TWI243884B - Reciprocating and rotary magnetic refrigeration apparatus - Google Patents

Description

1243884 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關一種磁致冷裝置，特別是一種透過重 新配置磁熱材料及加磁/離磁機構，採用反覆旋動之R、 父替地對磁熱材料進行加磁和離磁之操作，再輔以供磁$ 路與熱傳單元之設計，以發揮磁熱效應的反覆旋動 冷裝置。 【先前技術】 西元-八八-年Warburg發現磁熱效應，即特定材料 於進入磁場時將產生顥著之溫升現象，而於離開磁場時， 溫度亦會有回降之現象；自此引領人類在電磁與熱的反應 動作間產生一種結合應用的思考；然而磁熱效應展現在磁 場生成之方式以及磁熱材料的選用機構的設計等，都對於 應用的標的具有極大差異，μ以磁致冷機磁冷;東應用最 而已知的相關技術及其研究包括有：1990年發給 Munk等人的美國專利第4,916，術？虎，其中揭露了一種以永 磁體搭配電供磁之供磁單元’但是其在磁致冷機上的結： 運用則未見完整且明確的應用方案。另外在美國專利第 6,526,75”虎之中揭露了一種完整的有關磁致冷機的設計， 其主要是以熱管路配合熱點之差異，並以旋轉的方式運 作，以=成熱循環。另外在美國專利第4，1〇7,935號的技術 中也揭露了 一種使用旋轉型磁性材料的致冷機，其主要是 將工作流體利用幫浦循環地推送經過—個特殊設計的旋轉 1243884 髮磁熱裝置’這個旋轉型磁敎步罟 熟衣置内载有磁熱材料並且在 一強磁區與—弱磁區間不斷地作單方向旋轉，而工作流體 則被送入這個旋轉型磁埶裝詈内μ …、农置内叹叶複雜的流路與磁熱材 料進行熱交換，而達到磁致冷之目的。 在相關的磁熱效應研究中’尤以磁場強度與磁場控 制為需要投入研究的領域，而 & 只飞而以水磁體作為供磁來源已漸 取代以超導（super-conducted)#料供磁的設計，因宜可巧化低 溫動作環境之需求，但就目前的永磁體材料而言，其供磁 強度多小於UTesla ’因此對於多數磁制冷機之應用而言， 其磁熱效應實顯不足。 【發明内容】 本發明的主要目的在提供—種反覆旋動式磁致冷裝 置，特別疋-種在反覆旋動的過程中對磁熱材料進行加磁 和離磁操作的磁致冷裝置。 本發明的具體解〉灰fΛ 解夹方案，乃結合旋轉型電動機的概 心以磁路的生成與否作為反覆旋轉運動的主要作法；主 要係將磁熱材料配置以子凸極的位置並輔以供磁線圈， 透過對任兩個㈣之供磁_交替地供給電流的控制方 式’對磁熱材料進行加磁與離磁的操作，透過磁熱材料之 溫度與磁熵的變化以產生磁熱效應’再藉由熱傳單元的熱 傳作用促使磁熱材料與外界達到熱交換與致冷的效果。 本發明的另—目的’在提供—種能夠利用永磁體來 強化磁場供給能力的磁致冷裝置。 本發明係分別在定子及轉子内置有永磁體，再透過 1243884 對任兩個相鄰之供磁線圈交替地供給電流的控制方式，產 生類似旋轉電動冑之磁阻和電磁轉矩效應纟吸引轉子反覆 轉動’藉由内置於定子和轉子内的永磁體，以及圍繞著磁 熱材料的供磁線圈所共同形成的磁路’而達到增強對磁熱 材料進行加磁與離磁操作的磁場強度。 關於本發明的技術内容及較佳實施例，茲配合圖式 說明如下。 【貫施方式】 首先請參閱「第1圖」，本發明所提出的反覆旋動 式磁致冷裝置，包含有： 一轉子10，置於反覆旋動式磁致冷裝置的中心位 置，其内埋有一永磁體11其具有兩個磁極N，s，且可自 由轉動； 一定子20，為一種環形元件，環繞於轉子1〇的外 圍，在這個定子20内佈置有永磁體21，從圖中可以看見永 磁體21具有n，S兩個磁極； 複數個定子凸極1〜8 ，其總數為偶數它們被配置於 疋子20之内圓周的等分圓周位置，在其表面皆配置有磁熱 材料30 ; 供磁線圈40 ’圍繞著定子凸極1〜8 ，透過對任兩個 相鄰之供磁線圈40交替地供給電流的控制方式，產生類似 旋轉電動機之磁阻和電磁轉矩效應吸引轉子1〇反覆的旋 轉藉由轉子10之永磁體11與供磁線圈40的電磁場形成一 磁路流通的與否，對磁熱材料3〇進行加磁與離磁的操作， 1243884 促使磁熱材料30的溫度與磁熵產生變化；以及 熱傳單元’包含與磁熱材料30有熱接觸的第一熱 導管51與第二熱導管52，藉由第一，二熱導管51，％的熱 傳作用促使磁熱材料30與外界進行熱交換與致冷運作。 關於配置於定子凸極1〜8之表面的磁熱材料己有 許多種類已被揭露，例如Dy3Ga5〇12，DyAl5〇l2，EuS ，

Tb-Gd ，以及Er(NiC0)2等等，而本發明將採用傳統首用於 產生磁熱效應的稀土金屬Gd (gad〇linium)為較佳的實施例。 在轉子10和定子20内設置永磁體u，21的作用是用 以增加對磁熱材料30加磁時的磁場強度，在本發明的實施 例中，内置於轉子10之永磁體Η的幾何形狀係採類似馬蹄 型的没計’其幾何尺寸則配合定子凸極丨〜8的位置設計， 當圍繞定子凸極1〜8的任兩個相鄰之供磁線圈4〇交替地被 供給電流而生成電磁場，就會產生類似旋轉電動機之磁阻 和電磁轉矩效應來吸引内置於轉子1〇之中的永磁體η，進 而驅使轉子10反覆的轉動，藉由内置於轉子1〇和定子2〇之 内的永磁體η，2丨以及圍繞著磁熱材料3〇的供磁線圈4〇所 共同形成的磁路，除了可以對磁熱材料3〇進行加磁作用， 還可以增強對磁熱材料30進行加磁操作的磁場強度。 在圖中所顯示的較佳實施例中，定子凸極丨〜8共有 8個，而内埋於轉子10之内的馬蹄型的永磁體則為兩個η 和11，，任何一個馬蹄型的永磁體丨丨或u，均具有兩個永 久型的磁極ΠΑ,ΠΒ或12A，，12B，因此共有4個永久型的磁 極12A，12B，12A’，12B’，透過對永磁體u之幾合形狀的設計， 1243884 使得任一個永磁體11之兩個永久型的磁極12A，12B將同時 正對於任兩個彼此最接近但不相鄰的定子凸極（如定子凸 極1，3) ’因此在同一時刻，兩個永磁體u和u，的4個永 久型的磁極12A，12B，12A，，12B，，將會分別與圍繞著四個定子 凸極（如定子凸極1，3,5,7)之供磁線圈4〇所產生的電磁場互 相吸引，藉由造成磁路的流通而對設置在定子凸極 表面的磁熱材料30進行加磁操作；依據此一原則，定子凸 極的總數為偶數個，而内埋於轉子10之内的永磁體u的永 久型的磁極的總數則為定子凸極之總數的一半，例如，當 内埋於轉子10之内的永磁體(以3個，而永久型的磁極的 總數為6個時，定子凸極之總數便應為i 2個，餘此類 推。 為了加強磁路的流通，在定子凸極丨〜8正對著馬蹄 型永磁體11或11，之永久型磁極12A，12B或12八，，128，的一 端，更可以增設一種磁通鏈聚導材料體60(fluxconce此， 如圖中所示，這個磁通鏈聚導材料體60的尺寸可以大於定 子凸極1〜8之一端的尺寸，並且與永磁體丨丨或u，的永久 型磁極12A，12B或12A’，12B，的尺寸相當，以增加其磁感應 的能力。 有關轉子10反覆旋轉的動作方式，及其如何在反覆 旋動的過程中利用磁熱效應達到致冷之功效，茲以「第 2A〜2B圖」的動作作-說明；「以圖」的情形下，馬蹄 型之永磁體11和11’的四個永久型磁極12A，12B，12a，，i2b，* 別正對著定子凸極2,4,6,8 ，此時對圍繞著定子凸極丨，3,5,7 10 1243884 的供磁線圈40供給電流（圖中有供仏 、、。電流的供磁線圈40以 …、色表不，未供給電流的供磁線圈4〇則為白色）而產生— 電磁場’藉此吸引馬蹄型永磁體11#σ „，依照圖中箭頭： -的方向（順時鐘的方向）轉動，此時設置於定子凸極 U，5,7之表面的磁熱材料3〇便因加磁的操作而升高其溫 度，產生放熱的效應。 ^ Μ 你 弟圖」日寻 、 —、J w的令 磁線圈40供給電流而產生一電磁場’藉此吸引馬蹄型“ 體η和η，依照圖中箭頭所示的方向（逆時鐘的方向" 動’此時設置於定子凸極2,4,6,8之表面的磁熱材料3〇便巨 加：的操作而升高其溫度’產生放熱的效果；反之，對g 繞著定子凸極1’3’5,7的供磁線圈4G則停止供給電流，造居 。又置於疋子凸極1，3,5,7之表面的磁熱材料3()因為離磁則 而產生降溫的現象，產生吸熱之效應。 、 如此透過對設置在任兩個相鄰之定子凸極（ι，3,5,7或 2,4’6,8)表面之磁熱材料3{)的加磁與離磁操作，即可促使磁 熱材料30產生放熱與吸熱的磁熱效應，即可透過與磁熱材 料3〇有熱接觸的第-熱導管51與第二熱導管52，促使磁熱 材料30與外界進行熱交換並達致冷的效果。 熱傳單7L·的作用在促使磁熱材料3〇與外界達到熱交 換與致冷的效果，其中的第一熱導管51與第二熱導管义係 為一種虹吸式的微熱管結構，它們皆有部份長度分別被貼 附於定子凸極1〜8之兩側的磁熱材料3〇的表面（如「第i 圖」所不），而另一部份則延伸至反覆旋動式磁致冷裝置 1243884 p 9弟一’二熱導管51，52的熱傳作用促使磁熱材 料30與外界進行熱交換與致冷運作。

如第3圖」所示，第一熱導管51與第二熱導管52 、車佳貫％例係採父又式配置，並且使用一個流路控制間 53(如4/2位閥）來進行熱傳遞流路的切換，亦即是第一熱 導笞51與第一熱導管52係分別對任二相鄰之定子凸極 (1，3,5,7或2,4,6,8)表面的磁熱材料3〇提供熱傳遞的服務，可 參照第1圖」所示，第一熱導管51係對編號第my之 定子凸極之表面的磁熱材料3〇提供熱傳遞的服務，而第二 熱導管52則對編號第2,4,6,8之定子凸極之表面的磁熱材料 30提供熱傳遞的服務；流路控制閥53 一侧的第一、第二接 口 531，532分別與第一熱導管51和第二熱導管％連接，而流 路控制閥53另一側的第三、第四接口 533,534則分別與一吸 熱器54及一排熱器55連接，而這兩個吸熱器％和排熱器％ 基本上也是一種虹吸式的微熱管結構，其不同處僅在於具 有較大於第一熱導管51和第二熱導管52的熱傳面積，其中 排熱器55係用以傳遞熱流（即對磁熱材料3〇吸熱而將之產 生的熱排出至室外），而另一個吸熱器54則用以傳遞冷流 (亦即是對外界吸熱並且將熱傳導至因為離磁而降溫的磁 熱材料30，以達到對外界吸熱降溫的致冷效果），所以配 合反覆旋動式磁致冷裝置的反覆旋轉運動，再透過切換流 路控制閥53的流路位置就可以藉由第一熱導管51或第二熱 導管52將反覆旋動式磁致冷裝置之磁熱材料3〇所產生的熱 送至排熱器55釋出，反之亦可以在反覆旋動式磁致冷裝置 12 1243884 之磁熱材料30降溫時，將設於外界（如冷房）之吸熱器54 所吸收的熱透過第一熱導管51或第二熱導管52送至相對底 溫下的磁熱材料30 ’進行吸熱致冷的操作。 填充於第一，二熱導管51，52内的工作流體，一般而 · a係以氣液混合型為主，但不限僅限於此，另外如純氣 · 態、純液態或是nitrogen、或是helium等亦為可行之選擇。 綜上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用來 限定本發明之實施範圍。即凡依本發明申請專利範圍之内 容所為的等效變化與修飾，皆應為本發明之技術範疇。 · 【圖式簡單說明】 第1圖，為本發明的平面構造圖。 第2A〜2B圖’為本發明的運作 ，— r狀〜、圖顯不加磁離磁接从 過程中轉子的運動情形。 ” 第3圖’為熱傳單元的較佳實施例配置圖。 【圖式符號說明】 1〜8...... 10 · · · ·…. 11，11，，21 · · · · 12A，12B，12A’，12B，. 20 . 30 ····... 40 ·.···· · • ••定子凸極 • · ·轉子 • · ••永磁體 永久型的磁極 • ••定子 • · ·磁熱材料 • . ·供磁線圈 13 1243884 51 ................第一熱導管 52 ................第二熱導管 53 ................流路控制閥 531,532 ............第一、第二接口 533,534 ............第三、第四接口 54 ................吸熱器 55 ................排熱器 60................磁通鏈聚導材料體 (flux concentrator)

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Claims (1)

1243884 拾、申請專利範圍： 】· -種反覆旋動式磁致冷裝置，以反覆旋轉地運動 磁熱材料進行加磁與離磁的操作，其包括有： χ、對 一轉子’係可自由轉動，該轉子置於反覆旋 致冷裝置的中心位置，其内埋有永磁體； 一定子，為一環形元件，環繞於該轉子的外圍，发-内置有一永磁體； ” 複數個定子凸極，其總數為偶數個，分別配置於該 定子之内圓周的等分位置，其表面配置有一磁熱材料了 # 供磁線圈，係圍繞著該定子凸極，透過對任兩個相 鄰之該供磁線圈交替地供給電流，並產生磁阻和電磁轉 矩，以吸引該轉子反覆的旋轉’且藉由該轉子之永磁體 與該供磁線圈的電磁形成一磁路流通的與否，對該磁熱 材料進行加磁與離磁的操作，促使該磁熱材料的溫度與 磁熵產生變化；以及 一熱傳單元，係用以將上述產生的熱能帶走。 鲁 2.如申#專利範圍第1項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該轉子内埋的該永磁體的永久型磁極的總數為該定 子凸極之總數的一半。 3·如申請專利範圍第1項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該轉子内埋的該永磁體係為馬蹄型的永磁體。 4·如申請專利範圍第1項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該定子凸極正對著内埋於該轉子内之永磁體的永久 型磁極的一端，更設有一磁通鏈聚導材料體。 15 1243884 5·如中請專利範^ 1項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該磁熱材料係為稀土金屬叫㈣翻㈣。 6.如申請專利範圍第！項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其^中4熱傳早疋包含實質上與該磁熱材料接觸的第一熱 導官與第二熱導管及一流路控制閥，藉由熱導管的熱傳 作用促使磁熱材料與外界進行熱交換與致冷運作。’、 7· -種反覆旋動式磁致冷裝置’透過對磁熱材料進行加磁 與離磁操作的方式產生致冷的作用，其包括有： 一轉子，係可自由轉動，該轉子置於反覆旋動式磁修 致冷裝置的中心位置，其内埋有永磁體； 一定子，為一環形元件，環繞於該轉子的外圍，其 内置有一永磁體； 複數個定子凸極，其總數為偶數個，分別配置於該 定子之内圓周的等分位置，其表面配置有一磁熱材料； 供磁線圈，係圍繞著該定子凸極，透過對任兩個相 鄰之該供磁線圈交替地供給電流，並產生磁阻和電磁轉 _ 矩，以吸引該轉子反覆的旋轉，且藉由該轉子之永磁體 與該供磁線圈的電磁形成一磁路流通的與否，對該磁熱 材料進行加磁與離磁的操作，促使該磁熱材料的溫度與 磁熵產生變化；以及 一熱傳單元，係用以將上述產生的熱能帶走。 8·如申請專利範圍第7項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中A轉子内埋的該永磁體的永久型磁極的總數為該定 子凸極之總數的一半。 16 1243884 9·如申請專利範圍第7項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該轉子内埋的該永磁體係為馬蹄型的永磁體。 10. 如申請專利範圍第7項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該定子凸極正對著内埋於該轉子内之永磁體的永久 型磁極的一端，更設有一磁通鏈聚導材料體。 11. 如申請專利範圍第7項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 八中β亥磁熱材料係為稀土金屬Gd (gadolinium)。 12·如申請專利範圍第7項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該熱傳單元包含實質上與該磁熱材料接觸的第一熱 導^與第二熱導管，藉由熱導管的熱傳作用促使磁熱材 料與外界進行熱交換與致冷運作。 •汝申明專利範圍第12項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該第一熱導管與第二熱導管係為一種虹吸式的微熱 管結構。 如申明專利範圍第12項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該第-力導管與第二熱導管皆有部份長度分別被貼 附於該定子凸極之兩側的磁熱材料的表面，而另一部份 則延伸至反覆旋動式磁致冷裝置的外部。 15.如申請專利範圍第14項戶斤述之反覆旋動式磁致冷裝置， -中孩第#導管與該第二熱導管係採交叉式配置，且 包括有-流路控制閥用以進行熱傳遞流路的切換，亦即 :該第-熱導管與該第二熱導管係分別對任二相鄰之該 定子凸極表面的該磁熱材料，用以進行埶傳遞。 Μ•如申請專利範圍第15項所述之反覆旋動:;磁致冷裝置， 17 1243884 ”中更包含有一吸熱器及_排熱器，該流路控制閥之一 側具有-第—、第二接口分別與該第一熱導管和該第二 熱導管連接，該流路控制闕之另一側則具有一第三、第 四接口則分別與該吸熱器及該排熱器連接。 17.如申請專利範圍第16項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該排熱器係用以對該磁熱材料吸熱而將之產生的熱 排出至室外，而該吸熱器則用以對外界吸熱並且將熱傳 導至因為離磁而降溫的該磁熱材料。 如申請專利範圍第16項所述之反覆旋動式磁致冷裝置， 其中該吸熱器和該排熱器是一種虹吸式的微熱管結構，

18 且具有大於該第一熱導管與該第二熱導管的熱傳面積

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