专利名称：磁热交换单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁热交换单元，特别涉及关于一种具有创新流道结构的磁热交换单元。
背景技术：
磁致冷被视为具有高效率、对环境友善的冷却技术。磁致冷技术主要是利用磁热材料(Magnetocaloric material, MCM)的磁卡效应(Magnetocaloric Effect)实现冷却循环。详而言之，磁致冷借由下列步骤加以实现(I)施加一磁场至磁热材料，并施加外部磁通量以加热磁热材料；(2)当磁场维持一定时,施加一冷却剂以带离磁热材料所产生的热；(3) —旦磁热材料温度大幅降低后，移除或大幅减低磁场，并停止冷却剂的供应；以及(4)受磁热材料具有磁卡效应的特性所致，磁热材料进一步冷却至更低的温度，并借由一工作流体带走磁热材料所产生的冷能。日本专利公开号JP 2009524796揭露一种磁热交换单元。此磁热交换单元具有一壳体以及多个设置于该壳体当中的磁热材料。磁热材料以隔板的形式连结，使多个流道形成于其间。当该磁热交换单元运作时，一热传导媒介流过该些流道以交换磁热材料所产生的热。世界专利公开号WO 2009024412则揭露利用一种弧形的磁热座作为磁热交换单元，其中多个鳍状板设置于该磁热座上，以形成多个定义于相邻二个鳍状板之间的流道。热交换剂送入该流道并流动于其中，并与磁热座产生的热进行热交换。然而，在上述专利中，沿着热交换剂流动的方向上，热交换剂与磁热材料间的温度差异将逐渐降低，导致热交换效率降低。另外，由于设置于流道出口的磁热材料无法进行较好的冷却循环，造成磁热材料的浪费。如此将大幅增加成本，并阻碍产品的经济考量。
发明内容
为了克服上述磁热材料的缺点，本发明发现影响磁致冷却效率的一个重要因素即在于磁热材料与热传导媒介之间的热交换效率。有鉴于此，本发明提出一个创新的流道设计，使磁热交换单元的热交换效率可以有效维持，并且提升磁热材料与热传导媒介之间的热交换效率。为了达到上述目的，本发明提出一种磁热交换单元，包括磁热材料以及至少一流道。流道形成于磁热材料当中，且流道具有一流体入口以及一流体出口。主要流动方向定义于流道入口以及流体出口之间，且流道的截面积在该主要流动方向上具有改变。本发明的另一目的在于提供一种磁热交换单元包括一壳体、至少一热交换元件以及至少一流道。热交换元件包括磁热材料并设置于壳体当中。流道由壳体以及热交换元件所定义，且流道具有一流体入口以及一流体出口。主要流动方向定义于流体入口以及流体出口之间，且流道的截面积在该要主要流动方向具有改变。
本发明提出的流道其设计独特之处在于流道由磁热材料所构成，且流道的截面积可依据不同的磁热材料的热交换能力或者磁热材料与热传导媒介之间不同的热交换效率进行调整，借此最佳化磁热材料的选择。又，借由减少磁热材料的使用，磁热交换单元的生产成本可进一步降低。为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例并配合附图做详细说明。
图1显示本发明的较佳实施例的一磁热交换单元的示意图；图2显示沿图1的线段1-1所视的剖面图；图3显示本发明的另一实施例的磁热交换单元的剖面图；图4显示本发明的另一实施例的磁热交换单元的剖面图；图5A显示沿图4的线段2-2所视的剖面图；图5B显示沿图4的线段3-3所视的剖面图；图5C显示沿图4的线段4-4所视的剖面图；图6显示本发明的又一实施例的磁热交换单元的剖面图；图7A显示沿图6的线段5-5所视的剖面图；图7B显示沿图6的线段6-6所视的剖面图；图7C显示沿图6的线段7-7所视的剖面图；图8A显示本发明的又一实施例的磁热交换单元的剖面图；图8B显示图8A中区域72的放大剖面图；图9显示本发明的又一实施例的磁热交换单元的剖面图；图10-图17显示本发明的磁热交换单元可能的实施型态的剖面图；图18显示本发明的又一实施例的磁热交换单元的剖面图；以及图19-图24显示本发明的壳体可能的实施型态的剖面图。其中，附图标记说明如下10 磁热交换单元；12 开口(流体入口)；14 开口(流体出口)；16 磁热材料；18 流道；22 磁热交换单元；24 流道；26 磁热材料；27 第一部分；28 第二部分；29 第三部分；30 磁热交换单元；32、34、36 磁热材料；
38、40 绝缘件；42 流道；44 磁热交换单元；46、48、50 磁热材料；52、54 绝缘件；56 流道；60 磁热交换单元；62 壳体；64 开口(流体入口)；66 开口(流体出口)；68 热交换元件；70 流道；72 区域；75、83 阻隔层；76、82 凹陷；78、81 突出；84 热交换元件；90 磁热交换单元；92 壳体；94 流道；Dm 主要流动方向；P1、P2 平面；Rl-Rll 半径；T 厚度。。
具体实施例方式兹配合图式说明本发明的较佳实施例。在以下说明中“截面积”表示流道在一横向切线通通过的截面上所具有的面积，其中横向切线实质垂直于一主要流动方向。并且，在以下说明中“主要流动方向”表示热传导媒介流经流道的主要方向。请参照图1、图2，其描述本发明的磁热交换单元10的一实施例。磁热交换单元10包括二个开口 12、14、磁热材料16以及流道18。流道18形成在磁热材料16当中，二个开口 12、14连结流道18的两端，并且二个开口形成于磁热材料16的侧壁面上，以接收来自周边设备(未图示于图1、图2)的热传导媒介(未图示于图1、图2)或提供热传导媒介至周边设备。根据本发明的一实施例，热传导媒介自开口(流体入口)12流经磁热材料16至开口(流体出口)14。换言之，流体沿着流道18在主要流动方向Dm上流经磁热交换单元10。详而言之，本实施例的二个开口可分别视为流体入口(开口 12)以及流体出口(开口 14)供热传导媒介流过，且热传导媒介的主要流动方向Dm借由二个开口 12、14所定义。值得注意的是，热传导媒介的主要流动方向Dm不应被限制，本领域普通技术人员应当可理解热传导媒介可实质上沿着主要流动方向Dm、或沿着接近或相反主要流动方向Dm的方向上流动。另夕卜，由二个开口 12、14所定义的主要流动方向Dm并不限制于平行于磁热材料16的对称轴。如图1所示，二个开口 12、14与磁热材料16的对称轴偏心，且位于对称轴的相反两侧，于是主要流动方向Dm倾斜于对称轴。又，形成开口 12、14的二个平面P1、P2可相较于磁热材料16的底面以相同或不同的角度倾斜。本发明的上述实施例或后续所述的实施例的磁热材料可为，举例而言，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=镧化 物(lanthanide) , M=隹丐、银以及钡,等材料。磁热材料16可依照末端产品需求或经济考量自至少一上述的热磁材料所组成的族群中的材料所构成。在此实施例中，流道18具有一逐渐变窄的形状，且流道18形成在磁热材料16当中。更精确而言，流道18在开口(流体入口)12具有一起始半径Rl，且流道18在开口(流体出口)14具有一终端半径R2，其中流道18沿磁热交换单元10的轴线配置。在此实施例中，轴线实质平行于主要流动方向Dm。于是，流道18的截面积沿着主要流动方向Dm逐渐增加。另一方面，由于流道18的形态所致，磁热材料16在接近开口(流体出口)14的一端的材料用量较磁热材料16在接近口(流体入口)12的一端的材料用量来的少。磁热交换单元10的优点说明如下磁热材料在施加外部磁场(亦即磁通量)之后温度提升，沿着主要流动方向Dm所提供的热传导媒介开始对磁热材料16进行热交换。然而，随着热传导媒介在主要流动方向Dm的流动，热传导媒介与磁热材料16之间的温度差将逐渐减少，致使热交换效率降低。于是，流道18接近开口(流体出口)14的区域中具有半径R2，表示具有较大的截面积，以维持热交换效率。另外，磁热材料16在接近开口(流体出口)14的一端的材料用量较磁热材料16在接近开口(流体入口)12的一端的材料用量来的少的结构特征有效减少生产成本，其中二个开口 12、14之间拥有较小的温度差或较小的温度梯度差。请参照图3，其显示本发明的磁热交换单元22的另一型态。磁热交换单元22与图1、图2所示的实施例具有多处相似,磁热交换单元22包括磁热材料26以及流道24。磁热材料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连结于第一部分27与第三部分29之间。流道14形成于磁热材料26当中，且流道24由第一部分27、第二部分28以及第三部分29所定义。第一部分27、第二部分28以及第三部分29的截面积呈阶梯式改变。流道24沿磁热交换单元22的轴线配置，其中轴线实质平行于主要流动方向Dm，并且热传导媒介(未显示于图3)沿主要流动方向Dm流经流道24。流道24相对于第一部分27、第二部分28以及第三部分29分别具有半径R3、R4、R5。半径R5大于半径R4，且半径R4大于半径R3。易言之，流道24相对于第三部分29的截面积较流道在第二部分28的截面积来的大。由于流道24的型态配置，磁热交换单元22与图1、图2所示的磁热交换单元10具有相似的功效。请参照图4以及图5A-图5C，其显示本发明的磁热交换单元30的另一型态，其中图5A-图5C分别显示沿截线2-2、3-3、4-4所视的剖面图。磁热交换单元30与图1-图3所示的实施例具有多处相似，磁热交换单元30包括三个彼此串接磁热材料32、34、36、二个绝缘件38、40以及多个流道42。在此实施例中，磁热交换单元30具有四个流道42，如图5A-图5C所示。每一磁热材料32、34、36具有不同的居里温度(磁热材料的一种材料特性),且磁热材料34连结于磁热材料34以及磁热材料36之间。绝缘件38设置于磁热材料32、34之间，且绝缘件40设置于磁热材料34、36之间。部分绝缘件38、40暴露于流道42当中，绝缘件38,40配置用于阻断磁热材料32、34、36之间流通的热能。值得注意的是,绝缘件38、40也可为电绝缘体。在此实施例中，流道42设置于磁热交换单元30之内，并两两之间在横向及纵向上间隔排列。具体而言，流道42设置于磁热材料32、34、36以及绝缘件38、40所构成的空间当中。每一流道42具有逐渐变窄的形状，且流道42在主要流动方向Dm上逐渐变大。热传导媒介(未图示于图4)沿主要流动方向Dm流经每一流道42，如同上述其他实施例所揭示。举例而言，如图5A-图5C所示，在截线2-2上，位于磁热材料32内的流道42具有半径R6 ；在截线3-3上，位于磁热材料34内的流道42具有半径R7在截线4_4上，位于磁热材料36内的流道42具有半径R8，其中半径R6、R7、R8分别表示每一区段中流道的平均半径，且半径R6大于半径R7，半径R7大于半径R8。由于上述的排列配置，流道42内的热交换效率得以维持。举例而言，但本发明并不限制于此例子，磁热材料32在三个磁热材料32、34、36当中具有最低的居里温度，所以在施加一特定时间的磁场后磁热材料32具有最大的温度提升量。本领域的普通技术人员应当理解的是，针对三个磁热材料32、34、36进行比较，在施加该特定时间的磁场后磁热材料34具有介于中间值的温度提升强度，且在施加该特定时间的磁场后磁热材料36具有最低的温度提升量。由于磁热材料与热传导媒介之间的温度差或温度梯度差持续维持，使热交换效率得以维持。另一方面，借由设置于磁热材料32、34、36之间的绝缘件38、40，大部分磁热材料32、34、36所产生的热将跨越流道42，借此加强热传导效率。又，虽然磁热材料32、34、36之间具有不同的居里温度，但磁热材料32、34、36可由相同或不同的材料所组成。请参照图6以及图7A-图7C，其显示本发明的磁热交换单元44的另一型态，其中图7A-图7C分别显示沿截线5-5、6-6、7-7所视的剖面图。磁热交换单元44与图1-图4以及图5A-图5C所示的实施例具有多处相似，磁热交换单元44包括三个磁热材料46、48、50、二个绝缘件52、54以及多个流道56。在此实施例中，磁热交换单元44具有四个流道56，如图7A-图7C所示。每一磁热材料46、48、50以不同材料所组成，磁热材料48连结于磁热材料46以及磁热材料50之间。绝缘件52设置于磁热材料46与磁热材料48之间，且绝缘件54设置于磁热材料48与磁热材料50之间。部分绝缘件52、54暴露于流道56当中，绝缘件52、54配置用于阻断磁热材料46、48、50之间流通的热能。值得注意的是，绝缘件52、54也可为电绝缘体。流道56设置于磁热交换单元44之内，并两两之间在横向及纵向上间隔排列。具体而言，流道56设置于磁热材料46、48、50以及绝缘件52、54所构成的空间当中。在每一磁热材料46、48、50当中的流道56具有不同的截面积。具体而言，如图7A-图7C所示，在截线5-5上，位于磁热材料46内的流道56具有半径R9 ;在截线6_6上，位于磁热材料48内的流道56具有半径RlO ;在截线7-7上，位于磁热材料50内的流道56具有半径RlI，其中半径RlO大于半径R9，半径R9大于半径RlI。由于流道56的型态配置，磁热交换单元44与图4以及图5A-图5C所示的磁热交换单元30具有相似的功效。值得注意的是，虽然磁热材料46、48、50可由不同材料所组成，但磁热材料46、48、50展现相同的居里温度或不同的居里温度。请参照图8A-图8B，其显示本发明的磁热交换单元60的另一型态，其中图8B显示图8A中区域72的放大剖面图。磁热交换单兀60包括一壳体62、多个磁热交换兀件68以及一流道70。壳体62实质上为一两端挖空的结构,且壳体62具有一圆形的侧壁,该侧壁具有厚度T。在此实施例中，在磁热交换单元60的轴线上，厚度T维持一定值，且壳体62包括一磁热材料，但并不予以限制。热传导媒介的主要流动方向Dm大致平行于磁热交换单元60的轴线。如图8B所示，多个突出78以及凹陷76形成于壳体62的部分内表面上。在一实施例中，一阻隔层75形成于壳体62的部分内表面上。在一实施例中，多个突出78以及凹陷76形成于壳体62的部分内表面上，且一阻隔层75进一步形成于部分突出78以及凹陷76上。在一实施例中，阻隔层75借由内衬(lining)、表面涂层(coating)或涂布(painting)的方式形成，以避免侵蚀发生。应当理解的是，在此实施例中的“壳体”以及在图1-图8的实施例中的“磁热材料”实质上描述相同的元件，若壳体的至少一部分由磁热材料所制成。然而，为了强调壳体可由普通材料所制成,才将磁热材料改称为壳体。热交换元件68包括磁热材料且设置于壳体62当中，其中热交换元件68可与热传导媒介进行热交换。多个支撑件(未图示于图8A-图SB)设置于热交换元件68与壳体62的内侧壁面之间，以固定热交换元件68于流道70当中。如图8B所示,热交换元件68包括至少一突出81以及/或者一凹陷82。另外，热交换元件68更包括一阻隔层83，阻隔层83覆盖于部分热交换元件68上。在一实施例中，热交换元件68包括多个突出81及多个凹陷82，多个突出81及多个凹陷82形成于部分热交换元件68上，阻隔层83进一步形成于部分突出81及凹陷82上。在一实施例中，阻隔层83借由内衬(lining)、表面涂层(coating)或涂布(painting)的方式形成，以避免侵蚀发生。值得注意的是，在此实施例中，若定义截面积的截线位于包括一个或多个热交换元件所设置的截面上时，截面积为壳体的截面积与一个或多个热交换元件的截面积之间的差值。磁热交换单元60的优点说明如下，在热交换元件68因外加磁场(磁通量)而升温时，沿着主要流动方向Dm所提供的热传导媒介(未图示于第图8A-图SB)开始与热交换元件68进行热交换。然而，随着热传导媒介与热交换元件68之间的温度差的减少，热交换速率沿着主要流动方向Dm降低。有鉴于此，设置于壳体62 (或是流道70)靠近流体出口 66的区域内的热交换元件68的数量是大于设置于壳体62 (或是流道70)靠近流体入口 64的区域内的热交换元件68的数量。虽然此实施例中在主要流动方向Dm上截面积实质地缩减，但热交换元件68与热传导媒介之间的接触面积是增加的。于是，热交换效率得以在主要流动方向Dm上维持。另一个维持热交换效率于一定值的因素即在于形成在热交换兀件68周围以及壳体62内壁面表面上的突出78、81以及凹陷76、82，所述多个结构有效地增加接触面积。应注意的是，虽然在图8A所示的热交换元件68整齐排列，但并非本发明的主要特征，设计者可增加热交换元件68在流道70中的数量且以随机的型态排列。另外，热交换元件的形状也不应限制于如图8A所示的圆形，设计者可依照特定末端应用的状况，而采用任何可能的形状以产生期望的接触面积。举例而言，请参照图9，其显示本发明的磁热交换单元80的另一型态。在图9中，与图8A相同的元件将施予相同的编号且其特征将不再说明。图8A的磁热交换单元60与磁热交换单元80相异处在于热交换元件的形状。在此实施例中，每一显示于图9中的热交换元件84皆为沿主要流动方向Dm延伸的一棒状或者一长方体。图10-图17显示磁热交换单元其他可能的实施型态，其中图10-图17分别显示热交换元件在磁热交换单元的轴线上所视的剖面形状，其中热交换元件的剖面形状为三角形、长方形、多边形、圆形、椭圆形、水滴形、梭形或上述形状的组合。相似的，壳体的形状也不应限制于图8A所显示的几何形状，设计者可依照特定末端应用的状况，而采用任何可能的形状以产生期望的接触面积。举例而言，请参照图18，其显示本发明的磁热交换单元90的另一型态。在图18中，与图8A相同的元件将施予相同的编号且其特征将不再说明。图8A的磁热交换单元60与磁热交换单元90相异处在于壳体的形状。在此实施例中，壳体92具有逐渐变窄的形状，且流道94由壳体92所定义。借由增加接触面积并且减缓热传导媒介的流速，以维持在主要流动方向Dm上的热交换效率。图19-图24显示壳体其他可能的实施型态，其中图19-图24分别显示壳体在磁热交换单元的横向切线上所示的剖面形状，其中该横向切线垂直于主要流动方向。壳体的剖面形状为三角形、长方形、圆形、环形、扇形、拱形或上述形状的组合。如上所述，影响磁致冷却效率的一个重要因素即在于磁热材料与热传导媒介之间的热交换容量或热交换效率。根据热学原理，热交换容量或热交换效率受磁热材料以及热传导媒介的热特性(例如比热、热传导系数)、磁热材料之间的温度梯度差以及磁热材料与热传导媒介之间的温度差或是接触面积等因素所影响。另一方面，上述所有实施例中，流道中可增加一些附加物以加强效能，像是扩散剂(dispersant)、抗侵蚀剂、防冷凝剂或是减阻剂。添加扩散剂(或是分散剂(dispersingagent)、塑化剂、强塑剂)可增加粒子间的分离以避免杂质堆积成块。扩散剂通常由多种介面活性剂所组成，但也可为气体。抗侵蚀剂(或是侵蚀抗化剂)是用于防止词性材料在流体周期性流过后受到侵蚀或腐蚀。防冷凝剂(或是防冻剂)是用于防止工作流体在冷却程序中结冻。减阻剂(或是助流剂(flow improve))是用于降低在管线长度上摩擦阻力的压力降，以减少其间由阻力所产生的能量损失。基于上述因素，本发明致力于提供一磁热交换单元，其中流道的截面积具有改变。此创新的流道不只有效改善磁热交换单元当中的热交换容量或热交换效率的功效，并且可以实现磁热材料的使用量。于是，阻碍磁致冷发展的问题可以被解决。虽然本发明已以较佳实施例揭露于上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。
权利要求
1.一种磁热交换单元，其特征在于，包括一磁热材料；以及至少一流道，形成于该磁热材料当中，且具有一流体入口以及一流体出口以定义一主要流动方向，其中该流道的截面积在该主要流动方向上具有改变。
2.如权利要求度。
3.如权利要求料。
4.如权利要求之间。
5.如权利要求一减阻剂于该流道中。
6.一种磁热交换单元，其特征在于，包括一壳体;至少一热交换元件，设置于壳体当中，且包括磁热材料；以及至少一流道，由该壳体以及所述至少一热交换元件所定义，且具有一流体入口以及一流体出口以定义一主要流动方向，其中该流道的截面积在该主要流动方向具有改变。
7.如权利要求6所述的磁热交换单元，其中该热交换元件包括至少二种不同的居里温度。
8.如权利要求6所述的磁热交换单元，其中该热交换元件包括至少二种不同的磁热材料。
9.如权利要求6所述的磁热交换单元，其中该壳体由磁热材料所制成。
10.如权利要求6所述的磁热交换单元，其中该壳体的剖面形状为三角形、长方形、圆形、环形、扇形、拱形或上述形状的组合。
11.如权利要求10所述的磁热交换单元，其中该壳体具有一轴线，且该热交换元件于该轴线上的剖面形状为三角形、长方形、多边形、圆形、椭圆形、水滴形、梭形或上述形状的组合。
12.如权利要求6所述的磁热交换单元，还包括至少一突出或至少一凹陷，至少形成于该壳体的内壁面以及该热交换元件的一者之上。
13.如权利要求6所述的磁热交换单元，还包括至少一绝缘件，设置于该壳体。
14.如权利要求6所述的磁热交换单元，还包括一阻隔层，至少形成于该壳体的内壁面以及该热交换元件的一者之上。
15.如权利要求6所述的磁热交换单兀,还包括一扩散剂、一抗侵蚀剂、一防冷凝剂或是一减阻剂于该流道中。
全文摘要
一种磁热交换单元，包括磁热材料以及至少一流道。流道形成于磁热材料当中，且流道具有一流体入口以及一流体出口。主要流动方向定义于流道入口以及流体出口之间，且流道的截面积在该主要流动方向上具有改变。本发明的磁热交换单元能够改善磁热交换单元当中的热交换容量或热交换效率的功效。
文档编号F25B21/00GK102997485SQ20121032733
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月6日 优先权日2011年9月9日
发明者郭钟荣, 吴调原, 谢昇汎, 张婕诗 申请人:台达电子工业股份有限公司