磁熱交換單元的製作方法
2023-07-20 11:21:51 1
專利名稱：磁熱交換單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁熱交換單元，特別涉及關於一種具有創新流道結構的磁熱交換單元。
背景技術：
磁致冷被視為具有高效率、對環境友善的冷卻技術。磁致冷技術主要是利用磁熱材料(Magnetocaloric material, MCM)的磁卡效應(Magnetocaloric Effect)實現冷卻循環。詳而言之，磁致冷藉由下列步驟加以實現(I)施加一磁場至磁熱材料，並施加外部磁通量以加熱磁熱材料；(2)當磁場維持一定時,施加一冷卻劑以帶離磁熱材料所產生的熱；(3) —旦磁熱材料溫度大幅降低後，移除或大幅減低磁場，並停止冷卻劑的供應；以及(4)受磁熱材料具有磁卡效應的特性所致，磁熱材料進一步冷卻至更低的溫度，並藉由一工作流體帶走磁熱材料所產生的冷能。日本專利公開號JP 2009524796揭露一種磁熱交換單元。此磁熱交換單元具有一殼體以及多個設置於該殼體當中的磁熱材料。磁熱材料以隔板的形式連結，使多個流道形成於其間。當該磁熱交換單元運作時，一熱傳導媒介流過該些流道以交換磁熱材料所產生的熱。世界專利公開號WO 2009024412則揭露利用一種弧形的磁熱座作為磁熱交換單元，其中多個鰭狀板設置於該磁熱座上，以形成多個定義於相鄰二個鰭狀板之間的流道。熱交換劑送入該流道並流動於其中，並與磁熱座產生的熱進行熱交換。然而，在上述專利中，沿著熱交換劑流動的方向上，熱交換劑與磁熱材料間的溫度差異將逐漸降低，導致熱交換效率降低。另外，由於設置於流道出口的磁熱材料無法進行較好的冷卻循環，造成磁熱材料的浪費。如此將大幅增加成本，並阻礙產品的經濟考量。
發明內容
為了克服上述磁熱材料的缺點，本發明發現影響磁致冷卻效率的一個重要因素即在於磁熱材料與熱傳導媒介之間的熱交換效率。有鑑於此，本發明提出一個創新的流道設計，使磁熱交換單元的熱交換效率可以有效維持，並且提升磁熱材料與熱傳導媒介之間的熱交換效率。為了達到上述目的，本發明提出一種磁熱交換單元，包括磁熱材料以及至少一流道。流道形成於磁熱材料當中，且流道具有一流體入口以及一流體出口。主要流動方向定義於流道入口以及流體出口之間，且流道的截面積在該主要流動方向上具有改變。本發明的另一目的在於提供一種磁熱交換單元包括一殼體、至少一熱交換元件以及至少一流道。熱交換元件包括磁熱材料並設置於殼體當中。流道由殼體以及熱交換元件所定義，且流道具有一流體入口以及一流體出口。主要流動方向定義於流體入口以及流體出口之間，且流道的截面積在該要主要流動方向具有改變。
本發明提出的流道其設計獨特之處在於流道由磁熱材料所構成，且流道的截面積可依據不同的磁熱材料的熱交換能力或者磁熱材料與熱傳導媒介之間不同的熱交換效率進行調整，藉此最佳化磁熱材料的選擇。又，藉由減少磁熱材料的使用，磁熱交換單元的生產成本可進一步降低。為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合附圖做詳細說明。
圖1顯示本發明的較佳實施例的一磁熱交換單元的示意圖；圖2顯示沿圖1的線段1-1所視的剖面圖；圖3顯示本發明的另一實施例的磁熱交換單元的剖面圖；圖4顯示本發明的另一實施例的磁熱交換單元的剖面圖；圖5A顯示沿圖4的線段2-2所視的剖面圖；圖5B顯示沿圖4的線段3-3所視的剖面圖；圖5C顯示沿圖4的線段4-4所視的剖面圖；圖6顯示本發明的又一實施例的磁熱交換單元的剖面圖；圖7A顯示沿圖6的線段5-5所視的剖面圖；圖7B顯示沿圖6的線段6-6所視的剖面圖；圖7C顯示沿圖6的線段7-7所視的剖面圖；圖8A顯示本發明的又一實施例的磁熱交換單元的剖面圖；圖8B顯示圖8A中區域72的放大剖面圖；圖9顯示本發明的又一實施例的磁熱交換單元的剖面圖；圖10-圖17顯示本發明的磁熱交換單元可能的實施型態的剖面圖；圖18顯示本發明的又一實施例的磁熱交換單元的剖面圖；以及圖19-圖24顯示本發明的殼體可能的實施型態的剖面圖。其中，附圖標記說明如下10 磁熱交換單元；12 開口(流體入口)；14 開口(流體出口)；16 磁熱材料；18 流道；22 磁熱交換單元；24 流道；26 磁熱材料；27 第一部分；28 第二部分；29 第三部分；30 磁熱交換單元；32、34、36 磁熱材料；
38、40 絕緣件；42 流道；44 磁熱交換單元；46、48、50 磁熱材料；52、54 絕緣件；56 流道；60 磁熱交換單元；62 殼體；64 開口(流體入口)；66 開口(流體出口)；68 熱交換元件；70 流道；72 區域；75、83 阻隔層；76、82 凹陷；78、81 突出；84 熱交換元件；90 磁熱交換單元；92 殼體；94 流道；Dm 主要流動方向；P1、P2 平面；Rl-Rll 半徑；T 厚度。。
具體實施例方式茲配合圖式說明本發明的較佳實施例。在以下說明中「截面積」表示流道在一橫向切線通通過的截面上所具有的面積，其中橫向切線實質垂直於一主要流動方向。並且，在以下說明中「主要流動方向」表示熱傳導媒介流經流道的主要方向。請參照圖1、圖2，其描述本發明的磁熱交換單元10的一實施例。磁熱交換單元10包括二個開口 12、14、磁熱材料16以及流道18。流道18形成在磁熱材料16當中，二個開口 12、14連結流道18的兩端，並且二個開口形成於磁熱材料16的側壁面上，以接收來自周邊設備(未圖示於圖1、圖2)的熱傳導媒介(未圖示於圖1、圖2)或提供熱傳導媒介至周邊設備。根據本發明的一實施例，熱傳導媒介自開口(流體入口)12流經磁熱材料16至開口(流體出口)14。換言之，流體沿著流道18在主要流動方向Dm上流經磁熱交換單元10。詳而言之，本實施例的二個開口可分別視為流體入口(開口 12)以及流體出口(開口 14)供熱傳導媒介流過，且熱傳導媒介的主要流動方向Dm藉由二個開口 12、14所定義。值得注意的是，熱傳導媒介的主要流動方向Dm不應被限制，本領域普通技術人員應當可理解熱傳導媒介可實質上沿著主要流動方向Dm、或沿著接近或相反主要流動方向Dm的方向上流動。另夕卜，由二個開口 12、14所定義的主要流動方向Dm並不限制於平行於磁熱材料16的對稱軸。如圖1所示，二個開口 12、14與磁熱材料16的對稱軸偏心，且位於對稱軸的相反兩側，於是主要流動方向Dm傾斜於對稱軸。又，形成開口 12、14的二個平面P1、P2可相較於磁熱材料16的底面以相同或不同的角度傾斜。本發明的上述實施例或後續所述的實施例的磁熱材料可為，舉例而言，但不予以限制，FeRh 合金,Gd5Si2Ge2 合金,Gd5(Si1^xGex)4 合金,RCo2 合金,La (Fe13^Six)合金,MnAs1^xSbx 合金,MnFe (P, As)合金，MnFe (P, Si)合金，Co (S1^xSex) 2 合金，NiMnSn 合金,MnCoGeB合金,R1^xMxMnO3合金，其中R=鑭化 物(lanthanide) , M=隹丐、銀以及鋇,等材料。磁熱材料16可依照末端產品需求或經濟考量自至少一上述的熱磁材料所組成的族群中的材料所構成。在此實施例中，流道18具有一逐漸變窄的形狀，且流道18形成在磁熱材料16當中。更精確而言，流道18在開口(流體入口)12具有一起始半徑Rl，且流道18在開口(流體出口)14具有一終端半徑R2，其中流道18沿磁熱交換單元10的軸線配置。在此實施例中，軸線實質平行於主要流動方向Dm。於是，流道18的截面積沿著主要流動方向Dm逐漸增加。另一方面，由於流道18的形態所致，磁熱材料16在接近開口(流體出口)14的一端的材料用量較磁熱材料16在接近口(流體入口)12的一端的材料用量來的少。磁熱交換單元10的優點說明如下磁熱材料在施加外部磁場(亦即磁通量)之後溫度提升，沿著主要流動方向Dm所提供的熱傳導媒介開始對磁熱材料16進行熱交換。然而，隨著熱傳導媒介在主要流動方向Dm的流動，熱傳導媒介與磁熱材料16之間的溫度差將逐漸減少，致使熱交換效率降低。於是，流道18接近開口(流體出口)14的區域中具有半徑R2，表示具有較大的截面積，以維持熱交換效率。另外，磁熱材料16在接近開口(流體出口)14的一端的材料用量較磁熱材料16在接近開口(流體入口)12的一端的材料用量來的少的結構特徵有效減少生產成本，其中二個開口 12、14之間擁有較小的溫度差或較小的溫度梯度差。請參照圖3，其顯示本發明的磁熱交換單元22的另一型態。磁熱交換單元22與圖1、圖2所示的實施例具有多處相似,磁熱交換單元22包括磁熱材料26以及流道24。磁熱材料26包括一第一部分27、一第二部分28以及一第三部分29，其中第二部分28連結於第一部分27與第三部分29之間。流道14形成於磁熱材料26當中，且流道24由第一部分27、第二部分28以及第三部分29所定義。第一部分27、第二部分28以及第三部分29的截面積呈階梯式改變。流道24沿磁熱交換單元22的軸線配置，其中軸線實質平行於主要流動方向Dm，並且熱傳導媒介(未顯示於圖3)沿主要流動方向Dm流經流道24。流道24相對於第一部分27、第二部分28以及第三部分29分別具有半徑R3、R4、R5。半徑R5大於半徑R4，且半徑R4大於半徑R3。易言之，流道24相對於第三部分29的截面積較流道在第二部分28的截面積來的大。由於流道24的型態配置，磁熱交換單元22與圖1、圖2所示的磁熱交換單元10具有相似的功效。請參照圖4以及圖5A-圖5C，其顯示本發明的磁熱交換單元30的另一型態，其中圖5A-圖5C分別顯示沿截線2-2、3-3、4-4所視的剖面圖。磁熱交換單元30與圖1-圖3所示的實施例具有多處相似，磁熱交換單元30包括三個彼此串接磁熱材料32、34、36、二個絕緣件38、40以及多個流道42。在此實施例中，磁熱交換單元30具有四個流道42，如圖5A-圖5C所示。每一磁熱材料32、34、36具有不同的居裡溫度(磁熱材料的一種材料特性),且磁熱材料34連結於磁熱材料34以及磁熱材料36之間。絕緣件38設置於磁熱材料32、34之間，且絕緣件40設置於磁熱材料34、36之間。部分絕緣件38、40暴露於流道42當中，絕緣件38,40配置用於阻斷磁熱材料32、34、36之間流通的熱能。值得注意的是,絕緣件38、40也可為電絕緣體。在此實施例中，流道42設置於磁熱交換單元30之內，並兩兩之間在橫向及縱向上間隔排列。具體而言，流道42設置於磁熱材料32、34、36以及絕緣件38、40所構成的空間當中。每一流道42具有逐漸變窄的形狀，且流道42在主要流動方向Dm上逐漸變大。熱傳導媒介(未圖示於圖4)沿主要流動方向Dm流經每一流道42，如同上述其他實施例所揭示。舉例而言，如圖5A-圖5C所示，在截線2-2上，位於磁熱材料32內的流道42具有半徑R6 ；在截線3-3上，位於磁熱材料34內的流道42具有半徑R7在截線4_4上，位於磁熱材料36內的流道42具有半徑R8，其中半徑R6、R7、R8分別表示每一區段中流道的平均半徑，且半徑R6大於半徑R7，半徑R7大於半徑R8。由於上述的排列配置，流道42內的熱交換效率得以維持。舉例而言，但本發明並不限制於此例子，磁熱材料32在三個磁熱材料32、34、36當中具有最低的居裡溫度，所以在施加一特定時間的磁場後磁熱材料32具有最大的溫度提升量。本領域的普通技術人員應當理解的是，針對三個磁熱材料32、34、36進行比較，在施加該特定時間的磁場後磁熱材料34具有介於中間值的溫度提升強度，且在施加該特定時間的磁場後磁熱材料36具有最低的溫度提升量。由於磁熱材料與熱傳導媒介之間的溫度差或溫度梯度差持續維持，使熱交換效率得以維持。另一方面，藉由設置於磁熱材料32、34、36之間的絕緣件38、40，大部分磁熱材料32、34、36所產生的熱將跨越流道42，藉此加強熱傳導效率。又，雖然磁熱材料32、34、36之間具有不同的居裡溫度，但磁熱材料32、34、36可由相同或不同的材料所組成。請參照圖6以及圖7A-圖7C，其顯示本發明的磁熱交換單元44的另一型態，其中圖7A-圖7C分別顯示沿截線5-5、6-6、7-7所視的剖面圖。磁熱交換單元44與圖1-圖4以及圖5A-圖5C所示的實施例具有多處相似，磁熱交換單元44包括三個磁熱材料46、48、50、二個絕緣件52、54以及多個流道56。在此實施例中，磁熱交換單元44具有四個流道56，如圖7A-圖7C所示。每一磁熱材料46、48、50以不同材料所組成，磁熱材料48連結於磁熱材料46以及磁熱材料50之間。絕緣件52設置於磁熱材料46與磁熱材料48之間，且絕緣件54設置於磁熱材料48與磁熱材料50之間。部分絕緣件52、54暴露於流道56當中，絕緣件52、54配置用於阻斷磁熱材料46、48、50之間流通的熱能。值得注意的是，絕緣件52、54也可為電絕緣體。流道56設置於磁熱交換單元44之內，並兩兩之間在橫向及縱向上間隔排列。具體而言，流道56設置於磁熱材料46、48、50以及絕緣件52、54所構成的空間當中。在每一磁熱材料46、48、50當中的流道56具有不同的截面積。具體而言，如圖7A-圖7C所示，在截線5-5上，位於磁熱材料46內的流道56具有半徑R9 ;在截線6_6上，位於磁熱材料48內的流道56具有半徑RlO ;在截線7-7上，位於磁熱材料50內的流道56具有半徑RlI，其中半徑RlO大於半徑R9，半徑R9大於半徑RlI。由於流道56的型態配置，磁熱交換單元44與圖4以及圖5A-圖5C所示的磁熱交換單元30具有相似的功效。值得注意的是，雖然磁熱材料46、48、50可由不同材料所組成，但磁熱材料46、48、50展現相同的居裡溫度或不同的居裡溫度。請參照圖8A-圖8B，其顯示本發明的磁熱交換單元60的另一型態，其中圖8B顯示圖8A中區域72的放大剖面圖。磁熱交換單兀60包括一殼體62、多個磁熱交換兀件68以及一流道70。殼體62實質上為一兩端挖空的結構,且殼體62具有一圓形的側壁,該側壁具有厚度T。在此實施例中，在磁熱交換單元60的軸線上，厚度T維持一定值，且殼體62包括一磁熱材料，但並不予以限制。熱傳導媒介的主要流動方向Dm大致平行於磁熱交換單元60的軸線。如圖8B所示，多個突出78以及凹陷76形成於殼體62的部分內表面上。在一實施例中，一阻隔層75形成於殼體62的部分內表面上。在一實施例中，多個突出78以及凹陷76形成於殼體62的部分內表面上，且一阻隔層75進一步形成於部分突出78以及凹陷76上。在一實施例中，阻隔層75藉由內襯(lining)、表面塗層(coating)或塗布(painting)的方式形成，以避免侵蝕發生。應當理解的是，在此實施例中的「殼體」以及在圖1-圖8的實施例中的「磁熱材料」實質上描述相同的元件，若殼體的至少一部分由磁熱材料所製成。然而，為了強調殼體可由普通材料所製成,才將磁熱材料改稱為殼體。熱交換元件68包括磁熱材料且設置於殼體62當中，其中熱交換元件68可與熱傳導媒介進行熱交換。多個支撐件(未圖示於圖8A-圖SB)設置於熱交換元件68與殼體62的內側壁面之間，以固定熱交換元件68於流道70當中。如圖8B所示,熱交換元件68包括至少一突出81以及/或者一凹陷82。另外，熱交換元件68更包括一阻隔層83，阻隔層83覆蓋於部分熱交換元件68上。在一實施例中，熱交換元件68包括多個突出81及多個凹陷82，多個突出81及多個凹陷82形成於部分熱交換元件68上，阻隔層83進一步形成於部分突出81及凹陷82上。在一實施例中，阻隔層83藉由內襯(lining)、表面塗層(coating)或塗布(painting)的方式形成，以避免侵蝕發生。值得注意的是，在此實施例中，若定義截面積的截線位於包括一個或多個熱交換元件所設置的截面上時，截面積為殼體的截面積與一個或多個熱交換元件的截面積之間的差值。磁熱交換單元60的優點說明如下，在熱交換元件68因外加磁場(磁通量)而升溫時，沿著主要流動方向Dm所提供的熱傳導媒介(未圖示於第圖8A-圖SB)開始與熱交換元件68進行熱交換。然而，隨著熱傳導媒介與熱交換元件68之間的溫度差的減少，熱交換速率沿著主要流動方向Dm降低。有鑑於此，設置於殼體62 (或是流道70)靠近流體出口 66的區域內的熱交換元件68的數量是大於設置於殼體62 (或是流道70)靠近流體入口 64的區域內的熱交換元件68的數量。雖然此實施例中在主要流動方向Dm上截面積實質地縮減，但熱交換元件68與熱傳導媒介之間的接觸面積是增加的。於是，熱交換效率得以在主要流動方向Dm上維持。另一個維持熱交換效率於一定值的因素即在於形成在熱交換兀件68周圍以及殼體62內壁面表面上的突出78、81以及凹陷76、82，所述多個結構有效地增加接觸面積。應注意的是，雖然在圖8A所示的熱交換元件68整齊排列，但並非本發明的主要特徵，設計者可增加熱交換元件68在流道70中的數量且以隨機的型態排列。另外，熱交換元件的形狀也不應限制於如圖8A所示的圓形，設計者可依照特定末端應用的狀況，而採用任何可能的形狀以產生期望的接觸面積。舉例而言，請參照圖9，其顯示本發明的磁熱交換單元80的另一型態。在圖9中，與圖8A相同的元件將施予相同的編號且其特徵將不再說明。圖8A的磁熱交換單元60與磁熱交換單元80相異處在於熱交換元件的形狀。在此實施例中，每一顯示於圖9中的熱交換元件84皆為沿主要流動方向Dm延伸的一棒狀或者一長方體。圖10-圖17顯示磁熱交換單元其他可能的實施型態，其中圖10-圖17分別顯示熱交換元件在磁熱交換單元的軸線上所視的剖面形狀，其中熱交換元件的剖面形狀為三角形、長方形、多邊形、圓形、橢圓形、水滴形、梭形或上述形狀的組合。相似的，殼體的形狀也不應限制於圖8A所顯示的幾何形狀，設計者可依照特定末端應用的狀況，而採用任何可能的形狀以產生期望的接觸面積。舉例而言，請參照圖18，其顯示本發明的磁熱交換單元90的另一型態。在圖18中，與圖8A相同的元件將施予相同的編號且其特徵將不再說明。圖8A的磁熱交換單元60與磁熱交換單元90相異處在於殼體的形狀。在此實施例中，殼體92具有逐漸變窄的形狀，且流道94由殼體92所定義。藉由增加接觸面積並且減緩熱傳導媒介的流速，以維持在主要流動方向Dm上的熱交換效率。圖19-圖24顯示殼體其他可能的實施型態，其中圖19-圖24分別顯示殼體在磁熱交換單元的橫向切線上所示的剖面形狀，其中該橫向切線垂直於主要流動方向。殼體的剖面形狀為三角形、長方形、圓形、環形、扇形、拱形或上述形狀的組合。如上所述，影響磁致冷卻效率的一個重要因素即在於磁熱材料與熱傳導媒介之間的熱交換容量或熱交換效率。根據熱學原理，熱交換容量或熱交換效率受磁熱材料以及熱傳導媒介的熱特性(例如比熱、熱傳導係數)、磁熱材料之間的溫度梯度差以及磁熱材料與熱傳導媒介之間的溫度差或是接觸面積等因素所影響。另一方面，上述所有實施例中，流道中可增加一些附加物以加強效能，像是擴散劑(dispersant)、抗侵蝕劑、防冷凝劑或是減阻劑。添加擴散劑(或是分散劑(dispersingagent)、塑化劑、強塑劑)可增加粒子間的分離以避免雜質堆積成塊。擴散劑通常由多種介面活性劑所組成，但也可為氣體。抗侵蝕劑(或是侵蝕抗化劑)是用於防止詞性材料在流體周期性流過後受到侵蝕或腐蝕。防冷凝劑(或是防凍劑)是用於防止工作流體在冷卻程序中結凍。減阻劑(或是助流劑(flow improve))是用於降低在管線長度上摩擦阻力的壓力降，以減少其間由阻力所產生的能量損失。基於上述因素，本發明致力於提供一磁熱交換單元，其中流道的截面積具有改變。此創新的流道不只有效改善磁熱交換單元當中的熱交換容量或熱交換效率的功效，並且可以實現磁熱材料的使用量。於是，阻礙磁致冷發展的問題可以被解決。雖然本發明已以較佳實施例揭露於上，然其並非用以限定本發明，任何本領域普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視所附的權利要求範圍所界定者為準。
權利要求
1.一種磁熱交換單元，其特徵在於，包括一磁熱材料；以及至少一流道，形成於該磁熱材料當中，且具有一流體入口以及一流體出口以定義一主要流動方向，其中該流道的截面積在該主要流動方向上具有改變。
2.如權利要求度。
3.如權利要求料。
4.如權利要求之間。
5.如權利要求一減阻劑於該流道中。
6.一種磁熱交換單元，其特徵在於，包括一殼體;至少一熱交換元件，設置於殼體當中，且包括磁熱材料；以及至少一流道，由該殼體以及所述至少一熱交換元件所定義，且具有一流體入口以及一流體出口以定義一主要流動方向，其中該流道的截面積在該主要流動方向具有改變。
7.如權利要求6所述的磁熱交換單元，其中該熱交換元件包括至少二種不同的居裡溫度。
8.如權利要求6所述的磁熱交換單元，其中該熱交換元件包括至少二種不同的磁熱材料。
9.如權利要求6所述的磁熱交換單元，其中該殼體由磁熱材料所製成。
10.如權利要求6所述的磁熱交換單元，其中該殼體的剖面形狀為三角形、長方形、圓形、環形、扇形、拱形或上述形狀的組合。
11.如權利要求10所述的磁熱交換單元，其中該殼體具有一軸線，且該熱交換元件於該軸線上的剖面形狀為三角形、長方形、多邊形、圓形、橢圓形、水滴形、梭形或上述形狀的組合。
12.如權利要求6所述的磁熱交換單元，還包括至少一突出或至少一凹陷，至少形成於該殼體的內壁面以及該熱交換元件的一者之上。
13.如權利要求6所述的磁熱交換單元，還包括至少一絕緣件，設置於該殼體。
14.如權利要求6所述的磁熱交換單元，還包括一阻隔層，至少形成於該殼體的內壁面以及該熱交換元件的一者之上。
15.如權利要求6所述的磁熱交換單兀,還包括一擴散劑、一抗侵蝕劑、一防冷凝劑或是一減阻劑於該流道中。
全文摘要
一種磁熱交換單元，包括磁熱材料以及至少一流道。流道形成於磁熱材料當中，且流道具有一流體入口以及一流體出口。主要流動方向定義於流道入口以及流體出口之間，且流道的截面積在該主要流動方向上具有改變。本發明的磁熱交換單元能夠改善磁熱交換單元當中的熱交換容量或熱交換效率的功效。
文檔編號F25B21/00GK102997485SQ20121032733
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月6日 優先權日2011年9月9日
發明者郭鍾榮, 吳調原, 謝昇汎, 張婕詩 申請人:臺達電子工業股份有限公司