TWI227315B - Regenerator and flow gas heat regeneration system employing the same - Google Patents

Description

^27315 ⑴ (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 技術領域 本發明關於一種用於史特靈循環（stirling-cycle)冷凍機 或類似物的再生器，且關於運用此一冷凍機的流動氣體熱 再生系統。 習知技藝 一種用於史特靈循環冷凍機之習知再生器1(例如圖8所 示）係由一具有形成於其表面上之小突起2&的樹脂膜2捲成 内部有一中空空間的圓筒狀構成。 圖9為一結合冷凍機丨之自由活塞型史特靈循環冷凍機之 一實例的側向剖面圖。首先說明此史特靈循環冷凍機的運 作。如圖9所示，該自由活塞型史特靈循環冷凍機包含一内 部密封著一工作氣體（例如氦氣）的氣缸8，一驅氣活塞7和 一活塞5排列成將氣缸8内的空間區隔成一膨脹空間1〇和一 壓縮空間9，一用來驅使活塞5往復運動的線性馬達6，一在 膨脹空間1 0側上用來從外界吸熱的吸熱器14，及一配置在 壓縮空間9側上用來將熱排到外界的排熱器13。 在圖9中，參考數字n*i2分別代表支撐驅氣活塞7和活 塞5且允终此二活塞因彈力而往復運動的板簧。參考數字I? 代表一排熱用熱交換器，且參考數字16代表一吸熱用熱交 換器。此二熱交換器促使該冷凍機之内外部之間的熱交換 。一再生器1配置在排熱用熱交換器15與吸熱用熱交換器16 之間。 在此結構中，當線性馬達6受驅動，活塞5在氣缸8内向上 1227315

(2) 移動’擠壓在壓縮空間9内之工作氣體。該工作氣體隨著其 受壓縮而溫度提高，但在此同時該工作氣體藉由排熱器13 透過排熱用熱交換器15與外界空氣之熱交換而冷卻。於壓 縮空間9内受活塞5壓縮之工作氣體於高壓狀態下流入再生 器1内然後流到膨脹空間1 〇内。在此同時，該工作氣體的熱 會健存在構成再生器1之樹脂膜2内，從而讓工作氣體的溫 度降下。 已流入膨脹空間1 〇内之工作氣體是在高壓狀態下，且其 在驅氣活塞7(其以一相對於活塞5為固定之預定相差往復 運動）下移時膨脹。在此同時，工作氣體的溫度降下，但工 作氣體藉由吸熱器透過吸熱用熱交換器16從外界空氣吸 …、而加/JHL。因而達成等溫膨脹作業。在此之後，驅氣活塞7 開始上移，且因而讓膨脹空間10内的工作氣體流過再生器1 而回到壓縮空間9内。在此同時，工作氣體接收儲存在再生 内的熱，從而使工作氣體的溫度上升。被稱為史特靈循 環之此系列作業藉由從動組件之往復運動使其重複進行， 結果是吸熱器14從外界空氣吸熱且逐漸變冷。 依此方式，工作氣體的熱能藉由壓縮空間9與膨脹空間Μ 間之再生器1再生。其中增加儲存在再生器丨内之熱量會得 到較尚的熱能再生效率。如此使一理想史特靈循環有可能 達成且藉此增強史特靈循環冷凍機的冷凍性能。 然而，在前述習知再生器丨的結構中，再生器丨本身是由 一通常具有低熱傳導率的樹脂膜2構成。這導致從工作氣體 到樹脂膜2之低熱傳導。因此，再生器1無法儲存足量的熱 1227315

(3) ，造成無法令人滿意的熱能再生效率。這降低了史特靈循 環冷凍機的冷凍性能。此外，再生器的邊緣易於變形，導 致再生性能有所變異且造成不穩定的再生性能。因此，本 發明之一目的為提出一種提供優異熱能再生效率和穩定再 生性能的再生器。 發明内容 發明概述 為達以上目的，依據本發明之一觀點，在一由一捲成圓 筒狀之條帶狀樹脂膜構成的再生器中，該樹脂膜至少在其 一部分内有一多層式結構佔用從其一邊緣起之一預定寬度 。此有助於提高再生器邊緣的強度使其較不易於變形，並 藉此協助穩定再生器性能。 依據本發明之另一觀點，在一由一捲成圓筒狀之條帶狀 樹脂膜構成的再生器中，有一熱傳導率高於該樹脂膜之層 形成於該樹脂膜之表面上。當高溫工作流體從該再生器之 一端流入再生器内，該工作氣體將熱儲存在該樹脂膜内。 其中形成於樹脂膜上具有高熱傳導率之該層增強該再生器 内的熱傳導作用。如此有更多熱儲存在該樹脂膜内。當低 溫工作氣體經由該再生器之另一端流入再生器内，該工作 氣體接收儲存在該樹脂膜内的熱。其中形成於樹脂膜上具 有高熱傳導率之該層增強再生器1内的熱傳導作用且提供 較高的熱容量0如此有更多熱排入該工作氣體内。依此方 式’有可能達到高熱能再生效率。 該樹脂膜可有複數個小突起形成於其表 面上。如此在相 1227315

(4) 互交疊之不同圈樹脂膜之間留下間隙，從而允許工作氣體 沿著柱心軸通過此等間隙從高溫端流到低溫端，反之亦同。 依據本發明之另一觀點，在一由一捲成圓筒狀之條帶狀 樹脂膜構成的再生器中，該樹脂膜由二個條帶狀樹脂膜組 成，該二條帶狀樹脂膜有一熱傳導率高於該二樹脂膜之層 壓合在該二樹脂膜之間。此有助於避免該高熱傳導率層暴 露於外界。 特疋§之，在該樹脂膜上形成該高熱傳導率層以便佔用 從該再生器之一邊緣起一預定寬度的方式比起以高熱傳導 率層形成於整個樹脂膜上的方式有助於減小該高熱傳導率 層之面積以及材料成本和類似因素。 該高熱傳導率層得輕易地藉由以含有一高熱傳導率組份 之樹脂墨水印刷在該樹脂膜上的方式形成。在此情況中， 攻好該咼熱傳導率組份為金、銀、銅、紹、和碳至少其中 之一的細小顆粒。 糟由將本發明再生器配置在一甜甜圈狀空間内做為一往 復氣體之一流動通路，有可能實現一提供高熱能再生效率 之夕用途流動氣體熱再生系統。特定言之，藉由將本發明 應用於一自由活塞型史特靈循環冷凍機，有可能達到優異 的冷凍性能。 圖式簡單說明 圖1為一繪出一本發明第一實施例再生器之結構的透視 圖0 圖2為該再生器之一剖面放大圖。 (5) (5)1227315 圖3為一繪出一本發明第二實施例再生器之結構的透視 圖。 圖4為一繪出一本發明第三實施例再生器之結構的透視 圖。 圖5為一繪出一本發明第四實施例再生器之結構的透視 圖。 圖6為繪出一本發明第五實施例再生器之結構的透視 圖。 圖7為一繪出一本發明第六實施例再生器之剖面放大圖。 圖8為一繪出一習知再生器實例之結構的透視圖。 圖9為_ , ° 由活塞型史特靈循環冷;東機之實例的側剖面 圖。 最佳實施方式 以下參照圖式說明一本發明第一實施例。圖1為一繪出本 發明第一實施例再生器之結構的透視圖，且圖2為該再生器 之剖面放大圖。如圖1所示，再生器1由一捲成圓筒狀之 條帶狀樹脂膜2構成。樹脂膜2由一具有高比熱、低熱傳導 率、高熱阻、低吸濕力、及其他期望特質的材料構成，適 合的實例包含聚乙烯對苯二甲酯（PET)和聚醯亞胺。 樹脂膜2有複數個小突起2 a規則地形成於其一表面的全 表面上。此等突起2a舉例來說得由印刷、浮花壓印、或熱 成形方式形成。如圖2所示，突起2a允許在相互交疊之不同 圈樹脂膜2之間留下間隙。因此，如圖1所示，工作氣體如 一箭頭A所示沿著柱心軸（由一頓點線B標示之方向）通過此 .-10- 1227315

⑹ 等間隙從高溫端1H流到低溫端1C，反之亦同。 、含有一熱傳導率高於樹脂膜2之組份的樹脂層3以薄膜形 式形成於樹脂膜2之兩個表面上。最好該高熱傳導率組份為 金、銀、銅、鋁、碳、或類似物之單獨使用或其中二者或 更夕之一混合物的細小顆粒。將此等細小顆粒與一樹脂材 料（例如聚乙烯）混合，然後用此混合物做為墨水印刷在樹 脂膜2之兩個表面上以將樹脂層3塗佈於該樹脂膜。 接下來說明如何在一運用本發明再生器1之史特靈循環 冷;東機内達成熱再生。當一經壓縮並藉此加熱的工作氣體 [由再生器1之尚溫端1 η流入該再生器，該工作氣體的熱 能會儲存在樹脂膜2内。其中由於樹脂膜2上的樹脂層3具有 夠高的熱傳導率，熱能首先沿樹脂層3傳導然後儲存在整個 樹脂膜2内。因而會儲存足量的熱。另一方面，當經膨脹並 精此冷卻的工作氣體經由再生器1之低溫端丨c流入該再生 器’儲存的熱會排出。其中熱能沿著樹脂層3傳導且從整個 樹脂膜2排到該工作氣體。因而會排出足量的熱。依此方式 ，再生器1以增強的再生能量效率運作。 以下參照圖式說明一本發明第二實施例。圖3為一繪出本 發明第二實施例再生器之結構的透視圖。如圖3所示，樹月旨 膜2有複數個小突起2a規則地形成於其一表面的全表面上 。此等突起2a允許在相互交疊之不同圈樹脂膜2之間留下間 隙。因此，工作氣體如一箭頭A所示沿著柱心軸（由一頓點 線B標不之方向）通過此等間隙從南溫端1 η流到低溫端1 c ，反之亦同。 1227315

⑺ 如圖3所示，含有一熱傳導率高於樹脂膜2之組份的樹脂 層3以沿柱心軸成規則間隔排列之條紋形狀形成於樹脂膜2 之兩個表面上。在樹脂膜2表面上沒有樹脂層3形成之部分 内，預先鋪放以規則間隔排列之條紋形狀遮罩。然後以與 第一實施例相同的方式進行塗佈。最後，洗除並移除該等 遮罩以獲得樹脂層3。樹脂層3的條紋可以不規則間隔排列。 接下來說明如何在一運用本發明再生器丨之史特靈循環 冷凍機内達成熱再生。當一經壓縮並藉此加熱的工作氣體 經由再生器1之高溫端1H流入該再生器，該工作氣體的熱 能會儲存在樹脂膜2内。其中由於樹脂膜2上的樹脂層3具有 夠高的熱傳導率，熱能首先傳導至樹脂層3之個別條紋然後 從個別條紋儲存至樹脂膜2。因而會健存足量的熱。另一方 面，當經膨脹並藉此冷卻的工作氣體經由再生器丨之低溫端 1C流入該再生器，儲存的熱會排出。其中熱能從樹脂膜2 傳導傳導至樹脂層3之個別條紋然後排到該工作氣體。因而 會排出足量的熱。依此方式，再生器1以增強的再生能量效 率運作。 在此實施例中，樹脂膜2上的樹脂層3是以間隔排列的條 紋形狀形成。這有助於減輕在透過樹脂層3從高溫端1H到 低溫端1C之熱傳導過程中的熱損失。此外，樹脂層3的面積 比其為形成於整個樹脂膜2上的情況來得小。這有助於減少 所使用之高熱傳導率組份的量，因而有助於降低成本。雖 然在未有樹脂層3形成之部分會有比較上來說較低的熱傳 導率’由於樹脂層3是以條紋形狀形成，藉由將樹脂層3之 -12- 1227315

⑻ 條紋的寬度和間隔決定為使工作氣體與低熱傳導率部分的 接觸盡可能地少，有可能使熱能再生效率的下降程度減至 最小。 以下參照圖式說明一本發明第三實施例。圖4為一繪出本 發明第三實施例再生器之結構的透視圖。如圖4所示，樹脂 膜2有複數個小突起2a規則地形成於其一表面的全表面上 。此等突起2a允許在相互交疊之不同圈樹脂膜2之間留下間 隙。因此，工作氣體如一箭頭A所示沿著柱心軸（由一頓點 線B標示之方向）通過此等間隙從高溫端1 η流到低溫端i c ’反之亦同。其中在再生器1之高溫端1H和低溫端1(：：周遭 的再生器部分對於熱能再生有極大程度的貢獻。 如圖4所示，含有一熱傳導率高於樹脂膜2之組份的樹脂 層3以與第二實施例相同的方式形成以便佔用從再生器1之 每一邊緣起一預定寬度。 在此貫施例中，樹脂膜2上之樹脂層3形成為佔用從再生 器1之每一邊緣起一預定寬度，因而其面積比形成於整個表 面上來得小。因此有助於減少所使用之高熱傳導率組份的 里’因而有助於降低成本。此外，由於再生器1之這些部分 對熱能再生有大貢獻，幾乎不會讓再生器1之性能降低。 以下參照圖式說明一本發明第四實施例。圖5為一繪出本 發明第四實施例再生器之結構的透視圖。 如圖5所示’含有一熱傳導率高於樹脂膜2之組份的樹脂 層3以沿柱心軸成規則間隔排列之條紋形狀形成於樹脂膜2 之兩個表面上以便佔用從再生器1之每一邊緣起一預定寬 Ϊ227315

(9) 度。 在本實施例中’樹脂膜2上的樹脂層3是間隔地形成以便 佔用從再生器1之每一邊緣起一預定寬度，因而其面積比其 為形成於整個樹脂膜2上的情況來得小。因此有助於減少所 使用之南熱傳導率組份的量’因而有助於降低成本。此外 ，由於再生器1之這些部分對熱能再生有大貢獻，幾乎不會 讓再生器1之性能降低。 在迄今所述之實施例中，樹脂膜2都是有形成於其兩個表 面上的樹脂層3。然而亦有可能僅在樹脂膜之一表面上形成 一樹脂層。在此情況中需要較少墨水，且塗佈作業僅需進 行一次。這會大幅降低成本。 以下參照圖式說明一本發明第五實施例。圖6為一繪出本 發明苐五實施例再生器之結構的透視圖。 如圖6所示，聚乙稀或類似物之樹脂塗層4形成於樹脂膜2 之兩個表面上以便佔用從再生器〗之每一邊緣起一預定寬 度。在樹脂膜2表面上無須形成樹脂塗層4的中央部分内預 先鋪放遮罩然後用一樹脂材料做為墨水印刷在樹脂膜2 之兩個$面上成為塗層。最I洗除並移除該等遮罩以獲得 樹脂塗層4。 在此實施例中，因為形成樹脂塗層4,從該再生器每一邊 ，起佔用$ ^距離的樹脂膜2部分（亦即對熱能再生有大 貝獻的^刀作成較厚。這不僅有助於提高儲熱容量並藉 此增強熱A再生效率’亦有助於讓樹腊膜2較不易於在捲起 -14- 1227315

(10) 在本實施例中，所述樹脂膜2為具有形成於其兩個表面上 的樹脂塗層4。然而，亦有可能僅在該樹脂膜之一表面上形 成一樹脂塗層。在此情況中需要較少墨水，且塗佈作業僅 需進行一次。這會大幅降低成本。 以下參照圖式說明一本發明第六實施例。圖7為一繪出本 發明第六實施例之再生器的剖面放大圖。如圖7所示，再生 裔1由一捲成圓筒狀的複合樹脂膜2〇構成。複合樹脂膜2〇 由二個條帶狀樹脂膜21和22、有一樹脂層3(詳見下文）壓合 在其間所構成。一樹脂膜21有複數個小突起2a規則地形成 於其一表面的全表面上。如圖7所示，此等突起2&允許在相 互交疊之不同圈複合樹脂膜20之間留下間隙。因此，如圖i 所示，工作氣體如一箭頭A所示沿著柱心軸通過此等間隙 從高溫端1H流到低溫端1C，反之亦同。 一熱傳導率高於樹脂膜22之樹脂層3以薄膜形式形成於 樹脂膜22之一表面上。此二樹脂膜21和22為一同鋪放使得 有樹脂層3形成之樹脂膜22表面與未有突起2a形成之樹脂 膜21表面保持密切接觸。依此方式，產生有樹脂層3壓合於 内部之複合樹脂膜2〇。 在此實施例中，樹脂層3未暴露於外界，且因此其永遠不 會掉洛。這大幅增強耐用度。在此情況中，壓合的樹脂層3 可形成為如圖3所示以沿著柱心軸成預定間隔排列的條紋 或可形成為如圖4所示從再生器1之每一邊緣起佔用一預 疋寬度或可形成為如圖5所示沿柱心轴成預定間隔排列之 條紋從再生器1之每一邊緣起佔用一預定寬度。 1227315

(ii) 在上述所有實施例中，樹脂層3是以墨水印刷而成。然而 ，其可為以任何其他方法形成，例如塗繪、蒸氣沈積、電 鍍、或一薄膜帶之施加。 藉由將一如前所述構造之再生器1配置在一甜甜圈狀空 間内以建構一系統，其中致使一氣體以一往復方式流過該 空間，有可能實現一種以一自由活塞型史特靈循環冷凍機 為例的多用途流動氣體熱再生系統。 產業應用

士如前所述，依據本發明，在一由一捲成圓筒狀之條帶狀 樹脂膜構成的再生器中，有一熱傳導率高於該樹脂膜之層 ^/成於σ亥树知膜之表面上，或者是有一樹脂塗層佔用從該 之一邊緣起一預定寬度形成於該樹脂膜之表面上。 這提高該再生器内之熱傳導作用並使其性能穩定。在一具 有配置在一甜甜圈狀空間内之此種再生器的流動氣體熱再 生系統中，當一高溫工作氣體經由該再生器之一端流入該 再生器，該工作氣體的熱會儲存在該樹脂膜内。其中形成 於該樹脂膜上之該高熱傳導率層或樹脂塗層增強該再生器 内的熱傳導作用。目而有更多熱儲存在該樹脂膜内。當低 溫工作氣體經由該再生H之另—端流人該再生器，儲存在 該樹月曰，内的熱會排到該工作氣體。其中形成於該樹脂膜 上之ir熱傳導率層增強該再生器内的熱傳導作用且提高 其熱夺1。因而有更多熱排到該工作氣體。依此方式，有 可能達到高熱能再生效率。 從疋§之，當本發明再生器應用於一自由活塞型史特靈 裱冷凍機，有可能達到優異的冷凍性能 -16- 1227315

(12) 圖式代表符號說明 1 再生器 1C 低溫端 1H 焉溫端 2 樹脂膜 2a 小突起 3 樹脂層 4 樹脂塗層 5 活塞 6 線性馬達 7 驅氣活塞 8 氣缸 9 壓縮空間 10 膨脹空間 11,12 板簧 13 排熱器 14 吸熱器 15 排熱用熱交換器 16 吸熱用熱交換器 20 複合樹脂膜 21,22 條帶狀樹脂膜

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Claims (1)

1227315 拾、申請專利範圍

一種再生器’其係由_捲成圓筒狀之條帶狀樹脂膜構成 /、中該樹月日膜至少在其—部分内有_多層式結構佔用 從其一邊緣起之一預定寬度。 申°月專利範圍第1項之再生器，其中該樹脂膜有複數 個小犬起形成於其一表面上。 如申請專利範圍第！項之再生器，其中一用以形成該多 層式結構之層具有高於該樹脂膜的熱傳導率。 =申凊專利範圍第3項之再生器，其中具有較高熱傳導 j之該層為一含有一高熱傳導率之組份的樹脂層，且該 高熱傳導率之組份為金、銀、銅、鋁、和碳至少其中之 一的細小顆粒。 5· 一種再生器，其係由一捲成圓筒狀之條帶狀樹脂膜構成 其中有一熱傳導率高於該樹脂膜之層形成於該樹脂膜 之一表面上。 6· 一種再生器，其係由一捲成圓筒狀之條帶狀樹脂膜構成 ，該樹脂膜由二個條帶狀樹脂膜組成，該二條帶狀樹脂 膜有一熱傳導率高於該二樹脂膜之層壓合在該二樹脂 膜之間。 7 · 一種流動氣體熱再生系統，其包括如申請專利範圍第1 至6項中任一項之再生器，配置在一往復氣體流徑内。