如此一來可允許產生精巧的結構且利用單一電源供應。

這些強迫循環機構8a、8b、8c、180允許用以混合每個槽74中的熱傳流體，可根據所使用的機構類型而遵守迴路式循環過程或交替式循環過程，藉此在流體通過主動元件2之前後(也就是具有卡路里的該部分流體，及具有負千卡的該部分流體)加以混合，以便平衡每個槽74中的流體溫度且不斷地更新於容室73中被活塞70所推擠而通過主動元件2的流體，如此有助於在該主動元件2的輸入端與輸出端之間產生並維持一個溫度梯度，因此也可以同時增加兩個連續熱平台10之間的溫度梯度，以及產生器1的整個熱功率。

在圖2至4所示的第一實施例中，強迫循環機構8a包含一組小行星齒輪80，這些小行星齒輪係圍繞著中心軸線A而配置成圓圈且被本體72所支撐，而繞著一與該本體2結合成一體的軸B自由旋轉。為求清晰，簡化圖2的右半部且並未顯示小齒輪80，只有一個小齒輪80顯示於圖3中，且凸輪71並未顯示於圖4的細部放大圖中。這些齒輪80與一個冠齒輪81嚙合，此冠齒輪與凸輪71結合成一體且繞著中心軸線A旋轉。凸輪71的旋轉會導致冠齒輪81的旋轉，接著帶動操作如迷你齒輪泵的小齒輪80之旋轉，也就是說，透過其齒部而帶動槽74內的熱傳流體朝向活塞70與主動元件2，藉此驅動流體產生迴路循環。為達此目的，本體72對於每個小齒輪80界定出一個泵外殼84，並且具有通道、溝槽、開口、或類似物等形式的流體通道82(參考圖4)係位於本體72與凸輪71內。假如產生器1包含多個熱平台10的話，一旦容室73內的一條通道打開時，這些流體通道一方面立刻連接槽74與對應的交換室5、6或一個相鄰的槽74，而另一方面連接活塞70的容室73。較佳地，小齒輪80被配置於活塞70附近。因此，被推擠通過主動元件2的該部分熱傳流體能夠不斷地更新。強迫循環機構8a亦包含一中心渦輪83，此渦輪與凸輪71結合成一體且圍繞著中心軸線A旋轉，以便進一步增加槽74內的熱傳流體之混合。為達此目的，凸輪71包含通過在渦輪83的葉片附近之流體通道82，如此能允許熱傳流體循環通過渦輪83與凸輪71。在此實施例中，構成凸輪71的部件結合了如下的功能：使活塞70產生往復移動而推擠熱傳流體通過主動元件2；帶動小齒輪80以產生迷你齒輪泵，而強迫熱傳流體朝向活塞70與主動元件2循環；以及強迫熱傳流體在槽74內混合。顯然地，且取決於其他實施例而定，可以提出其他形式的凸輪71，其設有渦輪83或不設有渦輪，具有小齒輪80或不具有小齒輪。

在圖5與圖6所示的第二實施例中，強迫循環機構8b包含至少一個行星齒輪84，而在所顯示的範例中為三個行星齒輪84，此數量並未特別限制。這些行星齒輪係以相等距離或不等距離繞著中心軸線A配置且被本體72所支撐，而自由的繞著一與本體72結合成一體的軸C旋轉。這些齒輪84嚙合一驅動齒輪85(圖5中的參考線所示)，此驅動齒輪係與凸輪71結合成一體且繞著中心軸線A旋轉。該凸輪71的旋轉能帶動此驅動齒輪85的旋轉，接著依次帶動這些操作如迷你齒輪泵的行星齒輪84之旋轉，也就是說，透過其齒部而帶動槽74內的熱傳流體朝向活塞70與主動元件2，藉此驅動流體產生迴路循環。為達此目的，這些齒輪84係與一個安裝於本體72內的固定式泵外殼86相結合，此泵外殼具有使流體在每個齒輪84周圍循環的溝渠87，這些溝渠係連接到先前範例中所提及的凸輪71與本體72內之流體通道82。此泵外殼86亦包含通過流體通道88，以便使熱傳流體循環通過此泵外殼86與凸輪71。在此實施例中，驅動齒輪85亦扮演如先前範例中的渦輪83之角色，也就是說，它能夠增進熱傳流體在槽74內之混合。

在圖7至9所示的第三實施例中，強迫循環機構8c包含一中心活塞90，此中心活塞受到往復移動而產生出類似活塞泵的操作，且使流體產生交替循環。此中心活塞90被安裝於磁性排列3的驅動軸30上而可以自由地移動與旋轉。此驅動軸30支撐住一個齒狀輪子91，此齒狀輪子嚙合一個或多個齒輪92。這些齒輪係圍繞著中心軸線A以等距離或不等距離而配置成圓形且被本體72所支撐，而且能夠繞著一個與該本體72結合成一體的軸D自由旋轉。這些齒輪92與一個內冠齒輪93相嚙合，此內冠齒輪能夠使一凸輪94繞著中心軸線A旋轉。凸輪94具有與先前範例中的凸輪71一樣的功用，且包含相同種類的凸輪外形71a。此凸輪外形可在活塞70的溝槽70a內移動，用以使活塞產生往復移動而將熱傳流體推入主動元件2內。此凸輪94同時藉由一個從動指部95而確保中心活塞90的往復移動，該從動指部95是在中心活塞90的周圍內所在的一條凸輪路徑96上移動，此凸輪路徑96具有一大約正弦曲線的形狀(參考圖9)。中心活塞90的軸向衝程一方面被本體72所限制，而另一方面則是被齒狀輪子91所限制。如同在先前的範例一樣，流體通道82是位於本體72內，以允許熱傳流體在槽74與活塞70的容室73之間循環。

在圖10至12所示的第四實施例中，強迫循環機構180同時形成推擠機構。在此實施例中，強迫循環機構是由設置於熱平台10任一側上的兩個總成181所構成。圖11與圖12各顯示一個單一的總成181。另一個總成181是相同的，且相對於中心軸線A偏移了45度的角度。圖中所顯示的總成181包含四個齒輪185，這些齒輪係圍繞著中心軸線A配置，且被整合到一個由驅動軸30所旋轉的支架186中。每個齒輪185包含兩個齒狀輪子184與184’，且其中一個齒狀輪子184係牢牢地旋轉連接至一個與內冠齒輪183(其齒部並未顯示於圖形中)相嚙合的行星齒輪182上。此內冠齒輪183係與產生器1的本體72結合成一體，致使支架186的旋轉可帶動與該固定冠齒輪183的齒部相嚙合之行星齒輪182的旋轉，且同時帶動齒狀輪子184的旋轉及每個齒輪185相結合的齒狀輪子184’之旋轉。因此，每個齒輪形成一泵，用以驅動流體朝向熱平台10。

為達此目的，熱傳流體通道係位於此總成181中。特別地，這些熱傳流體通道對於各齒輪185包含一個混合室187，該混合室187係被製作於支架186的最厚部位中，且流體式地連接至對應的齒輪185與有關的熱交換室5或冷交換室6。而且，還包含在齒輪185之間在支架186的徑向表面之高度上所製作的凹痕188(參考圖11)。支架186被配置成在角度上偏移了45度，致使當他們繞著中心軸線A旋轉時，每個主動元件2被定位成正對著單一齒輪185。因此，位於熱交換室5的高度上之一個齒輪185所推擠而通過主動元件2之熱傳流體會暴露於冷交換室6該側上的一個凹痕188中，且到達冷交換室6內而在該處與此冷交換室6內早就存在的流體相混合。然後，此熱傳流體一部分被齒輪185抽取到其混合室187內且被推擠出去朝向主動元件2以及熱交換室5。在此第四實施例中，總成181的角度偏移能允許避免活塞之使用，當支架186旋轉時，熱傳流體能夠同時被在主動元件2前方移動的這些齒輪185推擠與混合。

當產生器包含多個活塞70時，此產生器1的操作在於：藉由單一致動器(未顯示)而帶動磁性排列3的旋轉，以便在主動元件2內產生加熱循環過程與冷卻循環過程；帶動凸輪71旋轉而使活塞70往復移動，以便推擠熱傳流體通過該等主動元件2；帶動強迫循環機構8a至8c的旋轉，以便混合槽74中的熱傳流體且將此流體置於強迫循環，藉此使每個熱平台10之間的流體溫度達到均勻。當產生器1並未包含活塞時，此產生器1的操作在於：藉由單一致動器(未顯示)而帶動磁性排列3的旋轉，以便在主動元件2內產生加熱循環過程與冷卻循環過程；以及帶動該角度上偏移的支架186之旋轉而引起齒輪185旋轉，以便推擠熱傳流體通過該等主動元件2，藉此將熱傳流體在混合室187內混合且將此流體置於強迫循環，以便使每個熱平台10之間的流體溫度達到均勻。

因此，堆積多個熱平台10能允許兩端上所放置的熱交換室5與冷交換室6之間的溫度梯度產生一連串增加，且被設計成致使所收集到的卡路里與負千卡能夠藉由傳導方式或透過一個熱交換器(未顯示)而傳遞到外部利用迴路(加熱、空調、回火等)。

較佳地，所使用的熱傳流體是液體，該熱傳流體具有一化學組成，可以調整此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。假如是液體的話，例如純水可用於零度以上的溫度，以及具有防凍劑(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。

產業利用性

形成本發明熱產生器1的所有部件均能利用可複製的工業製程而大量生產。除了主動元件2與磁性機構3、4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裝配方式(例如：繫桿11)(參考圖1)，將多個熱平台10組裝在一起。產生器1之製造可具有小巧可堆疊且經標準化的熱平台10，使其能滿足廣泛的應用情形，工業用途或家庭用途兩者，能符合成本效益。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。而是，對於熟知此項技術者來說，在不背離如本發明所附申請專利範圍所界定之保護範圍下，仍可以延伸至許多修改與變化。

1．．．產生器

2．．．主動元件

3．．．磁性排列

4．．．場關閉裝置

5．．．熱交換室

6．．．冷交換室

7．．．推擠機構

8a．．．強迫循環機構

8b．．．強迫循環機構

8c．．．強迫循環機構

10．．．熱平台

11．．．繫桿

30．．．驅動軸

50．．．外蓋

51．．．末端設備

60．．．外蓋

61．．．末端設備

70．．．活塞

70a．．．溝槽

71．．．凸輪

71a．．．凸輪外形

72．．．本體

73．．．容室

74．．．槽

75．．．軸承

80．．．小行星齒輪

81．．．冠齒輪

82．．．流體通道

83．．．中心渦輪

84．．．泵外殼/行星齒輪

85．．．驅動齒輪

86．．．泵外殼

87．．．溝渠

88．．．流體通道

90．．．中心活塞

91．．．齒狀輪子

92．．．齒輪

93．．．內冠齒輪

94．．．凸輪

95．．．從動指部

96．．．凸輪路徑

180．．．強迫循環機構

181．．．總成

182．．．行星齒輪

183．．．內冠齒輪

184．．．齒狀輪子

184’．．．齒狀輪子

185．．．齒輪

186．．．支架

187．．．混合室

188．．．凹痕

A．．．中心軸線

B．．．軸

C．．．軸

D．．．軸

從以下參考附圖以及兩個非限制性範例的實施例之敘述中，可以更加清楚地了解本發明及其優點，其中

圖1是根據本發明具有一個熱平台的磁熱產生器之立體圖。

圖2是圖1的產生器之軸向剖面圖。

圖3是圖1的產生器之熱傳流體的強迫循環機構之第一實施例的局部立體圖。

圖4是圖3的詳細放大圖。

圖5是熱傳流體的強迫循環機構之第二實施例的局部立體圖。

圖6是形成圖5的強迫循環機構之一部分的泵外殼之立體圖。

圖7是熱傳流體的強迫循環機構之第三實施例的局部剖面立體圖。

圖8是圖7的平面圖。

圖9是沿著圖8中直線IX-IX的軸向剖面圖。

圖10是圖1的產生器結合熱傳流體的強迫循環機構之第四實施例的軸向剖面圖。

圖11是圖10的產生器之簡化局部剖面立體圖。

圖12是圖10的產生器之局部分解圖。