專利名稱：磁熱量的傳熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是關(guān)于一種磁熱量的傳熱裝置，特別是關(guān)于一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且具有高傳熱效率的微型化磁熱量的傳熱裝置。
背景技術(shù)：
磁熱效應(yīng)(MCE，Magnetocaloric Effect)是指一般過渡金屬(Transition Metal)或鑭系(Lanthanide-series)稀土族元素等具有鐵磁性(Ferromagnetic)的材料，當(dāng)其受到磁化或被消磁時，材料本身產(chǎn)生的溫度變化現(xiàn)象，此效應(yīng)的形成是由于材料內(nèi)部的電子受到一個外加磁場作用時，內(nèi)部磁自旋(Spin)的自由度(磁矩)會因該磁場作用而產(chǎn)生較規(guī)則的排列，造成磁熵值(Entropy)的降低，從而產(chǎn)生亂度下降所導(dǎo)致的排熱現(xiàn)象，此時該材料即可發(fā)熱升溫；同理，當(dāng)磁場移除時，該鐵磁性材料中的磁矩將立即呈現(xiàn)較不規(guī)則性的排列，導(dǎo)致亂度上升而需要進(jìn)行吸熱，此時材料即呈現(xiàn)降溫，其過程是如圖9所示。
該磁熱效應(yīng)可取代現(xiàn)有蒸氣壓縮式冷凍機(例如冷氣機)中使用的氣體壓縮循環(huán)，解決氣體壓縮循環(huán)中致冷劑所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)，同時也可避免壓縮機產(chǎn)生的震動與噪音。圖10所示即為現(xiàn)有氣體壓縮循環(huán)2與磁熱量循環(huán)4的比較圖，它是以壓力與磁場、體積與磁化的關(guān)系進(jìn)行對應(yīng)，一般氣體壓縮循環(huán)2是借由對氣體進(jìn)行的壓縮、膨脹過程，令該氣體分子改變其分布狀態(tài)而產(chǎn)生熵變化，如圖所示，步驟a至步驟b進(jìn)行的壓縮導(dǎo)致的升溫排熱，或步驟c至步驟d的膨脹作用導(dǎo)致的降溫吸熱；該由兩個等溫與等磁場過程組成的磁熱量循環(huán)4，是借由一外加磁場改變該磁性體的旋轉(zhuǎn)方向，同樣可達(dá)到相似的熵變化效果，也就是從步驟A至步驟B中，當(dāng)施加一磁場，令其內(nèi)部產(chǎn)生較規(guī)則的排列時，可與該氣體壓縮循環(huán)2中氣體被壓縮時產(chǎn)生相同的升溫排熱效應(yīng)，反之，當(dāng)步驟C至步驟D中該磁場移除，使材料內(nèi)部產(chǎn)生較不規(guī)則的排列時，即與氣體膨脹時同樣可降溫而對外界進(jìn)行吸熱；同時，該磁氣熱量循環(huán)4中變化的磁矩的可逆性，顯然遠(yuǎn)比該氣體受壓縮膨脹后的可逆性來得大，它僅需借由磁場的產(chǎn)生與移除即可達(dá)到該可逆的效果，這一優(yōu)越特性使磁場冷凍循環(huán)的能源效率遠(yuǎn)比現(xiàn)有壓縮式冷凍機來得高，只要磁場強度在5特斯拉(Tesla)以上(例如一般的超導(dǎo)磁鐵)，其效率即可達(dá)至理想卡諾(Carnot)循環(huán)的50～60％以上；同時，由于該磁冷凍循環(huán)中進(jìn)行熵變化的磁熱效應(yīng)材料是一固體，其熵密度將比壓縮式冷凍機來得高，且其溫度改變狀態(tài)也將遠(yuǎn)比壓縮式冷凍機使用的流體來得均勻。
由這一新興技術(shù)發(fā)展來的磁致冷機(Magnetic Refrigerator)，雖具有高效率且不需使用致冷劑等低污染優(yōu)點，但在實際運用上仍存在設(shè)計與制造上的難度，因為要將上述的合金材料平順地移入與移出一高強度磁場，快速將其內(nèi)部儲存的高密度熱量取出并非易事，且如要達(dá)到該磁致冷凍機具有最高的傳熱輸效率，其熱交換機制的設(shè)計十分重要，例如一個與該合金材料間有大接觸面積的傳熱流體，或一個高散熱面積的熱交換器等。因此，要發(fā)揮磁致冷機優(yōu)越的傳熱特性，勢必要搭配一精密設(shè)計的磁熱效應(yīng)材料(移動或轉(zhuǎn)動)動件、磁場產(chǎn)生動件、傳熱流體管路與閥件或者相互搭配的高效率熱交換器等，而要配置這些構(gòu)件，顯然會造成系統(tǒng)構(gòu)件的復(fù)雜、成本昂貴以及難以微型化等諸多缺點；此外，過多的搭配動件與閥件也可能增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性與運轉(zhuǎn)時的磨耗、噪音，形成磁致冷機或其它相關(guān)磁致冷系統(tǒng)發(fā)展上的一大障礙。
目前已開發(fā)完成的磁致冷機均無法避免上述缺點。如圖11所示的回轉(zhuǎn)式磁致冷機70，它是配置一可產(chǎn)生高強度磁場的超導(dǎo)磁鐵71，并以一馬達(dá)72驅(qū)動一個可控制的回轉(zhuǎn)盤73，該回轉(zhuǎn)盤73是用可產(chǎn)生磁相變的磁熱效應(yīng)材料制成，且其兩端分別裝設(shè)有流體信道74，該系統(tǒng)的運行即是借由該回轉(zhuǎn)盤73轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出該磁場導(dǎo)致的磁熱效應(yīng)，令該回轉(zhuǎn)盤73上進(jìn)入/移出的特定區(qū)段產(chǎn)生一快速升、降溫現(xiàn)象，此時該流體信道74上可導(dǎo)入一借由閥件控制的傳熱流體75，以在熱交換后分別帶走高溫與低溫流體，進(jìn)而可產(chǎn)生冷凍效果。該傳熱流體75的流動需搭配該回轉(zhuǎn)盤73的轉(zhuǎn)速(約10r.p.m.)進(jìn)行一精準(zhǔn)控制，務(wù)使該傳熱流體75的流速與該回轉(zhuǎn)盤73的轉(zhuǎn)速可相互搭配，以令其進(jìn)行充分的熱交換，才可減少能量的損失。這些組成系統(tǒng)運行的轉(zhuǎn)動件、閥件及其所搭配的控制系統(tǒng)，均需較高的成本與精密的設(shè)計才可達(dá)成，同時也可能增加系統(tǒng)運行時的不穩(wěn)定性與磨耗損失；此外，日本中部電力研究所與東芝公司開發(fā)的移動式磁致冷機80也同樣有此問題，它是如圖12所示，利用一個可移動的永磁鐵81，也就是將該用以產(chǎn)生磁場的永磁鐵81制成可平移的移動件85，運行原理是借由該永磁鐵81的移動使其與相鄰配置的磁作業(yè)單元82(由磁熱效應(yīng)材料制成)，產(chǎn)生一升溫、降溫現(xiàn)象，還導(dǎo)入一由閥件83精準(zhǔn)控制的傳熱流體84，借此在熱交換后進(jìn)行排熱或吸熱，只是此傳熱流體84輸送與閥件83切換動作也同樣可能造成能量損失與負(fù)載增加，且要達(dá)到精準(zhǔn)搭配的移動件85與閥件83也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，與上述回轉(zhuǎn)式磁致冷機70同樣具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴與難以微型化的缺點，進(jìn)而形成傳熱效率的降低與致冷能力的不穩(wěn)定。
因此，如何開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且可微型化的磁熱量傳熱結(jié)構(gòu)，具有較高傳熱效率，同時可在制成磁致冷機時減少該系統(tǒng)的閥件與動件，提供較穩(wěn)定的致冷量，無疑是相關(guān)產(chǎn)業(yè)面臨的研發(fā)課題。
實用新型內(nèi)容為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種具有高傳熱效率的磁熱量的傳熱裝置。
本實用新型另一目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單的磁熱量的傳熱裝置。
本實用新型再一目的在于提供一種成本低廉的磁熱量的傳熱裝置。
本實用新型又一目的在于提供一種可運用于微型系統(tǒng)的磁熱量的傳熱裝置。
本實用新型再一目的在于提供一種可運用于磁致冷機的磁熱量的傳熱裝置，可減少磁致冷機的系統(tǒng)閥件與動件，并具有較穩(wěn)定的致冷能力。
為達(dá)上述及其它目的，本實用新型所提供的磁熱量的傳熱裝置，是配置在一可間歇性作用的可控制磁場中，它包括至少一吸放熱模塊，且每一吸放熱模塊包括磁作業(yè)單元，是由具有磁熱效應(yīng)的材料制成，令其受到該可控制磁場的磁化與消磁時，可分別產(chǎn)生溫度的變化并進(jìn)行吸放熱；至少一具有第一蒸發(fā)部與第一冷凝部的第一熱管組件，是以其第一冷凝部接置在該磁作業(yè)單元上并令其第一蒸發(fā)部向下外露出該磁作業(yè)單元；以及至少一具有第二蒸發(fā)部與第二冷凝部的第二熱管組件，是以其第二蒸發(fā)部接置在該磁作業(yè)單元上并令其第二冷凝部向上外露出該磁作業(yè)單元；其中，當(dāng)該可控制磁場移除，使該磁作業(yè)單元產(chǎn)生吸熱時，該第一熱管組件可借充填其中的工作流體，將熱量自其第一蒸發(fā)部上傳至第一冷凝部，并傳遞至該磁作業(yè)單元中，當(dāng)該可控制磁場作用，使該磁作業(yè)單元產(chǎn)生放熱時，可將熱量排至該第二熱管組件的第二蒸發(fā)部，并借充填其中的工作流體將其傳遞至該第二冷凝部且排至外界，進(jìn)而形成一磁冷卻系統(tǒng)。
該具有磁熱效應(yīng)的材料是一以釓(Gd)、硅(Si)與鍺(Ge)三種元素依Gd5(SixGe1-x)4的比例混合而成的磁熱效應(yīng)材料，可將其制成粉末狀后充填制成所需的磁作業(yè)單元，或以該磁熱效應(yīng)材料沉積而成的磁熱效應(yīng)合金薄膜制成該磁作業(yè)單元。
因此，本實用新型是將熱管接置在一磁熱效應(yīng)材料上，借由該磁熱效應(yīng)材料受磁場磁化/消磁后的磁相變現(xiàn)象，產(chǎn)生一可變溫的吸放、熱機制，再用具有高傳熱效率且無須導(dǎo)熱動件的熱管作為傳熱機制，以該熱管中充填的工作流體為一傳熱介質(zhì)，傳遞外界熱量至該合金材料中儲存，或傳遞該合金材料排出的熱量至外界，避免使用現(xiàn)有氣體壓縮循環(huán)的高污染致冷劑或現(xiàn)有磁冷卻循環(huán)中的高磨耗噪音的傳熱動件，同時發(fā)揮結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉與可微型化的功效。
此外，如將多個本實用新型的磁熱量的傳熱裝置配置在一冷卻系統(tǒng)中，例如外接一可流經(jīng)各熱管的吸放熱端的熱交換流體，也可運用本實用新型以形成一磁致冷機，省去現(xiàn)有磁致冷機配置的高精度配合動件與閥件，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與致冷能力。


圖1是本實用新型磁熱量的傳熱裝置實施例1的側(cè)視圖；圖2是本實用新型磁熱量的傳熱裝置實施例2的側(cè)視圖；圖3A及圖3B是本實用新型磁熱量的傳熱裝置實施例3的示意圖；圖4A及圖4B是本實用新型磁熱量的傳熱裝置實施例4的示意圖；圖5是本實用新型磁熱量的傳熱裝置實施例5的示意圖；圖6是本實用新型磁熱量的傳熱裝置運用于配置永磁鐵的磁致冷機示意圖；圖7是本實用新型磁熱量的傳熱裝置運用于配置電磁鐵的磁致冷機示意圖；圖8是本實用新型磁熱量的傳熱裝置運用于多層結(jié)構(gòu)傳熱系統(tǒng)的示意圖；圖9是磁熱效應(yīng)中磁場形成的排熱、吸熱效應(yīng)示意圖；圖10是磁熱量循環(huán)與現(xiàn)有的氣體壓縮循環(huán)的比較圖；圖11是一現(xiàn)有回轉(zhuǎn)式磁致冷機示意圖；以及圖12是一現(xiàn)有移動式磁致冷機示意圖。
具體實施方式
實施例1本實用新型的磁熱量的傳熱裝置的較佳實施例是如圖1所示，它是配置一由磁熱效應(yīng)材料制成的磁作業(yè)單元10，并在該磁作業(yè)單元10的相對兩側(cè)表面上分別裝設(shè)一單向傳熱組件20，并令該二個單向傳熱組件20之間具有一高度差，使該二個單向傳熱組件20其中之一，向上外露出該磁作業(yè)單元10的頂部，另一向下外露出該磁作業(yè)單元10的底部，同時，該二個單向傳熱組件20中分別充填有一適量工作流體21，并在充填后將其整體配置容設(shè)在一金屬容器30中，令該磁作業(yè)單元10可受到一可控制的間歇性磁場5的作用。
該磁作業(yè)單元10是以釓(Gd)、硅(Si)與鍺(Ge)三種元素，依一定比例混合制成的合金材料11，其配方比例是Gd5(SixGe1-x)4，該x值可視本實施例的使用需求進(jìn)行調(diào)整，以改變該合金材料11的磁熱效應(yīng)，其組成比例不同，內(nèi)部相變產(chǎn)生的溫度變化范圍也將隨之改變，同時，該合金材料11形成磁作業(yè)單元10的方式有兩種，一是以充填方式充填粉末狀的合金材料11以形成預(yù)定的形狀，如圖1所示的方形，另一形成方式是例如用納米制程等相關(guān)的膜技術(shù)，形成一預(yù)定厚度的合金薄膜，加工制成所需的磁作業(yè)單元10，兩種形成方式可視使用者的成本與品質(zhì)需求而定。前者合金材料僅為現(xiàn)有已知材料技術(shù)中具有最佳磁熱效應(yīng)的磁熱效應(yīng)材料，但本實用新型可使用的磁作業(yè)單元10材料并非僅限于該種合金，其它釓(Gd)類化合物，例如GdNi、Gd5(Si2)、Gd3Ga5O12或GdPd等材料，同樣可依上述兩種形成方式，制成本實用新型所需的磁作業(yè)單元10。
當(dāng)使用者要將本實用新型配置在可控制的磁場5中，令該磁作業(yè)單元10受該磁場5作用時，可將該磁作業(yè)單元10的作用面10a配置在與該磁場5垂直的方向，令其可接受一最大的磁場5，也就是通過該作用面10a的磁通量最高，能夠具有較佳的傳熱效率；此外，如圖1所示，該加工制成方形(也可為其它形狀)的磁作業(yè)單元10中，每隔一定的高度即配置有一分隔層12，該分隔層12是用樹脂(Epoxy)材料制成。
該較佳實施例中使用的單向傳熱組件20如圖1所示，是一細(xì)長中空的封閉式熱管25a、25b，它是利用熱管能夠以小表面積傳遞高熱量的特性，以及運用熱虹吸或毛細(xì)現(xiàn)象原理，向上傳遞上述充填在該熱管25a、25b底部或底部內(nèi)壁上的工作流體21；該熱管25a、25b是如圖所示，在其下半段內(nèi)壁設(shè)計有毛細(xì)結(jié)構(gòu)23(Wick)，使該工作流體21可進(jìn)行單向傳熱并避免熱量回傳現(xiàn)象的發(fā)生；同時，其上半段的內(nèi)壁是設(shè)計成裸壁，外壁周圍則可裝設(shè)吸熱用的凸片或鰭片(Fin)(圖未標(biāo))，以提升傳熱效率。此外，除附圖所示的實施例外，也可將該熱管25a、25b設(shè)計為整管內(nèi)壁裸壁或整管均設(shè)有毛細(xì)結(jié)構(gòu)23的狀態(tài)，同樣可達(dá)傳熱的效果。
該熱管管壁是用銅、不銹鋼或鎢等材料圍置而成，該工作流體21則可選用液態(tài)水、水銀、丙酮、液態(tài)氮或酒精(Ethanol)等流體。如同該磁作業(yè)單元10的材料選用的合金比例相似，該工作流體21的選擇也可視待使用系統(tǒng)的排熱或冷卻需要而定，以選擇具有適當(dāng)蒸發(fā)/凝結(jié)點的流體，例如若使用系統(tǒng)是接近常溫，則可使用水、酒精等工作流體，若使用系統(tǒng)是零下低溫，則可考慮使用液態(tài)氮等，且不同熱管中也不限于僅充填同一種工作流體21，僅需令該工作流體21可伴隨該磁熱效應(yīng)材料的磁化/消磁而蒸發(fā)即可。
該分別配置在磁作業(yè)單元10兩側(cè)表面的熱管25a、25b之間具有一高度差，令其兩者可分別發(fā)揮排熱與吸熱的不同功效。他們可如圖所示設(shè)計成，右側(cè)排熱熱管25a具有一向上突出該磁作業(yè)單元10的外露排熱端22a，使左側(cè)吸熱熱管25b具有一向下突出該磁作業(yè)單元10的外露吸熱端22b，可令該兩熱管25a、25b分別在磁場5施加與移除時發(fā)揮排熱與吸熱的不同功效，其中，該熱管25a、25b的向上、向下外露端，需如圖所示的那樣，具有一定長度的外露距離，使其與未外露部分具有一定的溫度差，這樣可提升后述運行原理所致的傳熱效能。運行原理說明如下，當(dāng)該磁熱量的傳熱裝置1受到一可控制的間歇性磁場5作用時，即可利用磁熱效應(yīng)，令該磁作業(yè)單元10在該磁場5作用時產(chǎn)生磁相變而發(fā)熱，并在該磁場5移除時降溫吸熱，分別定義該兩側(cè)的熱管25a、25b成一蒸發(fā)部a與冷凝部b；該間歇性磁場5的控制與施加頻率可依使用者的設(shè)計而定，例如配置一可交替充磁/消磁的靜止式電磁鐵(或超導(dǎo)磁鐵)，或配置一具有永磁鐵的往復(fù)移動/轉(zhuǎn)動動件，將該磁熱量的傳熱裝置裝設(shè)在一動件上而可往復(fù)移經(jīng)一固定式永磁鐵等，均可形成所需的間歇性磁場5；因此，當(dāng)磁場5對該磁作業(yè)單元10進(jìn)行磁化時，該磁熱效應(yīng)材料11將發(fā)生熵變化而產(chǎn)生熱量，此熱量令該磁作業(yè)單元10對熱管25a、25b進(jìn)行散熱，使位于該右側(cè)(排熱)熱管25a的蒸發(fā)部a(熱管底部或管壁毛細(xì)結(jié)構(gòu)23)中的液態(tài)工作流體21蒸發(fā)(此時該左側(cè)熱管25b的上端也將升溫)，并在該右側(cè)熱管25a中呈氣態(tài)傳遞至熱管頂端22a的冷凝部b，此時若該磁熱量的傳熱裝置1的頂部外接有一待熱系統(tǒng)，也可加速該已蒸發(fā)工作流體21的傳遞，當(dāng)右側(cè)熱管25a中的流體傳遞至熱管頂端22a的冷凝部b并完成排熱(或?qū)崃克腿朐摯裏嵯到y(tǒng))后，由于該冷凝部b是外露并遠(yuǎn)離該磁作業(yè)單元10，因此該溫度下降的工作流體21將產(chǎn)生冷凝，進(jìn)而凝結(jié)成液態(tài)并沿該冷凝部b內(nèi)壁的裸壁回到該蒸發(fā)部a中，也就是逐漸下滑回到熱管25a底端或附著在其下半段壁上的毛細(xì)結(jié)構(gòu)23，繼續(xù)往復(fù)進(jìn)行蒸發(fā)/冷凝的排熱循環(huán)；反之，該位于左側(cè)(吸熱)熱管底端22b蒸發(fā)部a的液態(tài)工作流體21，由于向下外露出該磁作業(yè)單元10，當(dāng)磁場5施加時并不會立即產(chǎn)生蒸發(fā)，反而將在磁場5移除后(該磁作業(yè)單元10瞬間冷卻時)，造成壓力改變并吸收冷卻負(fù)載的熱量而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的氣態(tài)工作流體21將在該熱管25b中向上傳遞，并借由該磁作業(yè)單元10降溫后對外界的吸熱作用，吸收該工作流體21與外界熱源(例如外接在底部的待冷卻系統(tǒng))的熱量，達(dá)到冷卻的效果；此時，該工作流體21也會在熱量流失后，在該冷凝部b降溫而產(chǎn)生冷凝，并在凝結(jié)成液態(tài)后，同樣沿其內(nèi)壁的裸壁逐漸下滑至該熱管25b底端的蒸發(fā)部a，繼續(xù)蒸發(fā)/冷凝以進(jìn)行下一次的吸熱循環(huán)。這就是本實施例形成的單方向傳熱機制，可利用該磁作業(yè)單元10吸收左側(cè)熱管25b帶進(jìn)的外界熱量，并傳至右側(cè)熱管25a中，以將該熱量排出至外界。
該單方向傳熱機制，就是借由左右兩側(cè)熱管25的高度差與外露部的設(shè)計，使該工作流體21分別蒸發(fā)、冷凝且進(jìn)行吸熱/排熱，可在該磁熱量的傳熱裝置1的頂部與底部分別發(fā)揮快速且高效率的加熱/冷卻功效，并可視使用者的需求，將該傳熱結(jié)構(gòu)1運用或外接在不同系統(tǒng)中，例如可在該傳熱結(jié)構(gòu)1的頂部與底部分別導(dǎo)入傳熱流體，令該流體在流經(jīng)此傳熱結(jié)構(gòu)1時，可分別進(jìn)行排熱與冷卻工作，也可在該傳熱結(jié)構(gòu)1的頂部與底部同時加裝多個鰭片，增加傳熱面積，提升該傳熱流體的傳熱效率；除此之外，若不外接傳熱流體或閥件，也可直接將該磁熱量的傳熱裝置1裝設(shè)在一待加熱或待冷卻系統(tǒng)中，例如可將本傳熱結(jié)構(gòu)1的底部與一待冷卻系統(tǒng)接觸連接，即可發(fā)揮現(xiàn)有散熱器的功效，且由于本實用新型具有微型化的特性，因此可運用在電子散熱系統(tǒng)中，進(jìn)行接觸傳熱。
實施例2本實用新型的實施方式并不僅限于上述的較佳實施例，例如該單向傳熱組件20的配置位置與配置數(shù)量即可視需要進(jìn)行改變，若考慮到材料與加工成本，該單向傳熱組件20也可如圖2所示，僅在該磁作業(yè)單元10的單一側(cè)配置單一組件，此即本實用新型的實施例2。其中，配置的單一熱管25可在磁場5施加與移除時，分別發(fā)揮排熱與吸熱作用，也就是當(dāng)該磁作業(yè)單元10升溫時，借由虹吸管或毛細(xì)現(xiàn)象附著在該毛細(xì)結(jié)構(gòu)23上，且潤濕該熱管25中段管壁的工作流體21，即可吸熱蒸發(fā)，起到排熱介質(zhì)的作用，將該磁作業(yè)單元10的熱量自該熱管25頂端排出；反之，當(dāng)該磁作業(yè)單元10降溫時，同樣的工作流體21即起吸熱介質(zhì)的作用，可借由該低溫磁作業(yè)單元10的吸熱動作，帶走熱管25底部熱源的熱量，將其傳遞至該磁作業(yè)單元10中；此外，該熱管25是如圖所示設(shè)計成同時外露出該磁作業(yè)單元10的頂部與底部，令其具有較佳的排熱與冷卻功效，此時，上端外露部22a即為進(jìn)行排熱時的冷凝部b，下端外露部則為進(jìn)行吸熱時的蒸發(fā)部a，至于中段與該磁作業(yè)單元10接觸的管壁部分，將視磁場5的作用而定，它在該磁作業(yè)單元10發(fā)熱時是一蒸發(fā)部a，在該磁作業(yè)單元10吸熱時則成為一冷凝部b；此外，本實施例2的設(shè)計中，由于該熱管25需同時負(fù)責(zé)排熱與吸熱，將可能致使其傳熱負(fù)載較高，且若磁場5的施加頻率較高時，該工作流體21也可能無法完全傳遞熱量，使其傳熱效率略微降低，但其仍具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單與微型化的特點。
實施例3實施例3是利用上述實施例1、2的配置進(jìn)行組合，將多個磁熱量的傳熱裝置1連接，以較大體積的磁作業(yè)單元10與較多的熱管25達(dá)到較高的傳熱量，符合大型系統(tǒng)的需要。如圖3A、圖3B所示的傳熱結(jié)構(gòu)(其中，圖3B是由圖3A的A-A方向的側(cè)視圖)，是以四根向上外露與四根向下外露的熱管25配置而成。它可借由一間歇性磁場5與流經(jīng)該熱管25外露部的熱交換管路，并借由該管路中的傳熱流體與各熱管25所進(jìn)行的熱交換，進(jìn)行排熱與冷卻工作；實施例4此外，本實用新型也可如圖4A、圖4B所示直接連通各熱管25的外露部(其中，圖4B是由圖4A的B-B方向所見的側(cè)視圖)，使各熱管25中借由氣態(tài)工作流體21傳遞的熱量，可直接進(jìn)入其頂部的連通空間29a中，反之，也可借由相同原理，令底部形成一可吸熱的連通空間29b，形成具有平整散熱面28a與吸熱面28b的磁熱量的傳熱裝置1，由圖4B的側(cè)視圖即可見本實施例的熱管25配置方式，這是本實用新型的實施例4，實施例4可運用在上述的電子散熱系統(tǒng)中，借由其平整吸熱面28b，以接觸傳熱的方式接設(shè)在一待冷卻熱源，例如半導(dǎo)體封裝件等電子組件上，借由另外配置的微小磁場產(chǎn)生裝置，發(fā)揮高傳熱效率的散熱功效。
實施例5本實用新型的磁熱量的傳熱裝置1中，配置在該磁作業(yè)單元10內(nèi)部或表面上的單向傳熱組件20并不僅限于上述實施例的熱管25，任何具有傳熱特性、可傳遞工作流體21的傳熱件，均可適用于本實用新型中，例如一般現(xiàn)有設(shè)計成板狀的傳熱板26(Heat Plate)，也就是平板型熱管，也可以如圖5所示，與該磁作業(yè)單元10配置連接，這就是為本實用新型的實施例5。該傳熱板26是以交替外露出該磁作業(yè)單元10的頂部與底部的配置方式配置，其運行原理也與上述各實施例相同，借由與該熱管25同樣具有熱虹吸與毛細(xì)現(xiàn)象的傳熱板26，傳遞一預(yù)先充填在該傳熱板26底部的液態(tài)工作流體21(圖未標(biāo))，以配合外部施與的間歇性磁場5，達(dá)到排熱與冷卻的功效，該傳熱板26的底部內(nèi)壁也如同該熱管25，設(shè)有一毛細(xì)結(jié)構(gòu)23(圖未標(biāo))，令底部的工作流體21可借毛細(xì)現(xiàn)象，潤濕該毛細(xì)結(jié)構(gòu)23的表面，并增加傳熱面積以提升傳熱效應(yīng)；如前所述，該多個傳熱板26的外露部也可連通而成一連通吸放熱空間，使形成一平整散熱/吸熱面，其配置近似于圖4A、圖4B所示的熱管，不再另以他圖重復(fù)說明；除此之外，本實用新型提出的單向傳熱組件并非僅限于前述的熱管25與傳熱板26，依現(xiàn)有熱管的傳熱原理，不論其形狀如何，均不影響其傳熱效應(yīng)，因此各種形狀的現(xiàn)有熱管組件也都符合本實用新型的設(shè)計需求，因此均可運用在該傳熱結(jié)構(gòu)1中。
根據(jù)上述各實施例的說明，可將本實用新型運用在各種傳熱循環(huán)系統(tǒng)中以實施其功效。如圖6所示的新興磁致冷機3(MagneticRefrigerator)等磁致冷系統(tǒng)，可將多個磁熱量的傳熱裝置1配置，連接成如圖所示的線性串行結(jié)構(gòu)，并在該線性串行磁熱量的傳熱裝置1的一側(cè)，配置一個或多個可產(chǎn)生約1特斯拉(Tesla)磁場5的可動式永磁鐵8移動動件9，并對其進(jìn)行移動控制，令其依所設(shè)定的速度沿該線性串行磁熱量的傳熱裝置1移動，進(jìn)而可對該傳熱結(jié)構(gòu)1中的各段磁作業(yè)單元10形成一間歇產(chǎn)生的磁場5，此時僅需在該線性串行磁熱量的傳熱裝置1的吸熱/排熱端25，外接一對應(yīng)的熱交換管路與傳熱鰭片50，即可借由該熱交換管路中的傳熱流體51，達(dá)到現(xiàn)有磁致冷系統(tǒng)的功效。由于組成該系統(tǒng)的構(gòu)件很少，移動動件9的控制也極為容易，且也不需配置多余閥件以切換該傳熱流體51，可解決現(xiàn)有磁致冷系統(tǒng)的問題。
若改變上述外加磁場5的產(chǎn)生方式，也可配置如圖7所示的線性串行磁致冷系統(tǒng)。它是在該線性串行磁熱量的傳熱裝置1的一側(cè)配置多個等間隔的對應(yīng)電磁鐵7，該電磁鐵7可依使用者的控制，進(jìn)行一固定頻率的交替充磁/消磁，分別形成充磁電磁鐵7a與消磁電磁鐵7b，也可達(dá)到與上述可動式永磁鐵8相同的功能對該磁熱量的傳熱裝置1中的磁作業(yè)單元10施加一間歇性磁場5；該電磁鐵式磁致冷機3可對系統(tǒng)施加一更高的磁場，具有較高的傳熱效率，同時也可省去所有動件與閥件的設(shè)計，且用電磁控制取代現(xiàn)有系統(tǒng)的機械控制，可避免磨耗與噪音問題，大幅提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，并降低了制造加工難度。
除了上述依線性串行組合制成的磁致冷機3外，本實用新型的磁熱量的傳熱裝置1也可配置成其它排列形式，如圖8所示的多層結(jié)構(gòu)傳熱系統(tǒng)6，即是針對本實用新型使用的磁熱效應(yīng)材料11的配方比例進(jìn)行調(diào)整搭配，以適用于更大溫度范圍的應(yīng)用系統(tǒng)，如圖中的雙層結(jié)構(gòu)6，即可用以進(jìn)行兩段式傳熱，它是在下層結(jié)構(gòu)中選用合金材料Gd5(SixGe1-x)4，在上層結(jié)構(gòu)選用合金材料Gd5(Si1.985Ge1.985Ga0.03)，利用下層材料的單向傳熱效應(yīng)，將待冷卻流體的熱量傳遞至上層材料中，再借上層材料的單向傳熱效應(yīng)，將該熱量排至上方的排熱流體，可進(jìn)行3℃至室溫37℃間的熱量多層輸送，并可在該熱管25中視合金材料11，選用不同的工作流體21，這一延伸應(yīng)用系統(tǒng)也可視需求進(jìn)行變化，使用者可視所要搭配的傳熱系統(tǒng)，針對磁熱量的傳熱裝置1的排列形式、排列層數(shù)、合金材料搭配比例以及工作流體種類等進(jìn)行最適當(dāng)?shù)拇钆湓O(shè)計，以達(dá)最佳傳熱效率，進(jìn)而將本實用新型的功效發(fā)揮至最大。
因此，綜合上述各實施例與適用范例的說明，可說明本實用新型確實具有較好的功效，但本實用新型使用的磁作業(yè)單元10、單向傳熱組件20以及磁場5產(chǎn)生方式，并非僅限于前述的合金材料或設(shè)計結(jié)構(gòu)，組合而成的應(yīng)用系統(tǒng)也非僅限于上述排列形式的磁致冷機3，它還包括其它冷卻空調(diào)系統(tǒng)、電子散熱系統(tǒng)或微流體系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域，至于燃料電池中制作低溫液態(tài)氫等，也同樣可運用本實用新型的功效而對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改良，可根據(jù)使用者對本磁熱量的傳熱裝置使用的配置組合方式而定。
綜上所述，本實用新型的磁熱量的傳熱裝置確實具有高傳熱效率、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉與可微型化的功能，同時若將其運用在磁致冷系統(tǒng)，也可減少甚至完全省去現(xiàn)有的系統(tǒng)動件與閥件，降低系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的磨耗與噪音，提升運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，同時，還兼具有較穩(wěn)定的供冷能力，進(jìn)而可節(jié)省能源并降低環(huán)境的污染。
權(quán)利要求1.一種磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該傳熱裝置是配置在一可控制磁場中，包括至少一吸放熱模塊，且每一吸放熱模塊包括吸放熱模塊包括磁作業(yè)單元，是由具有磁熱效應(yīng)的材料制成，令其受到該可控制磁場的磁化與消磁時，可分別產(chǎn)生溫度的變化；以及至少一熱管組件，其中，每一熱管組件均具有一蒸發(fā)部與一冷凝部，且每一個熱管組件均是以該蒸發(fā)部與冷凝部至少其中之一，接置在該吸放熱模塊上，令充填在該熱管組件中的工作流體可在該吸放熱模塊產(chǎn)生溫度變化時，從該蒸發(fā)部移動至該冷凝部，進(jìn)行傳熱。
2.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該熱管組件是一可進(jìn)行單向傳熱的單向熱管組件。
3.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該熱管組件是以附著在該吸放熱模塊表面的方式接置在該吸放熱模塊上。
4.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該熱管組件是以插入該吸放熱模塊的方式接置在該吸放熱模塊上。
5.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，當(dāng)每一吸放熱模塊僅具有一熱管組件時，該熱管組件是同時以其蒸發(fā)部與冷凝部部分接置在該吸放熱模塊上，此時該熱管組件是兼為放熱與吸熱熱管組件。
6.如權(quán)利要求5所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該熱管組件的冷凝部是具有一向上外露出該吸放熱模塊的放熱端，其蒸發(fā)部則是具有一向下外露出該吸放熱模塊的吸熱端。
7.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，當(dāng)每一吸放熱模塊具有至少二個熱管組件時，該二個熱管組件分別是以其蒸發(fā)部接置在該吸放熱模塊上的放熱熱管組件，以及以其冷凝部接置在該吸放熱模塊上的吸熱熱管組件。
8.如權(quán)利要求7所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該放熱熱管組件的冷凝部是具有一向上外露出該吸放熱模塊的放熱端，該吸熱熱管組件的蒸發(fā)部則是具有一向下外露出該吸放熱模塊的吸熱端。
9.如權(quán)利要求8所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，每一放熱熱管組件的放熱端可以是相互分隔與相互連通中的任一種。
10.如權(quán)利要求8所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，每一吸熱熱管組件的吸熱端可以是相互分隔與相互連通中的任一種。
11.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該熱管組件的部分內(nèi)壁上設(shè)有一毛細(xì)結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該熱管組件的所有內(nèi)壁均是裸壁。
13.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該熱管組件的所有內(nèi)壁均設(shè)有一毛細(xì)結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該具有磁熱效應(yīng)的材料是以釓、硅與鍺，依據(jù)Gd5(SixGe1-x)4的比例混合而成的磁熱效應(yīng)材料。
15.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該吸放熱模塊是用該磁熱效應(yīng)材料制成的粉末充填而成。
16.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該吸放熱模塊是用該磁熱效應(yīng)材料沉積而成的合金薄膜制成。
17.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該吸放熱模塊中配置有多層樹脂層，以對該磁熱效應(yīng)材料進(jìn)行一區(qū)段化。
18.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該可控制磁場是一交替充磁/消磁的靜止式電磁鐵形成的磁場。
19.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該可控制磁場是一交替充磁/消磁的靜止式超導(dǎo)磁鐵形成的磁場。
20.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該可控制磁場是一可動式永磁鐵形成的磁場。
21.如權(quán)利要求1所述的磁熱量的傳熱裝置，其特征在于，該磁熱量的傳熱裝置是可加裝，用以輸送傳熱流體流經(jīng)該熱管組件的熱交換管路，以形成一磁致冷機。
專利摘要一種磁熱量的傳熱裝置，配置在可間歇性作用的可控制磁場中，它包括以磁熱效應(yīng)材料制成的吸放熱單元，令其受該可控制磁場的作用產(chǎn)生一溫度變化，以及至少一組具有蒸發(fā)部與冷凝部的熱管組件，它是相對地分別設(shè)在該吸放熱模塊上，且分別突出于該吸放熱模塊的上、下兩端側(cè)一定長度；當(dāng)受該可控制磁場作用，該吸放熱模塊吸熱時，該外露出下端側(cè)的熱管組件可將熱量上傳至該吸放熱模塊中，當(dāng)受該可控制磁場作用，該吸放熱模塊放熱時，使吸放熱單元中的熱量傳遞至外露出上端側(cè)的熱管組件，再排至外界，從而形成一磁冷卻系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉與可微型化的特點。
文檔編號F25B21/00GK2610281SQ03256508
公開日2004年4月7日 申請日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者江旭政, 楊秉純, 胡耀祖 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院