TW426798B - Stirling apparatus - Google Patents

Description

A2679B 五、發明說明（1) [發明之領域] 本發明係關於使用裝設於史達林（司徒令）循 (Stirling cycle)機器（史達林引擎、史達 威爾米（Vuilleumier)循環機器、庫克.亞波機等）、 器等的熱機（heat engi ne )上的熱交換器而可備壤機 品運輸、環境試驗、醫療、生物產業、半導體1製使用柃食 業用、或是家庭用機器等所的產業領域之 a等的產 達林裴置。 、，部的史 [習知技術之說明] 很早以前，史達林循環機器（史達林發動機、 冷康機等)、制米環機器、庫克.亞波洛夫循環以 的熱機，就於日本專利特開平7_293334公 牲押等 公報、特開平M58939公報等中為眾;^ j平 尤其是可作為近年來地球環境問題中用以代替 冷凍劑的冷凍裝置，且使用溫度範圍比習知之冷卻裝^ 廣而I適用於冷凍庫、冷藏庫、浸入式冷卻器等的業務= 或是家庭用之冷熱利用機器，以及忮溫液體循環器低田 慑溫器、‘良溫槽、熱衝擊試驗裝置、，结；東乾燥機、溫度= 性試驗裝置'血液·細胞保存裝置低溫冷卻器、其他各 種的冷凍冷卻裝置等所有產業領域之冷熱利用機器上， 且小型工作性能係數（c〇efficient perf〇rfflance)及能 源效率佳的熱機，乃以史達林冷凍機最受人矚目。 一 ％然而’在史達林冷凍機中，動作氣體係流動於壓縮室 (兩溫室）和膨脹室（低溫室）之間，而藉由沿著該流路而設 C:\ProgramFiles\Patent\310389.ptd 第 4 頁 426798 五、發明說明（2) 的吸熱用熱交換器（低溫侧熱交換器）及散熱用熱交換（高 溫側熱交換器），分別與冷熱冷媒及散熱用冷媒間進行之 熱交換。以往，熱交換器係採用例如殼管（she 11 and tube)式熱交換器或板形散熱片（pi ate fin)式熱交換器 等。 第1圖及第2圖各為習知之殼管式熱交換器之正面圖， 和圖1之A-A截面圖。 第1圖及第2圖所示之習知的殼管式熱交換器122，係 在内套筒123和外套筒124之間形成供冷卻水等熱交換媒體 流動的環狀流路125，並於該流路125中藉殼體127固定供 氦等熱機之動作氣體流動的多條管126所構成。然而，殼 管式熱交換器122，雖然在性能方面很優秀，但是在製作 上卻很花時間和勞力，所以成本很高。 在史達林冷凍機等之史達林裝置中的熱交換器，為了 提高熱交換性能、可靠性，被要求動作氣體不會局部被阻 礙而可均等流動之流路或形成厚度均等且精密的散熱片 等，進而為了實現低成本化被要求熱交換器本身的加工性 要優，而且將史達林裝置之整體構造簡單化的構成。然 而，如上述般，殼管式熱交換器卻在裝配上須花時間勞力 而在低成本化上有問題。 [發明之摘述] 本發明為了解決上述問題而成者，其目的在於提供一 種與習知之熱父換器相比，在傳熱性能等的性能方面很優 秀，而且製作容易加工性佳，成本低的熱交換器。 Ι^ΒΓΒβΓ C:\Prograni Files\Patent\310389. ptd ΪΤ"ΐ ---- d267 9 8 五、發明說明（3) 又，本發明之另一目的，係在於提供一種使用上述熱 交換器，即可不必使用氟氣烷就可在廣範圍的使用溫度下 使用，且在各種領域之冷熱利用機器及溫熱利用機器之至 少一方上可裝卸自如地連接利用，並具有通用性及小型 性，可同時使用所發生之冷熱及溫熱之兩方且可達成能源 之有效利用的史達林裝置。 為了達成本發明之上述目的，提供一種史達林裝置 係具有低溫侧熱交換器及高溫側熱交換器，使用藉動作氣 體及熱交換媒體之熱交換進行冷卻及/或加熱動作之熱交 換器者，其特徵為：前述低溫侧熱交換器，係由供前述史 達林裝置之活塞或是驅氣器（displacer)滑動之内側圓筒 配設在其内部，且具有頂壁及側壁的圓柱體狀之頂部熱交 換機架所構成，而前述高溫側熱交換器係由配設於韵;述 内側圓筒之外側的圓柱體狀之環狀熱交換機架和套入固定 於其内侧的熱交換器本體所構成，而在前述環狀熱交換機 架和前述熱交換器本體之間形成熱交換媒體之流路，且在 前述低溫側熱交換器頂部熱交換機架和前述高溫侧埶 器之熱交器本體的至少一方之内周面，形成有散心俾與 前述内侧圓筒之外周面共同形成動作氣體用的流路 梯 前述頂部熱交換機架、前逑環狀熱交換機架及前述執 器本體之至少一個係以鑄造法所形成。 … 熱交 在上述史逹林裝置中，於前述頂部熱交換機架及前述 軸方向形成直線狀的細溝所構成，且以該細溝述：由

426798 五、發明說明（4) 圓筒之外周面而形成前述動作氣體用的流路。 在上述史達林裝置中，在前述熱交換器本體之至少内 周面，以面向前述動作氣體用流路之方式固定有偏位帶狀 散熱片（offset strip fin)。 在上述史達林裝置中，在前述熱交換器本體之外周 面，以面向熱交換器本體之方式固定有偏位帶狀散熱片。 在上述史達林裝置中，在前述低溫侧熱交換器之頂部 熱交換機架及前述高溫侧熱交換器之熱交器本體的至少— 方上，於其外周面設有一體形成的散熱片、或形成不同體 且於後才裝上的散熱片。 在上述史達林裝置中，前述設成一體或不同體的散熱 片係為環狀的散熱片。 在上述史達林裝置中，其更具有配設在前述低溫側熱 交換器之熱交換機架之前端部的冷卻頭，該冷卻頭具有用 以供貫穿其内部之熱交換煤體流動的熱交換媒體用流路， 且在該熱交換媒體用流路内設有用以提高熱交換效率的散 熱片。 在上述史達林裝置中，前述散熱片係由偏位帶狀散熱 片所製成。 在上述史達林裝置中，其具·備有在前述低溫侧熱交換 器中供被冷卻之熱交換媒體流動的冷熱交換媒體管路，與 設在該冷熱交換媒體管路之一端上的入口检及設在另一端 上的出口检，而藉由將上述冷熱交換媒體之出口栓及入口 栓裝卸自如地連接在冷熱利用機器之冷熱交換媒體管路 IHHH mm C:\Program Files\Patent\310389, ptd 第 7 頁 426798 五、發明說明（5) 上’即可在前述史達林裝置和前述冷熱利肖機胃之間，形 士：熱交換媒體之循環管路，以對前述冷熱利用機器輸送 冷熱。又藉由令前述史達林裝置之馬達逆轉而輸送溫熱。 在上述史達林裝置中，其更具有藉由根據來自前述冷 熱利用機器之溫度檢測信號來控制前述史達林裳置之動作 月&力，以進行刖述冷熱利用機器之溫度控制之溫度控制裝 置0 在上述史達林裝置中，其具備有在前述高溫侧熱交換 器中供被散熱之熱交換媒體流動的加熱交換媒體管路與 設在該加熱交換媒體管路之一端上的入口拴及設在另一/、 端上的出口栓’而藉由將溫熱利用機器裝卸自如地連接在 前述加熱交換媒體之出口栓及入口栓上，以對該溫熱利用 機器輸送溫熱。 在上述史達林裝置藉由根據來自前述溫熱利用機 器之溫度檢測信號來控制前述史達林裝置之動作能力，以 執行前述溫熱利用機器之溫度控制的溫度控制裝置，係與 前述冷熱利用機器之溫度控制裝置設成一體或 在上述史達林裝置中，其更設有用以將林裝 置之馬達控制成逆轉’藉以除去前述冷熱利用機器及/或 低溫熱交換器之霜的除霜用控制電路。 / 在上述史達林裝置中，前述頂部熱交換機架前述環 狀熱交換機架及前述熱交換器本體中至少一個係以脫 造法所形成。 在上述史達林裝置中，形成於前述頂部熱交換機架及 BBBH 1麵 C:\Program Files\Patent\310389. ptd ϊ -- 426798 五、發明說明（6) 前述熱交換器本體中至少一方所形成的散熱片係依脫蠟 禱造法一體形成。 在上述史達林裝置中，前述熱交換媒體係使用乙醇、 HFE(氟氫乙醚）、PFC(全氟化碳）、pFG(全氟乙二醇）、油 C加熱用）' I、氦或水等，而前述動作氣體，係使用氮 氦、水等。 ' [圖式之簡單說明] 第1圖為習知之殼管式熱交換器的正面圖。 第2圖為第1圖之熱交換器的a_a截面圖。 第3圖為說明本發明之史達林冷凍機的全體圖。 第4圖為用以說明膨脹氣缸體以作為本發明之熱機用 氣缸體之實施例的圖，且為其截面圖。 第5A，5B，5C圖為說明第4圖之膨脹氣缸體之低溫側 熱交換機架（頂部熱交換機架）的截面圖及平面圖。 第6A，6B，6C圖為用以說明第4圖之膨脹氣缸體之高 溫側熱交換機架（環狀熱交換機架）的截面圖及平面圖 第7A，7B圖為用以說明本發明實施例之膨脹氣缸體之 低溫側熱交換機架的第一及第二變形例之截面圖。 第8圖為本發明之熱交換器所使用之板形散熱片之單 體之一例的平面圖。 第9圖為第8圖之板狀散熱片及間隔件的截面圖。 第10圖為本發明之熱交換器之板形散熱片的單體及散 熱片之另一例的截面圖。 第U圖為本發明之熱交換器之板形散熱片的單趙及散

五、 發明說明（7)

熱片之更另一例的截面圖。 熱片=顯示本發明之熱交換器中所利用之偏值帶狀傲 第13圖為第12圖的重要部位放大圖。 第14圖為裝設偏位帶狀散熱片之熱交換器的平面圖 第15圖為第14圖的重要部位放大圖。 第16圖為第14圖之熱交換器的C-C載面圖。 第17圖顯示第14圖所示之熱交換器之變形例的圖。 第18圖為第17圖的D-D截面圖。 第19圖為第18圖的重要部位放大圖。 第20圖為在本發明之熱交換器之一例的冷卻頭内配置 偏位帶狀散熱片之構造的側部截面圖。 第21圖顯示將第20圖之冷卻頭安裝在史達林冷;東機之 低溫圓筒内之狀態的正面截面圖。 第22圖為使用本發明之熱交換器之史達林冷卻系統的 全趙概念圖。 第23圖顯示在第22圖申所利用之史達林冷卻裝置的 第24圖顯示第22圖之史達林冷卻系統之溫度控制的 圖。 第25圖為使用本發明之熱交換器之史達林冷卻加熱系 統的全體概念圖。 第26圖顯示在第22圖之史達林冷卻加熱系統中所利用 之史達林冷卻加熱裝置的圖。

C:\Program Fil6s\Patent\310389. ptd 第 10 頁 4 267 9 8 五、發明說明（8) 第27圖顯不第25圖之史達林冷卻加熱系統之溫度控制 的圖。 [發明之詳細說明] 以下係根據實施例並參照圖式說明本發明之實施形 態。 第3圖至第7B圖為說明本發明之熱交換器之第一實施 例的圖，第3圖為說明本發明之熱交換器之熱機用氣缸體 可適用的熱機之一例之史達林冷凍機1的全體圖。 史達林冷准機1之機架（housing)2係由铸造法所形 成’其内部保持於半密閉狀態。該機架2内係由分區壁3 而區分為馬達室4和曲柄室5。在該馬達室4内配設有可正 反轉的馬達6’而在曲柄室5内，配設有將馬達6之旋轉動 作變換成往復動的曲柄轴7、連桿（connecting r〇d)g及十 字導承頭（cross guide head)9，係當作史達林冷凍機1之 驅動手段的功能。 曲柄軸7之二個曲柄部1〇、π，係以在馬達6正轉時曲 柄部11會比曲柄部10提早移動之方式加上相位差而形成 者。該相位差，一般係採用約9〇度的相位差。 在曲柄室5之上部，配設有壓縮圓筒12、及延伸位於 壓縮圊筒12之若干上方的膨脹圓筒13。壓縮圓筒12和膨服 圓筒13及機架2内，封入有例如氦、氫氮等以作為動作 氣體。壓縮圓筒12具有以螺栓等而固定在機架2上的壓縮 氣缸體4，壓縮活塞15會往復於該壓縮氣缸體η空間内。 該空間之上部（壓縮空間）為高溫部1 6，此中之動作氣體會

426798 五、發明說明 因被壓縮而變成高溫。 壓縮活塞桿17，係用以連結壓縮活塞15和十字導承頭 9，並透過油封1 9而延伸於壓縮圓筒丨2和曲柄室5之間往 復動之壓縮活塞15由於其滑動方向係在上死點及下死點進 行反轉，所以速度會變零，在上死點及下死點附近速度會 變慢而每一單位時間之容積的變化量也會變小而在從下 死點朝向上死點移動及從上死點朝向下死點移動時之各自 的中間點上會變成最高速度，而依每一時間單位之壓縮活 塞15的移動而產生的容積之變化量也會變成最大。 另一方面，膨脹圓筒13，具有以螺栓等而固定在機架 2上的膨脹氣缸體20，膨脹活塞21會往復滑動於該膨脹氣 缸體20之空間内。該空間之上部（膨脹空間）為低溫室22， 此中之動作氣體會因膨脹而變成低溫。膨脹活塞桿23，係 用以連結膨脹活塞21和十字導承頭18，並透過油封25而延 伸於膨脹圓筒1 3和曲柄室5之間。膨脹活塞21比壓縮活塞 15僅提早移動90度之相位。 在膨膜氣缸想2 0上，設計成連通歧管（mani f 〇1 d)26以 使動作氣體在壓縮圓筒12之壓縮空間内流入流出，進而互 相依序連通散熱用熱交換器（高溫側熱交換器）27、再生器 28及冷卻用熱交換器（低溫側熱交換器）29而配設成環狀。 在壓縮氣紅體14之上端部附近，形成有用以連通高溫 部16和歧管26的連通孔30，藉此高溫部16和低溫部22就 可透過連通孔30、歧管26、散熱用熱交換器27 '再生器28 及冷卻用熱父換器29互相依序連通而構成。

C:\Program Files\Patent\310389.ptd 第 12 頁 426798 五、發明說明αο) 參照第4圖至第7B圖詳細說明本發明之熱機用氣缸 體’並使用上述膨脹氣缸體2〇作為其一例。 在第4圓中，膨脹氣缸體2〇係由内側圓筒31、同心配 設在内侧圓筒31之下部外側的散熱用熱交換器27及配設於 其上的低溫側熱交換機架（頂部熱交換機架）32所構成。内 侧圓筒31 ’係形成膨脹活塞2丨所往復動的圓筒空間，上部 33及下部34可透過〇形環24組合構成，也可一體製造而 成。 第5A圖係顯示低溫側熱交換機架，第5β圖為第3圖 之A-Α切斷平面，第5C圖為主要部位c的放大圖。在第4圖 及第5A，5B，5C圖中，低溫側熱交換機架32，係形成圓柱 體狀，由頂壁35、側壁36及下端凸緣部37所構成。在側壁 3 6之前端側（圖中上側）外周面形成有散熱片3 8及中間凸緣 38 。頂壁35係由凸緣頂壁部35，和中央頂壁35，所構成， 如第4圖中之ff所示，中央頂壁部35,係與側壁之頂端内 面熔接一體化。又，頂壁35，亦可與側壁36同時依後述之 脫蠟鑄造法（lost wax casting) —體形成。 在側壁3 6之前端側内周面，在與内侧圓筒3 1之外面密 接的同時，在圓周方向以間隔形成多條長軸方向的細溝 39(第5C圖）。科用細溝39和内側圓筒31之外面形成動作氣 體的流路。如此低溫侧熱交換機架32之頂部（冷卻頭40)， 就形成冷卻用熱交換器（低溫側熱交換器）29。7該冷卻頭 40，係與空氣、水、乙醇或其他的冷熱冷媒相接觸，以進 行冷熱冷媒之冷卻。 C:\ProgramFiles\Patent\310389.ptd 第 13 頁 426798 五、發明說明（11) 在低溫側熱交換機架32之中央部的内周面形成有環狀 的凹部41，與内側圓筒31共同形成環狀空間42，且於其内 部充填金屬網等的再生器材料就可形成再生器2 8。低溫側 熱交換機架32的下端凸緣部37係載置在散熱用熱交換器27 的上端凸緣部43上。 本發明低溫側熱交換機架32，係利用SUS系等的材料 依脫蠟法所鑄造者。亦即，本發明之低溫侧熱交換機架3 2 之特徵，係以在外周面形成冷卻散熱片38，在内周面形成 動作乱體流路用的細溝39的方式，依脫壤講造法一體製作 的構成。 如此利用脫蠟鑄造法所製作的低溫側熱交換機架3 2， 由於形成於其外面的冷卻散熱片38可精密鑄造成纖細的掏 狀，所以在散熱性能方面極為優越，且由於形成於其内面 之轴方向的細溝39也可精密鑄造，所以不會局部阻礙動作 氣體之流動而可均等地流動，俾使冷凍性能得以提高。另 外，在上述之例子中，雖然是利用脫蠛縳造法在低溫側熱 交換機架32之外面和内面各別形成冷卻散熱片38和細溝 3 9 ’但是只要至少在低溫側熱交換機架3 2之内面轴方向上 形成細溝3 9就可提高某種程度的熱交換效率》 第6A圖為膨脹氣缸體之高溫側熱交換機架（環狀熱交 換機架）的縱剖面圖，第6B圖為第6A圖之B-B切斷平面，第 6C圖為主要部位D的放大圖。在第4圖及第6A，6B，6C圖 中，散熱用熱交換器27，係如第4圖及第6A，6B，6C圖所 示之環槽型（annular type)的熱交換器，該散熱用熱交換 iKrai irami C:\Program Files\Patent\310389. ptd 第 14 頁

4267 9 B 五、發明說明（12) 器27，具有高溫側熱交換機架（環狀熱交換機架和同心 插入於其中的熱交換器本體45，在高溫側熱交換機架44和 熱交換器本體45之間形成有冷卻水等之熱交換媒體用的流 路46 ’其上下端係由密封47所封住。在與該流路46連通之 方式下，形成流入口 48及流出口49。 面對該流路46而在熱交換器本體45之外周壁上形成有 多片散熱片50，而在熱交換器本體45之内周壁面上，沿著 軸方向以一定間隔在其圓周之多方向形成有細溝51，並在 與内側圓筒31之間構成氦等動作氣體（熱交換流體）的流 路。 在第3圖中，散熱用熱交換器27係透過冷卻水循環管 路52及冷卻水用泵pi與散熱器（radiat〇r)53相連接，以循 環冷卻水。在散熱用熱交換器27中進行熱交換且加熱的冷 卻水係藉由散熱器53之冷卻風扇54而冷卻。冷卻水循環管 路52，係透過備用閥（reservojr vaive)55連接有備用箱 (reservoir tank)56。又，在散熱器53上連接有排氣器 57，同時連接有排洩閥58。 本發明之散熱用熱交換器27的熱交換器本體45， 用SUS、銅、鋁或其他的材料，依脫蠟法所鑄造，而形成 於熱交換器本體45之外面的散熱片50由於可精密鑄造成纖 細的褶狀，所以在散熱性能方面極為優越。且由於形咸於 其内面之轴方向的細溝51也可精密一體鑄造，所以不會局 部阻礙動作氣體之流動而可均等地流動，俾使冷凍性能^ 以提高。高溫側熱交換機架44，如上述般亦可利用脫轉

4 267 9 8 五、發明說明（13) 造法形成，亦可以通常的鑄鐵製作。又，與低溫側熱交換 機架相同，只要至少在低溫侧熱交換機架44之熱交換器本 體45的内面軸方向上形成細溝51就可提高某種程度的熱交 換效率。 在以上的實施例中，雖係對低溫側熱交換機架（熱交 換器本體）在其内面將細溝，進而在其外面將散熱片分別 與熱交換機架（熱交換器本體）一體設計（脫蠟法），但是本 發明並不限定於此，例如以下所說明般亦可將外部散熱片 以不同體設在熱交換機架（熱交換器本體）上。 第7A，7B圖為說明本發明之膨脹氣缸體2 〇之低溫側熱 交換機架的變形例之圖。第7A圖係顯示作為第一變形例的 低溫側熱交換機架32，，該低溫側熱交換機架32，，係在其 外周面沒有依脫蠟鑄造法一體形成散熱片或凸緣者（内面 形成有細溝）。在該第一變形例中，係在沒有附設散熱片 等的狀態（第7A圖之狀態）下使用，或以與接觸於其周面之 空氣等的冷媒進行熱交換，或以在其外周面捲繞（未圖示） 可使供熱父換之冷媒等流動的熱交換用管之方式使用或 以事後在其周面追加成外部散熱片及凸緣之方式而使用 (亦即，並非將外部散熱片與熱交換機架設為一體而是 以個別方式安裝成不同體）。 茲將以後來所形成之外部散熱片及凸緣者當作第二變 形例而顯示於第7B圖。第二變形例的低溫側熱 32'係於其周面利用溶接法等安裝凸緣6〇.61所構成’而 上述ώ緣60.61之材料係與以銅鋁、sus等材料製造成圓

d267 9δ

環狀的外部散熱片59及機架者之材料相同。此種外部散熱 片，亦可為螺旋狀或其他的形狀。 第8圖至第li圖係顯示在上述之第：變形例+當作外 部散熱片而以個別方式體安裝在熱交換機架之周面上的環 狀板形散熱片單體、和插入於環狀片間之間隔件的具體構 第8圖為環狀之板形散熱片45，的平面圖第9圖係顯 示其剖面、及間隔件46’。第9圖所示者係以壓機或切削 加工等的機械加工所製造，且以不同體形成直徑方向具有 充分寬度之環狀板形散熱片45’之單體及環狀間隔件46,。 該種環狀之扳形散熱片45’及間隔件46，，係有多片交互重 疊在熱交換機架之軸方向上，且利用硬焊（brazing)或是 壓入等接合在熱交換機架的外面。第1〇圖所示者係利用 切削等的機械加工一體形成板形散熱片45，和間隔件46，的 間隔件-體板形散熱片47’，w軸方向將此複數片重昼在 熱交換機架的外周上’並接合在熱交換機架的外周。第u 圖所示者，係利用壓機加工，一體形成板形散熱片45，和 間隔件46’㈣隔件一體板形散熱片47”才目肖地以抽方 向將此複數片重叠在熱交換機架的外周上，並接合在熱交 換機架的外周。 另外，在上述之例子中，雖是交互重疊板形散熱片和 S隔件的構造，但是亦可不使用間隔件而以預定間隔將各 環狀板形散熱片配置成第7B圖所示之構造。 上述之變形例雖是就低溫側熱交換機架加以敘述者，

^26798 芄、發明說明（15) ---- 但^也可就高溫側熱交換機架設成同樣的構成。又，藉由 在南溫侧熱交換器和低溫側熱交換器之至少一個的内面側 製作成具有細溝構造，就可將熱效率提高某種程度。當然 暴庸置疑的可藉由在外面側設置散熱片構造而更加提高熱 效率。其次’參照第3圖說明具有本發明之上述各熱交換 器的史達林冷凍機之作用。 曲柄轴7係由馬達6旋轉於正方向，而曲柄室5内之曲 柄部1 0. 11係錯開9 〇度相位旋轉。十字導承頭9.丨8係透過 轉動自如地連結在該曲柄部iOU上的連桿88’而往復移 動。透過壓縮活塞桿17及膨脹活塞桿23而連結在十字導承 頭9.18之各個上的壓縮活塞15及膨脹活塞21，係互相以90 度的相位差往復移動。 當膨脹活塞21先行90度而在上死點附近慢慢地移動 中，壓縮活塞1 5會由中間附近急速朝向上死點移動以進行 動作氣體之壓縮動作。被壓縮的動作氣體，會通過連通孔 30及歧管26而流入散熱用熱交換器27之細溝51内。在散熱 用熱交換器27内對冷卻水散熱的動作氣體，會由再生器28 冷卻，且經由冷卻用熱交換器29之溝内而流入低溫室 22(膨脹空間）。 當壓縮活塞15在上死點附近慢慢地移動時膨脹活塞21 會急遽地朝向下死點移動，而流入低溫室22(膨脹空間）内 的動作氣體會急遽膨脹而產生冷熱。藉此冷卻頭40會因冷 卻而變成低溫。 同時，冷卻頭40，會把與冷卻散熱片38接觸的冷熱冷

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4267 9B 五、發明說明（16) -- 媒予以冷卻當膨脹活塞21從下死點移動至上死點時壓縮 活塞15係正從中間位置朝向下死點移動而動作氣體會從 低溫室22經由冷卻頭40之細溝39而流入再生器28，使動作 氣體所擁有冷熱蓄熱於再生器28。在再生器28内所蓄熱的 冷熱，則可再利用於供再次冷卻如上述從高溫部16經由散 熱用熱交換器27而送來的動作氣體之用。 接著’在冷卻頭4〇中被冷卻的冷熱冷媒，係用以將各 種的冷熱利用機器予以冷卻者。例如冷熱冷媒係送至 冷4庫等之冷熱利用機器内的冷熱冷媒配管内，以在冷熱 利用機器内進行冷凍或是冷卻作用，並循環返回冷卻頭 4 0，再次予以冷卻。 在散熱用熱交換器27經予熱交換的冷卻水，係從冷卻 水循環管路52流至散熱器上，因此可由冷卻風扇予以冷 卻’再次循環至散熱用熱交換器27内。 另外，在上述實施例中雖是使用雙活塞型的史達林冷 凍機1，但毋庸置疑的也可以使用驅氣器型等其他形式的 史達林冷柬機1。 若依據本實施之史達林冷卻裝置，則可達成如下之效 果。 (1)在構成膨脹氣缸體的頂部熱交換機架上，由於在 其内面一體形成動作氣體流路或是除了在該内面之動作 氣體流路之外還在外面一體形成冷熱冷媒冷卻用的散熱 片，尤其是藉由脫蠟铸造法精密形成，因此可改善加工 性，且可使史達林冷;東機本身之構造極為簡單化且低價格 C:\ProgramFiies\Patent\3i0389.ptd 第 19 頁 426798 五、發明說明（π) 化，同時不會局部阻礙溝内之動作氣體的流動而可均等流 動，且藉由具有均等的厚度，並精密形成的散熱片就可提 高熱交換性能、可靠性。 (2) 散熱熱換器之環狀熱交換機架及熱交換氣本體， 由於也分別一體形成，尤其是藉由利用脫蠟鑄造法精密形 成，所以可改善加工性，實現低價格化，且不會局部阻礙 溝内之動作氣體的流動而可均等流動，故可提高熱交換性 能、可靠性。 (3) 由於動作氣體使用氟氣烷以外的冷媒，即乙醇、 氮、氦等低熔點的冷媒，所以可提供環境性優越的氟氣烷 代替冷凍機。 其次，參照第1 2圖至第1 9圖說明本發明之熱交換器的 另一實施例。本實施例的重點，係在於為了提高熱交換器 性能，而在形成熱交換器本體之熱交換器筒的内面或是外 面或者是該等兩方上，配設偏位帶狀散熱片以作為散熱片 構造之點" 以第12圖及第13圖說明偏位帶狀散熱片之構造。第12 圖係顯示將偏位帶狀散熱片2 35設置在内外二片支撐板 236、237之間的熱交換器，第13圖為放大偏位帶狀散熱片 235之一部分的圖。 偏位帶狀散熱片235，係將傳熱性能優異之細長形狀 帶板以矩形狀彎曲成鋸齒形狀，而以朝細長形狀帶板2 3 8 之長度方向形成複數個具有矩形狀之剖面的分區通路2 39 之方式硬焊在支撐板上所成。如此之細長形狀帶板238，

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係以朝向與其長度方向成直 且使其由互相鄰接之細長形 互相錯開（以偏位狀態）配設 角的方向連續配設複數片，而 狀帶板所形成的分區通路239 第14圖至第16圖係顯示將該種偏位帶狀散熱片m適 用於史達林循環熱機^熱交換器上的實施例。該實施例 的熱交換器240,具有外套筒241、和套入於外套筒241内 之圓疴狀的熱交換筒242，並透過或不透過内圓筒（襯套 筒），嵌合安裝在第3圖所示之熱機之高溫側圓筒及/或低 溫側圓筒之外周。 熱交換器242係形成具有適當厚度圓筒狀，且在熱交 換筒242之上下端部之各個上形成有環狀的密封部243。該 環狀之密封部243的各個，係由與外套筒241内面套接的大 徑部244、及為嵌裝氣封245而形成在該大徑部外面之溝 246所構成，由該上下之密封部243、熱交換筒242之外 面、和外套筒241内面所包圍的環狀空間，係形成供冷卻 水等熱交換媒體流動的熱交換媒體用流路247。另外，利 用氣封245的密封構造係視需要而採用者。 在熱交換筒242之外面，形成複數個環狀之熱交換用 的散熱片248朝熱交換媒體用流路2 47突出。在外套筒241 上，對外套筒241之軸心互相位於相反側，且於其長度方 向之上下端部或是中央部，設有熱交換媒體的流入孔251 及流出孔252。熱交換媒體，係從流入孔251流入熱交換媒 體用流路247内，且與熱交換用散熱片248接觸而流動，並 在熱交換器240内進行熱交換而從流出孔252流出

C:\Progran Files\Patent\310389. ptd 第 21 頁 4 267 9 8 五、發明說明（19) 由熱交換筒2 42與配置於其内侧之内圓筒或是驅氣器 圓筒253所形成的空間，即為氦氣等熱機之動作氣體流路 2 54。面對該動作氣體流路254配設有偏位帶狀散熱片 235。 ' 具趙言之，偏位帶狀散熱片235係以能使細長形狀帶 板238之長度方向與熱交換筒24 2之圓周方向相符之方式沿 著熱交換筒24 2之内面硬焊在熱交換筒242之内面。藉此， 即可使偏位帶狀散熱片235在熱交換筒240之内面配置成使 偏位帶狀散熱片235之分區通路239的方向與熱交換筒242 之長轴方向一致的構成。 下面舉以史達林裝置之動作氣體係以冷卻水等熱交換 媒體加以冷卻之熱交換的情況為例說明以上實施例之熱交 換器2 4 0的作用。 如箭號250所示，熱交換媒體係由流入孔251流入熱交 換媒體用流路247内，且流經熱交換媒體用流路247内，而 由流出孔252流出。當流經熱交換媒體用流路247内之際， 會與形成於熱交換筒242之外面的環狀熱交換散熱片248接 觸而進行熱交換。

另一方面，流入熱交換器240的動作氣體，如箭號249 所示，係沿著分區通路239以轴方向流至動作氣體流路254 内。此時，動作氣體，會與偏位帶狀散熱片235接觸而進 行熱交換。動作氣體由於可以很大的面積與偏位帶狀散熱 片235接觸，所以其傳熱面積大，會提高熱交換性能D 第17圖至第19圖係顯示本發明上述之熱交換器的變形

42679B 五、發明說明（20) 例。該變形例的熱交換器255 ,具有外套筒256、和套入於 外套筒256内之圓筒狀的熱交換筒257，並透過或不透過内 圓筒（襯套筒），喪合安裝在第3圖所示之熱機之圓筒之外 周上。 熱交換筒257與第14圖至第16圖的實施例相同，係形 成具有適當厚度的圓筒狀，且在熱交換筒257之上下端部 之各個上形成有嵌入第14圖至第16圖的實施例相同之環狀 的密封部259。由該上下之密封部259、熱交換筒257之外 面、和外套筒256内面所包圍的環狀空間，係形成供冷卻 水等之熱交換媒體流動的熱交換媒體用流路260。 在該變形例中，與第14圖至第16圖的實施例不同，其 特徵為面對熱交換筒257之外面，即，面對熱交換媒體用 流路260配設偏位帶狀散熱片235。亦即，上述偏位帶狀散 熱片235，係使其分區通路239之方向與熱交換筒257之軸 方向一致下，硬焊配設在熱交換筒257之外面261上。 在外套筒256之軸方向一端部（圖中為上端部）上，設 有熱交換媒體之流入孔262，另一方面，在外套筒256之轴 方向另一端部（圖中為下端部）上，設有熱交換媒艎之流出 孔263。熱交換媒體，係從流入孔262流入熱交換器255 内，通過熱交換媒體用流路260内，且在進行熱交換之後 從流出孔263流出。 由熱交換筒257和配置於其内側之内圓筒258或是置換 器圓筒所形成的空間，係形成有氦氣等熱機之動作氣體流 路2 64，且面對動作氣體流路264形成有栓槽（spl ine)狀的

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冷卻散熱片。具體言之，在熱交換筒257之内周全面上， 依切線加工形成有多條延伸於軸方向的微小溝且形成 有栓槽狀的冷卻散熱片266。 β說月依以上之變形例構成的作用如下。將就以熱交換 器255說明進行如史達林冷凍機丨之動作氣體由冷卻水等的 熱交換媒體予以冷卻之熱交換的情況加以說明。熱交換媒 體，係由流入孔262流入熱交換媒體用流路26〇内流經熱 交換媒體用流路260内之後，由流出孔263流出。在熱交換 媒體流經熱交換媒體用流路260内之際，與形成於熱交換 筒257之外面的偏位帶狀散熱片235接觸而進行熱交換。 另一方面，動作氣體，會在動作氣體流路264内邊與栓 槽狀的冷卻散熱片266接觸邊朝軸方向流動，以進行熱交 換。 '、、 另外，第14圖至第19圖所示之實施例及其變形例，雖 是在熱交換筒之内面或外面配設偏位帶狀散熱片，但是亦 可採構成為在熱交換筒之内面及外面之兩面上配設偏位帶 狀散熱片，以使動作氣體及熱交換媒體能與各自的偏位帶 狀散熱片接觸的熱交換器。 又’本發明雖係就配設於史達林冷凍機之圓筒外周的 環狀熱交換器加以說明，但是並此種環狀的熱交換器而 亦可採如日本特開平9-152210號公報之熱交換器，配設在 動作氣體所流動的管路的筒狀熱交換器。 就是說，也可採一種在熱交換筒内侧嵌合實心之栓槽 軸’而於形成在其外面之栓槽與熱交換筒之間形成供動作

C:\Program Files\Patent\310389. ptd 第 24 頁 426798 五、發明說明（22) 氣體流動之流路，且在熱交換筒外周面配設偏位帶狀散熱 片235而成之筒狀熱交換器。 以上之實施例，唯本發明之熱交換器適用於史達林冷 凍機之熱交換器的例子，但是，毋庸置疑亦可適用於其他 威爾米循環機器、庫克.亞波洛夫循環機器等熱機之熱交 換器上。 如上述，上述實施例由於係採一種在熱交換筒之外面 或内面之任一個，或是兩方上，固定偏位帶狀散熱片且 在熱機之動作氣體用流路及熱交換媒體用流路之兩方或是 其任一方上，配設偏位帶狀散熱片的構成，所以其熱交換 器之製作很簡單，成本會變低，同時由於將細長形狀帶體 折彎成鋸齒形狀以使接觸面積增加，所以可提高熱交換器 之熱交換性能。 第20圖及第21圖中，331為與第3圖所示之史達林裝置 大致相同構成的冷卻頭，在熱交換媒體流路328中配設有 偏位帶狀散熱片332。 為了簡單理解配設偏位帶狀散熱片3 32之熱交換器（冷 卻頭）的構造，參照第12圖、第13圖加以說明。偏位帶狀 散熱片332之構造由於與第12圖、第13圖所示者相同，所 以在此省略重覆記載。 將偏位帶狀散熱片33 2適用於熱交換媒體用流路而成 的冷卻頭331，係在使偏位帶狀散熱月332之分區通路337 的方向與熱交換媒體用流路328的行進方向一致下，硬焊 在底面328a上。熱交換媒體係由流入礼329流入熱交換媒 mm ι^βτ C:\ProgramFiles\Patent\310389.ptd 第 25 頁 426798 五、發明說明（23) 體用流路328，内邊與偏位帶狀散熱片332接觸邊流經熱交 換媒體用流路328内，從流出孔330流出。在熱交換媒體流 至熱交換媒體用流路32 8之際，由於利用偏位帶狀散熱片 332進行很大的面積接觸，所以可改善熱交換性能，且提 高冷凍機之冷凍能力。 膨脹空間309之頂部係以沿著圓頂狀之頂面，將熱交 換媒體用流路貫穿形成彎曲狀使其底壁之壁厚成為大致一 定，若沿著該熱交換媒體用流路配設偏位帶狀散熱片的 話，則可進行更有效率的熱交換。 另外，上述實施例，雖為本發明之熱交換器適用於史 達林冷凍機之冷卻頭的例子，但是，毋庸置疑本發明之熱 交換器亦可適用於其他威爾米循環機器、庫克.亞波洛夫 循環機器等之用以產生熱之圓筒上。 在本實施例之熱交換器中，熱交換媒體用流路由於係 貫穿形成於圓筒之缸頭、冷卻頭上，所以流經熱交換媒體 用流路的熱交換媒體，因與劃分流路之所有的面接觸，故 其接觸面積會增大，可達成更有效果的熱交換。又，藉由 改變流路之形狀使熱交換媒體之流速上升，也可提高熱交 換。 再者，由於沿著上述熱交換媒體用流路配設有偏位帶 狀散熱片，所以藉由在熱交換媒體流經流路之際與偏位帶 狀散熱片接觸，就可改善熱交換性能，且可提高熱機之能 力，例如冷凍機之冷凍能力。 而且，由於採將偏位帶狀散熱片予以硬焊而配設在熱 ΙΗϋΙ ΙΗ^Ι C:\Program Files\Patent\310389+ ptd 第 26 頁 426798

交換媒體用流路上之比較簡單的製程可實 熱交換性能優的的熱交換器。 ’ f見低成本’且 * Η頂邱二2冷卻頭中’若使熱交換媒體用流路沿著膨脹 二間頂部之圓頂狀的底面貫穿 ^ , 員芽形成曲面狀以使其底壁之壁 厚成為大致一定的話，就可沿箬-換。 /0署流路進仃更有效率的熱交 其次，就使用本發明之埶吞土 為表丨a ， …交換器的史達林冷凍機與冷 …利用機器組合的構成之史達林冷凍系統加以說明。 第22圖為說明本發明之史達林冷卻裝置之概略的圖。 本發明之史達林冷卻裝置401，具有箱型的箱體402，而在 該箱體402内配設冷凍機403所構成。 史達林冷/東機403，具有如前述的冷卻頭404。在冷卻 頭404上，連接有冷熱冷媒管路4〇5以使冷熱冷媒（用以將 史達林冷凍機403中所發生的冷熱載送至冷滚庫等熱利用 機器上的冷媒（二次冷媒））循環該冷熱冷媒管路4〇5的兩 端係貫穿箱體402，且在箱體402之外部設有冷熱冷媒之入 口栓40 6和出口栓407。 在使用本發明之冷卻裝置之際，可於該入口栓4 06和 出口栓407上裝卸自如地連接有冷凍庫等冷熱利用機器4〇8 上的冷熱冷媒配管之出口端409、入口端410。在冷熱冷媒 管路4 0 5之途申配設有冷熱冷媒用泵P2，以使冷熱冷媒循 環於史達林冷凍機4 03之冷卻頭404和冷熱利用機器408之 間。 冷熱利用機器408，除了冷凍庫以外，尚有冷藏庫、

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五，發明說明（25) 浸入式冷卻器、恆溫液體循環器久 之低…器、恒溫槽、熱衝擊試置 用 熱利用機器連接在上述入口栓4()6 Ψ ^ 該等的冷 用。 栓俱、出口栓術上來加以利 史達林冷卻裝置401。 造物所形成，在機架 第23圖中，詳細說明本發明之 史達林冷凍機403之機架411係由鑄 411之頂部形成有圓筒412。 如前述，該機架411内係由分區壁41 3劃 ⑴和曲柄室415,分別在該馬達室414内配設至 的馬達416，而在曲柄室415内設有使馬達416之旋轉 變換成往復動的旋轉往復變換機構部417。馬達室之開口 418及曲柄室之開口419，分別由蓋420、421所封住 架411内可保持於半密閉狀態。 ’機 在機架411内，有貫穿分區壁413，且轴支於分區壁 413及蓋42 0、421之軸承部422的曲柄轴4 23配置成可旋轉 自如。馬達416係由定子424a、及在該定子之内周侧配置 成可旋轉自如的轉子424b所構成，在該轉子424b之中央固 定有曲柄轴423。 、 旋轉往復變換機構部417，係由延伸於曲柄室415内之 曲柄軸423的曲柄部425;連接在該曲柄部425上的連桿 426、427 ;及安裝在該連桿426、427之前端的十字導承頭 428、429所構成，以作為史達林冷凍機403之驅動手段的 功能。 、

426798 五、發明說明（26) 十字導承頭428、429，係在設於機架411之圓筒412内 壁之十字導承襯套筒430、431内配置成可往復動。曲柄 部，係以在馬達416正轉時曲柄425b會比曲柄425a提早移 動之方式，加上相位差而形成者。該相位差，一般係採用 約9 0度的相位差。 在史達林冷凍機4 03之機架411的曲柄室415之上部， 配設有壓縮圓筒432、及延伸位於壓縮圓筒432之若干上方 的膨脹圓筒43 3。包含壓縮圓筒43 2和膨脹圓筒43 3而在機 架内，封入有例如氦、氫、氮等以作為動作氣體。壓縮圓 筒432具有依螺栓等而固定在機架411上的壓縮氣缸體 434，附設有活塞環435的壓縮活塞436會往復滑動於該壓 縮氣缸體434之空間内。該空間之上部（壓縮空間）為高溫 部437，此中之動作氣體會因被壓縮而變成高溫。 壓縮活塞桿438，其一端係固定在壓縮活塞436上，另 —端係透過油封439而延伸，且利用插銷在十字導承頭上 連結成轉動自如。往復動之壓缩活塞436由於其滑動方向 係在上死點及下死點進行反轉，所以速度會變零，在上死 點及下死點附近速度會變慢而每一單位時間之容積的變 化量也會變小，而在從下死點朝向上死點移動及從上死點 朝向下死點移動時之各自的中間點上會變成最高速度，且 依因每一時間單位之活塞的移動而產生的容積之變化量也 會變成最大。 另一方面，膨脹圓筒433，具有依螺栓等而固定在壓 縮圓筒432之上部的膨脹氣缸體440，附設有活塞環435’的 111 C:\ProgramFiles\Paterrt\310389.ptd 第 29 頁 426798 五、發明說明（27) 膨脹活塞442會往復滑動於該膨脹氣缸體440之空間内，該 空間之上部C膨脹空間）為低溫室4 4 1，此中之動作氣體會 因膨脹而變成低溫。在膨脹活塞442上，固定有膨脹活塞 桿44 3之一端，而膨脹活塞桿443之另一端係透過油封444 而延伸，且連結在十字導承頭429上。膨脹活塞442係比壓 縮活塞436僅早移動90度之相位。 在膨脹氣缸體440上，設計由圖面下方開始連通有歧 管445以使動作氣體在壓縮圓筒432之壓縮空間内流入流 出，進而互相依序連通散熱用熱交換器446、蓄冷器447及 至高溫室437之通路448而配設成環狀。在壓縮氣缸體434 之上端部附近，形成有用以連通高溫室437和歧管445的連 通孔449，藉此，高溫室437(壓縮空間）和低溫室441(膨脹 空間）就可透過連通孔449、歧管445、散熱用熱交換器 446、蓄冷器447及通路448互相依序連通而構成。上述通 路448可在該部分配設熱交換器以作為冷卻器。 在此，散熱用熱交換器446，係可使用第4圖至第11 圖、第14圖至第19圖中所示之型式的熱交換器，或是在環 狀之動作氣體流路的周圍配設環狀之套管（jacket),且在 該套管内流經冷卻水以進行動作氣體之冷卻的熱交換器 等。 散熱用熱交換器44 6係透過冷卻水循環管路4 54及冷卻 水用泵P1與散熱器455相連接，以循環冷卻水。在散熱用 熱交換器446中進行熱交換而加熱的冷卻水會因散熱器之 冷卻風扇而冷卻。冷卻水循環管路係分歧連接有配管，且

C:\Program F i1es\Patent\310389. ptd 第 3G 頁 4 267 9 8

在該配管上’透過備用間456連接有水用傷用箱。 在散熱器上連接有排氣器458，同時連接有轴 ’ 熱用熱交換議，並非僅為如；= 。散 膨脹氣缸體440之動作氣體流路46Q料壁^可為在 風扇所成的氣冷式構造。 成氣冷式 在膨脹氣缸體440的上部形成有冷卻頭4〇4 ^冷 片配置在内部的構造就可提高熱交換能力。 如已說明，冷卻頭404係透過冷熱冷媒管路4〇5及冷熱 冷媒用泵Ρ2與冷熱利用機器8相連接以循環冷熱冷媒在 冷熱冷媒管路405上配設有吸入箱465。在該吸入箱465内 透過備用間46 6連接有冷熱冷媒備用箱467。在吸入箱465 上連接有排洩閥468。又，在冷熱冷媒管路4〇5上連接有排 氣器469 。 本發明之史達林冷卻裝置4〇1，係藉由將史達林冷凍 機403作成壓縮圓筒432和膨脹圓筒433之雙活塞，以增大 史達林冷凍機403内充填動作氣體之空間的容積變動，藉 此就可提供冷凍能力大的史達林冷凍機4〇3。 另外，在本發明之史達林冷卻裝置401上，若設置溫 度控制裝置，則只要在冷熱利用機器408側設置溫度感測 器，就可從史達林冷卻裝置401側進行冷熱利用機器408之 溫度控制。亦即，在第24圖中，在冷熱利用機器408上配 設溫度感測器，在史達林冷卻裝置上，配設依溫度設定面 板就可設定溫度的溫度控制裝置。在構成該溫度控制裝置

C:\Program Files\Patent\310389. ptd 第31頁 426798 五4'發明說明（29) 之溫度控制電路内的比較電路中，與設定以溫度感測器所 檢知之冷熱利用機器408之溫度信號的溫度相比較，判斷 是否在以設定温度為中心的容許溫度範圍内，並按照該結 果對史達林冷凍機403之馬達41 6進行啟動關閉控制或倒相 控制，或是使馬達416逆轉，以調節（冷媒溫度之調節）史 達林冷凍機之冷凍能力，藉此就可邊將冷熱利用機器保持 於上述容許溫度範圍内的溫度邊進行運轉。 又，在具備電熱加熱式加熱器冷熱利用機器4〇8上利 用本發明之史達林冷卻裝置401的情況，則除了藉如上述 之史達林冷凍機403的馬達416之運轉控制之溫度控制外， 也可在控制裝置_比較運算來自上述溫度感測器之溫度信 號和設定溫度，並根據其差值對加熱器施予pID控制，以 對冷熱利用機器施予更精密的溫度控制。 其次，說明本發明之上述實施例之史達林冷卻裝置 4 0 1的作用。 曲柄抽423係以馬達416旋轉於正方向，而曲柄室415 内之曲柄42 5a、425b係錯開90度相位旋轉。安裝在連桿 426、427之前端上的十字導承頭428、429，係透過轉動自 如地連結在該曲柄部425a、425b上的上述連桿4 26、427， 往復滑動於十字導承襯套筒430、431内。透過壓縮活塞桿 438及膨脹活塞桿43而連結在十字導承頭428、429之各個 上的壓縮活塞436及膨脹活塞443，係互相以90度的相位差 往復移動。 當膨脹活塞442先行90度而在上死點附近慢慢地移動 C:\Prograni Files\Patent\310389. ptd 第 32 頁 426798 五、發明說明（30) 中，壓縮活塞4 3 6會由中間附近急速朝向上死點移動以進 行動作氣體之壓縮動作。被壓縮的動作氣體，會通過連通 孔449及歧管445而流入散熱用熱交換器446内。在散熱用 熱交換器446内對冷卻水散熱的動作氣體，會由蓄冷器44 7 冷卻，且經由通路448而流入低溫室441 (膨脹空間）内。 當壓縮活塞436在上死點附近慢慢地移動時膨脹活塞 442會急遽地朝向下死點移動，而流入低溫室441 (膨脹空 間）内的動作氣體就會急遽膨脹而產生冷熱。藉此包圍住 膨脹空間的冷卻頭404部之膨脹氣缸體440的頂部會因冷卻 而變成低溫。 接著，在冷卻頭404中，會冷卻冷熱冷媒管路的冷熱 冷媒。當膨脹活塞442從下死點移動至上死點時壓縮活塞 436會從中間位置朝向下死點，而動作氣體會從膨脹空間 經由通路而流入蓄冷器447内，且會在蓄冷器447内蓄熱具 有動作氣體的冷熱。在蓄冷器447内所蓄熱的冷熱如上 述般由於會再次冷卻從高溫室437經由散熱用熱交換器446 而送來的動作氣體，所以可再次利用》 接著，在冷卻頭404中被冷卻的冷熱冷媒，會從冷熱 冷媒管路405、冷熱冷媒出α检407中，送至例如冷東庫’'等 之冷熱利用機器408内的冷熱冷媒配管内，且會在冷熱利 用機器408内進行冷凍或是冷卻作用。在冷熱利用^ '器'4〇8 内，冷熱冷媒會吸收熱以進行冷卻作用，且從冷熱冷1媒配 管令，送至冷卻裝置之冷熱冷媒入口栓4〇6内，並通7過冷 熱冷媒管路405送回冷卻頭404中，且在該處進行冷卻7如 1ΤΙΜΜ C:\Program Files\Patent\310389. ptd 第 33 頁 "" Λ26798 五、發明說明（31) 此，冷熱冷媒就會在史達林冷凍機403之冷卻頭404和冷熱 利用機器408之間循環，且可利用史達林冷凍機403冷卻冷 熱冷媒，該冷熱冷媒會在冷熱利用機器4〇8内進行冷卻作 用。以下重覆同樣的循環。 在散熱用熱交換器446進行熱交換的冷卻水，係從冷 卻水循環管路454流至散熱器455上，且在該處由冷卻風扇 予以冷卻，再次循環至散熱用熱交換器4 46内。 其次，就冷熱利用機器4〇8之冷熱交換器中所產生的 霜之除霜作用加以說明。在進行除霜時，藉由設在冷熱利 用機器上的結霜感測器檢知結霜且利用除霜用之控制電 路來逆轉史達林冷；東機403的馬達416。如此壓縮活塞436 及膨脹活塞442，就會以90度之相位差與上述馬達416之正 轉動作之情況完全相反，壓縮活塞4 3 6可發揮膨脹活塞之 作用，而膨脹活塞442可發揮壓縮活塞之作用。 藉此，膨脹圓筒433之膨脹空間内的動作氣體就可依 膨脹活塞442而壓縮，且產生熱，並依冷卻頭4〇4來加熱冷 熱冷媒以在冷熱利用機器408中循環，如此就可除去在熱 利用機器之熱交換器中所產生的霜。因而，即使未在熱交 換器表面上裝接加熱線之冷熱利用機器4〇8的情況，也可 有效地除霜。 又’在冷熱利用機器408為冷卻恆溫槽的情況，就可 利用上述馬達416之逆轉來進行加熱運動。亦即，將本發 明之冷卻裝置邊進行通常的冷卻運轉，邊測定恆温槽之溫 度’依該結果利用溫度控制裝置之溫度控制電路，就可逐

C:XPrc^ram Files\Patent\310389. ptd 第 34 頁 4 267 9 8 五、發明說明（32) ----- 次逆轉控制馬達41 6以進行加熱運動，以維持恆溫。 另外’在上述實施例中雖是使用雙活塞型的史達林冷 ;東機403，但是毋庸置疑的也可以使用驅氣器 式的史達林冷錢4G3。 ^ ^ 若依據本實施例之史達林冷卻裝置4〇1，則 下 之效果。 U)由於使用史達林冷凍機4 03以構成冷卻裝置所 以氟氣烷以外的冷媒，使用乙醇、氮氦等低的 作為動作氣體，使用溫度範圍就可比習知之冷卻裝置更為 寬闊，而可適用於廣範圍之用途的冷熱利用機器中，同時 可提供適應地球環境問題的冷凍裝置。 (2) 本發明之冷卻裝置’具備有冷熱冷媒用的入口栓 406及出口栓407，以便在該等栓上將冷熱利用機器8之冷 熱冷媒配管連接成裝卸自如，就可在冷卻裝置和冷熱利用 機器408之間簡單地形成出冷熱冷媒之循環通路，所以可 在各種的冷熱利用機器408中既簡單又通用地加以利用。 (3) 對本發明之冷卻裝置的史達林冷凍機4 進行逆 轉或是溫度控制，就可以簡單的構成進行除霜及恆溫冷 卻、或是溫熱利用。 (4) 本發明之史達林冷卻裝置4〇ι，藉由將史達林冷 凍機403作成壓縮圓筒432和膨脹圓筒433之雙活塞構造， 就可增大史達林冷凍機40 3内充填動作氣體之空間的容積 變動，雖係屬緊湊化，但乃能提供冷凍能力大的史達林冷 凍機403。 1 IBIM1 C:\Program Files\Patent\310389. ptd 第 35 頁 426793 五、發明說明（33) 其次，參照第25圖至第27圖說明在第22圖所示之史達 林裝置上更組合溫熱利用機器之構成的史達林冷卻加熱系 統。 第2 5圖為組合冷熱利用機器及溫熱利用機器加以利用 之史達林冷卻加熱裝置的概略圖。在與第22圖至第24圖所 示之實施例相同的構件上附上相同的參照元件編號。另 外’有關史達林裝置之基本的構成及作用由於已使用第22 圖至第24圖之實施例加以說明，所以在此省略重覆記載， 而僅說明與上述實施例不同之點（與溫熱利用機器之埶交 換）。 ”、、 本實施例之史達林冷卻加熱裝置5〇1，並非僅依前述 之史達林冷卻裝置的低溫側熱交換器（冷卻頭）和循環於冷 熱利用機器之冷媒而進行熱交換而已，而是也利用高熱側 熱交換器（散熱用熱交換器）和循環於溫熱利用機器之冷媒 而進行熱交換者。 ' 亦即，在史達林冷凍機403之散熱用熱交換器（高溫熱 交換器）446上，連接有用以使散熱冷媒（用以將史達林冷 凍機中所產生的熱載送至外部的冷媒，可使用水等。）循 環的散熱冷媒管路5 13及散熱冷媒用泵P3。散熱冷媒管路 513的兩端係貝穿箱體5 0 2而設有入口检5 1 4及出口检5 1 5。 在使用本實施例之史達林冷卻加熱裝置5〇1之際在 該入口栓514和出口栓515上，有溫熱利用機器516之散熱 冷媒配管517的出口端518、入口端519連接成裝卸自如， 藉此，就可在史達林冷凍機403之散熱用熱交換器446的散

d267 9B 五、發明說明（34) 熱冷媒管路513和溫熱利用機器之散熱冷媒配管517之間形 成循環迴路，溫熱利用機器516可利用史達林冷卻加熱裝 置5〇1予以加溫。作為溫熱利用機器516者有恆溫槽、暖氣 機、加熱試驗裝置及供熱水機等。 冷卻頭40 4透過冷熱冷媒管路4〇5及冷熱冷媒用泵”與 冷熱利用機器408相連接用以循環冷熱冷媒的情況如已述 般。又，在冷熱冷媒管路40 5上透過作為變換閥的三通閥 560連接與具有風扇561之外部進行熱交換的交換器562(吸 熱器）^藉由切換二通間560，冷卻頭404會透過冷熱冷媒 管路4 05及三通閥560而連接在熱交換器562上就可形成 冷熱冷媒循環通路。 又，散熱用熱交換器446係透過散熱冷媒管路513及散 熱冷媒用泵P3與入口栓514及出口栓515相連接，以使散熱 冷媒流動。在散熱用熱交換器512中所加熱的散熱冷媒係 透過入口栓514及出口栓5 15，連接在溫熱利用機器516之 散熱冷媒配管517上，以形成散熱冷媒循環通路。 又，在散熱冷媒管路513上透過當作變換閥之三通間 5 65連接具有散熱片566的散熱器567。藉由切換三通閥 565，散熱用熱交換器446，就可透過散熱冷媒管路513及 三通閥565連接在散熱器567上，以形成在散熱用熱交換器 446所加熱的散熱冷媒循環通路。 再者，若在本實施例之史達林冷卻加熱裝置5〇1上， 設置冷熱利用機器及溫熱利用機器用的溫度控制裝置的 話，則只要在冷熱利用機器408及溫熱利用機器51 6之各個

II IHEHH C:\ProgramFiles\Patent\310389.ptd 第 37 頁

d2679B 五、發明說明（35) 上設置溫度感測器，就可就來自史達林冷卻加熱裝置 之冷熱利用機器408及溫熱利用機器516各個進行與前述之 實施例相同的溫度控制。 亦即，在第2 7圖中，在冷熱利用機器4 0 8及溫熱利用 機器516之各個上配設溫度感測器，在史達林冷卻加熱裝 置上，配設依溫度設定面板就可設定溫度的溫度控制裝 置。在構成該溫度控制裝置之溫度控制電路内的比較電路 中，分別與以溫度感測器所檢知之冷熱利用機器4〇8及溫 熱利用機器51 6的溫度檢測信號、和依溫度設定面板而設 定的溫度相比較，判斷是否在以分別設定之溫度為中心的 容許溫度範圍内，並按照該結果對史達林冷凍機4〇3之馬 達425進行啟動關閉控制或倒相控制，邊保持上述容許溫 度範圍内的溫度邊進行運轉。 又，在逆轉馬達416時，壓縮活塞436及膨脹活塞 442，就會以90度之相位差與上述馬達41 6之正轉動作之情 況完全相反，壓縮活塞436可發揮膨脹活塞之作用而產生 熱，而膨脹活塞442可發揮壓縮活塞之作用而產生熱。因 而’若按照上述溫度控制装置之比較電路的結果使馬達 416逆轉的話，則可急速控制冷熱利用機器4〇8及溫熱利用 機器516的溫度，且可邊保持上述容許溫度範圍内的溫度 邊進行運轉。 另外’在同時使用冷熱利用機器4 0 8及溫熱利用機器 516的情況，可考慮在進行一方的溫度控制時另一方的溫 度會脫離設定溫度範圍。例如，冷熱利用機器408之溫度

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42679B 五、發明說明（36) 從容許範圍中上升時，#増加馬達416之輸出的話，冷熱 利用機器4 D 8雖然:會使之低於或回到容許温度& 溫熱利錢器516之溫度有時會發生短暫從容許範圍中上 升的情況。 作為該種清况的對策有幾種手段。例如，冑溫度控制 之重點集中冷熱利用機器4〇8或溫熱利用機器516之任何一 方上。或者，切換三通閥565 (或是56〇)將散熱用熱交換器 (β或是冷卻頭）連接在散熱器（或是吸熱器）上使溫熱（或 疋冷熱）停止載送至散熱冷媒（冷熱冷媒）之溫熱利用機器 51 6(或是冷熱利用機器408)上。或者，在溫熱利用機器 516(或是冷熱利用機器）上利用電熱加熱式加熱器等的輔 助加熱手段進行輔助性的溫度控制 接著’在具備電熱加熱式加熱器的冷熱利用機器 上利用本發明之史達林冷卻加熱裝置5〇1時，除了依如上 述之史達林冷凉機403之馬達416的運轉控制而進行溫度控 制之外，也在控制裝置中比較運算來自上述溫度感測器之 溫度信號和設定溫度，並根據其差值對加熱器進行p[D控 制，就可施予更精密的控制。 另外，在第27圖中，雖將溫度設定面扳設定在史達林 冷卻加熱裝置上，但是亦可將溫度設定面板附設在冷熱利 用機器4 0 8及溫熱利用機器51 6之各個上，以形成分別從利 用機器側進行溫度設定的構成。 以上，史達林冷卻加熱裝置501，雖係就具有箱體502 之實施例加以說明，但是在特別不具有箱體的實施例之情

C:\ProgramFiles\Patent\310389.ptd 第 39 頁 426798 五、發明說明（37) 況，只要冷熱冷媒及散熱用之入口栓、出口拴等在史達林 冷凍機等的史達林冷卻加熱裝置之構成部分上設置安裝適 當的支撐構件以使之組件化即可。 其次，以下係就利用史達林冷卻加熱裝置5〇1，進行 冷熱利用機器408及溫熱利用機器516之同時使用的情況加 以說明。在進行冷熱利用機器及溫熱利用機器之同時使用 的情況，係將三通閥設為第25圖及第26圖之狀態。 在冷卻頭404中冷卻的冷熱冷媒，係從冷熱冷媒管路 405、出口栓407，送至例如冷熱利用機器408内之冷熱冷 媒配管509上，且在冷熱利用機器408内進行冷凍或是冷卻 作用。在冷熱利用機器408内進行冷凍或是冷卻作用，從 出口端409送至入口栓406’通過冷熱冷媒管路4〇5，回到 冷卻頭404，且在該處冷卻。如此冷熱冷媒會在史達林冷 凍機403之冷卻頭404和冷熱利用機器4〇8之間循環，而冷 熱冷媒會在史達林冷凍機403中冷卻，該冷熱冷媒會在冷 熱利用機器408中發揮冷卻作用。以下，反覆同樣的循 環。 在散熱用熱交換器446中所加熱的散熱冷媒，係從散 熱冷媒管路513、出口栓515，送至例如恆溫槽等之溫熱利 用機器516内的散熱冷媒配管517上，且在溫熱利用機器 516内進行加熱作用。接著散熱冷媒，從散熱冷媒配管517 送至加熱裝置之散熱冷媒的入口栓514中，通過散熱冷媒 管路513，回到散熱用熱交換器446 ，且在該處進行加 熱。如此散熱冷媒就會在史達林冷凍機403之散熱用熱交

IH8HI BffiBH C:\PrograraFiles\Patent\310389.ptd 第 40 頁 426798 五、發明說明（38) 換器446和溫熱利用機器516之間循環，且在史達林冷凍機 4 03中加熱，而在溫熱利用機器516中發揮加熱作用。以 下，反覆同樣的循環。 其次，利用史達林冷卻加熱裝置50 1，且只有使用冷 熱利用機器408的情況，變換閥560、560係保持第25圖及 第26圖之狀態且將冷熱利用機器408設定為使用狀態。另 一方面，切換變換閥565使散熱冷媒在散熱用熱交換器446 和散熱器567之間循環，而將溫熱利用機器516設定在不使 用狀態。 又，利用史達林冷卻加熱裝置501，且只有使用溫熱 利用機器516的情況，變換閥565係保持第25圖及第26圖之 狀態且將溫熱利用機器設定為使用狀態。另一方面，切換 變換閥560使冷熱冷媒在冷卻頭404和熱交換器562之間循 環，而將冷熱利用機器408設定在不使用狀態。 利用 利用機器 電路内的 度、和以 度感測器 別設定之 史達林冷 制，或是 内的溫度 史達林冷卻加熱裝置之溫度設定面板，進行冷熱 408、溫熱利用機器516之溫度設定。在溫度控制 比較電路中，分別與依溫度設定面板而設定的溫 冷熱利用機器408及溫熱利用機器416之各自的溫 所檢知的溫度檢測信號相比較，判斷是否在以分 溫度為中心的容許溫度範圍内，並按照該結果對 陳機403之馬達416進行啟動關閉控制或倒相控 使馬達416逆轉，就可邊保持上述容許溫度範圍 邊進行運轉。 接著，在輔助具備有電熱加熱式加熱器的冷熱利用機

C:\Program Files\Patent\310389. ptd 第 41 頁 Λ 2 67 9 8 五、發明說明（39) --- 器408及溫熱利用機器516上利用本發明之史達林冷卻加熱 裝置的清況，除了依如上述之史達林冷凍機403之馬 達4 4 6的%運轉控制以進行溫度控制之外也在控制裝置中 比較運算來自上述溫度感測器之溫度信號和設定溫度並 根據其差值對加熱器進行P ID控制，就可施予更精密的控 制。 其次’就冷熱利用機器4〇8之冷熱交換器、冷卻頭4〇4 等中所產生的霜之除霜作用加以說明。在進行除霜時，藉 由設在冷熱利用機器408及冷卻頭404上的結霜感測器檢知 結霜，且利用除霜用之控制電路來逆轉史達林冷凍機4〇3 的馬達446。藉此，膨脹圓筒之膨脹空間内的動作氣體就 可依膨脹活塞442而壓縮，且產生熱，並在冷卻頭4〇4中加 熱冷熱冷媒以在冷熱利用機器408中循環，就可除去在冷 熱利用機器408之熱交換器、冷卻頭404等申所產生的霜。 另外，在冷熱利用機器40 8之熱交換器等中所產生霜的部 位上裝接加熱線，利用結霜感測器予以檢知結霜，也可利 用該加熱線進行除霜。 另外，在上述實施例中雖是使用雙活塞型的史達林冷 凍機403，但是毋庸置疑的也可以使用置換器型等其他形 式的史達林冷凍機403。 若依據本實施例之史達林冷卻裝置4 01，則可達如丁 之效果。 (1)由於使用史達林冷凍機以構成冷卻加熱裝置，所 以氟氯烷以外的冷媒，使用乙酵、氮、氦等低熔點的冷媒、

C:\Program Files\Patent\31〇389. ptd 第 42 頁 426798 五、發明說明U〇) 作為動作氣體，就可比習知之冷卻裝置使使用溫度範圍變 廣，且可適用於廣範圍之用途的冷熱利用機器及加熱利用 裝置中，同時可提供適應地球環境問題的冷凍裝置。 (2) 本實施例之史達林冷卻加熱裝置具備有冷熱冷 媒用及溫熱冷媒用之各自的入口栓及出口检以便在該等 栓上將冷熱利用機器及溫熱利用機器之各自的冷媒配管連 接成裝卸自如’就可在史達林冷卻加熱裝置和冷熱利用 機器及溫熱利用機器之間簡單地形成出冷媒之循環通路， 所以可在各種的冷熱利用機器及溫熱利用機器中既簡單又 通用地加以利用。 (3) 由於可將史達林冷凍機之冷卻頭的冷熱利用於冷 熱利用機器上，且將散熱交換器之溫熱利用於溫熱利用機 器上，所以可不浪費地使用所產生冷熱及溫熱，且可獲得 很高的COP β 、 (4) 藉由對史達林冷凍機 是倒轉控制，或者進行逆轉， 轉本發明之史達林冷卻加熱裝 簡單的構成進行除霜。 (5) 本發明之史達林冷卻 康機作成壓縮圓筒和膨脹圓筒 達林冷凍機内充填動作氣體之 化之比例上，可提供冷凍能力 以上說明之本發明史達林 熱冷媒（一次冷媒），可使用乙 〜，j π 1Τ双切脚J印风 就可進行溫度控制。又，逆 置的史達林冷凍機，就可以 加熱裝置，藉由將史達林冷 之雙活塞溝造，就可增大史 空間的容積變動且在小型 大的史達林冷凍機403。 裝置所利用的冷熱冷媒及散 醇、HFE(氟氫乙醚）、

五、發明說明（41) PFC (全氟乙二醇）、油（加熱用）、氮、氦或水等。又，動 作氣體（一次冷媒）可使用氮、氦、水等。

l^HI C:\Program Files\Patent\310389.ptd 第 44 頁

Claims (1)

1. “6T98 . 六、申請專利範圍 1 · 一種史達林裝置係具有低 交換器，使用藉動作裔R耻侧熱交換器及高溫側埶 冷卻及/或加熱動作之教交換乂換媒體之熱交換進行 侧熱交換器，係由將供前述史’其特徵為；前述低溫 氣器（dispiacer)所滑動之内 之活塞或是驅 具有頂壁及側壁的圓柱體狀之H配^在其内部，而 外側的圓柱配設於前述内側圓筒之 父換器本體之間形成熱交換媒體之流路，且 力：述低溫側熱交換器之頂部熱交 換器之熱交換器本體的至少一方之内 ^散熱片俾與前述内側圓筒之外周面共同形成動作 氣體用的流路’更使前述頂部熱交換機架、前述環狀 熱交換機架及前述熱交換器本體中之至少—個係以 造法所形成。 2. 如申請專利範圍第〗項之史達林裝置，其中於前述頂部 熱交換機架及前述熱交換器本體之至少一方的内周面 所形成的散熱片，係由轴方向形成直線狀的細溝所構 成，且由該細溝和前述内側圓筒之外周面形成前述動 作氣體用的流路。 3. 如申請專利範圍第1項之史達林裝置，其中在前述熱交 換器本體之至少内周面，以面向前述動作氣體用流路 之方式固定有偏位帶狀散熱片。

   C:\PiOgramFiles\Patent\310389.ptd 第 45 頁 六、申請專利範圍 4. 如申請專利範圍第3項之史達林裝置，其中在前述熱交 換器本體之外周面，以面向熱交換媒體之方式固定有 偏位帶狀散熱片。 5. 如申請專利範圍第1項之史達林裝置，其中在前述低溫 侧熱交換器之頂部熱交換機架及前述高溫側熱交換器 之熱交換器本體的至少一方上，於其外周面設有一體 形成的散熱片，或形成不同體且於後才裝上的散熱片 6. 如申請專利範圍第5項之史達林裝置，其令前述設成— 體或不同體的散熱片為環狀的散熱片。 7. 如申請專利範圍第1項之史達林裝置，其中更具有配設 在前述低溫側熱交換器之熱交換機架之前端部的冷卻βΧ 頭，該冷卻頭具有供貫穿其内部之熱交換媒體流動之 熱交換媒體用流路，且在該熱交換媒體用流路内設 用以提高熱交換效率的散熱片。 其中前述散熱片 8.如申清專利範圍第7項之史達林裝置 係由偏置帶狀散熱片所製成。 9,如申請專利範圍第1項之史達林裝置其中具備有 述低溫側熱交換器中供被+ # 、 ，J μ >认# α # 令卩之熱交換媒體流動的冷 熱交換媒體管路，與設在兮木也上 ν u , 、又在該冷熱交換媒體管路一端上 的入口检及設在另一端上μ ψ ^ ^ ▲ 的出口拴，而藉由將上述冷 口栓及入口检裝卸自如地連接在冷執 利用機器之冷熱交換媒體管路& 裝置和前述冷熱利用機器之門 丨』社〗又墀秫 例裔之間，形成冷熱交換媒體之

   C:\Program Fiies\Patent\310389.ptd 第 46 頁 426798 六 申請專利範圍 =管路’以對前述冷熱利用機 10.如申請專利範圍第9項之 輸l冷熱。 控制裝置，藉由根據來自前述林冷裝二其：更具有溫度 測信號來控制前述史達林裝二利用機器之溫度檢 述冷熱利用機器之溫度控制。動作能力，以進行前 11_如申請專利範圍第9項之史達林裝 ^ 述高溫側熱交換胃中供被散熱置，j具備有在前 熱交換媒體管路盥& 二h…交換媒體流動的加 上的入口栓IS在交換媒體管路之-端 12 利用機器裝卸自如地連接在前^^，而藉由將溫熱 拴及入、:連接在别边加熱交換媒體之出口 栓上，以對該溫熱利用機 w 如申請專利範圍第11項之史達林^輸^熱。 據來自前述溫熱利用機器將藉由根 史達林裝置之動作能力，信號來控制前述 溫度控制的溫度控制裝置，與=溫熱利用機器之 度控制裝置設成為-體或不同體DL 7熱利用機器之溫 13.=申請專利範圍第9項之史達林裝置其更設有用 Ιί史Ϊ林裝置之馬達控制成逆轉，藉以除去前述冷 熱利用機器及/或低溫熱交換器之霜的除霜用控制電、 14·如申請專利範圍第丨項之史達林裝置，其中前述 交換機架、前述環狀熱交換機架及前述熱交換器 中至少一個係以脫蠟鑄造法所形成^ 體 15.如申請專利範圍第1項之史達林裝置 其中形成於前述

   ^ 426798 六、申請專利範圍 頂部熱交換機架及前述熱交換篛本體中至少一方的散 熱片，係依脫蠟鑄造法而一體形成。 16.如申請專利範圍第1項之史達林裝置，其中前述熱交換 媒體，係使用乙醇、HFE(氟氫乙醚）、PFC(全氟化碳） 、PFG(全氟乙二醇）、油（加熱用）、氮、氦或水等，而 前述動作氣體，係使用氮、氦、水等。 C:\Program Files\Patent\310389. ptd 第 48 頁