TWI239381B - Stirling cycle engine - Google Patents

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______Β7 I 五、發明説明（1 ) ' == 技術領域 本發明有關一種史特林引擎，此史特林引擎設有一可提 供改良的熱交換效率之蓄熱器。 背景技藝 一種習知的史特林引擎係譬如設有如圖6所示之一蓄熱器 ’此蓄熱器由-圓柱形捲軸3所構成，一樹脂膜2捲繞:圓 柱形捲軸3的外表面周圍，樹脂膜2在表面上設有極細微的 不規則部11藉以在不同層的樹脂膜2之間留有間隙。這些間 隙係因在不同層之間具有細微不規則部"之樹脂膜2所形成 。圖7為-種設有此蓄熱器以自由活塞型史特林循環冷康 機的範例之側剖視圖，首先描述此自由活塞型史特林循環 冷凍機14之結構及操作。 如圖7所不，自由活塞型史特林循環冷凍機14係設有一外 覆套6 ’其中密封有譬如氦等工作氣體；一位移㈣及一活 塞18,藉以將外覆套6内的空間分成一膨脹空間2〇及一壓縮 芝間19，-線性馬達21，其用於驅動活塞18進行往復移動 ;一熱吸收器12，其由膨脹$間2〇的側邊所形成以從外部 吸熱’及熱斥退姦13 ’其由壓縮空間19的側邊所形成以 將熱量斥退至外部。 圖7中，編號22及23代表分別支撐住位移器口及活塞似 扁平彈簧，使其得以在彈力下作往復移動。編號15代表— 熱斥退性熱交換器’且編號16代表一熱吸收性熱斥退器， 其功能在毅進自由活塞型史特林循環^東機㈣内部盘 外部之間的熱交換。蓄熱器係設置於熱斥退性熱交換㈣ -4-

1239381 A7 B7 .)正督換頁丨 五、發明説明（ 及熱吸收性熱斥退器丨6之間。 此結構中，當線性馬達21受到驅動時，活塞18在外覆套6 内往上移動並壓縮位於壓縮空間19中的工作氣體。此處， 工作氣體受壓縮時將變得更溫熱，但同時藉由經由熱斥退 性熱父換器15與外部空間之熱交換予以冷卻。因此在此處 發生的程序為等溫壓縮。 然後，位移器17開始往下移動，因此，壓縮空間19中受 到控制，而對於活塞18保持一預定相位差往復移動之工作 氣體係通過蓄熱器1前往膨脹空間2〇。日寺，工錢體的熱 1係累和在开> 成蓄熱器1之樹脂膜2中，因此工作氣體將變 得較冷。 接下來活塞18往下移動，並將位於膨脹空間2〇中的工作 氣體予以膨脹。此處，工作氣體變得較冷，但同時因為經 由熱吸收器12從外部空氣吸熱而受到加熱。因此，此處發 生的程序為等溫膨脹。 然後，位移器17開始往上移動，因此，位於膨脹空間⑼ 中的工作氣體通過蓄熱器1回到壓縮空間19。同時，工作^ 體係接收蓄熱器1中所累積的熱量而變得較溫熱，藉由驅= 器的往復移動重覆進行共同構成反向史特林循環之此事件 順序，結果，熱吸收器12持續從外部空氣吸收熱量並藉以 逐漸使其愈來愈冷。 如上述，在史特林循環冷凍機中，藉由讓工作氣體經過 蓄熱器1在壓縮空間19與膨脹空間20之間往復移動而得以 熱吸收态12上抽取冷度（c〇id)，蓄熱器1係累積經壓縮严熱 本紙張尺度適财S ®家鮮(CNS) A4^(21()X 297公g ^一^一〜 ---- 1239381 五、發明説明（ A7 年月日修(更)正替換頁 B7 _______

工作氣體的熱量並將所累積熱量返回到經膨脹的冷工作氣 體藉以收集冷度。因此，累積在冷凍機中的熱量愈大，則 可愈有效率地使用熱量，因此可使史特林循環冷;東機產生 愈高的性能。 然而，在上述結構的蓄熱㈣，當捲繞在圓柱形捲軸3 的外表面周圍足樹脂膜2安裝在自由活塞型史特林循環冷凍 機14中時，樹脂膜2的外表面並未固定在外覆套&的内表面 上，因此工作氣體容易在樹脂膜2的外表面與外覆套6的内 表面之間產生洩漏，如此洩漏的工作氣體係流動於壓縮空 間與膨脹空間之間而不影響冷凍機丨中發生的熱交換，這將 導致較大的熱損失，並因此降低史特林引擎的性能。 發明揭示 本發明之一目的係提供一種史特林引擎，其操作時可利 用一蓄熱器來降低因氣體洩漏所造成之熱損失，此蓄熱器 具有可容易且便宜製造之結構，因此在蓄熱器中具有增高 之熱交換效率。 為了達成上述目的，根據本發明，在一種設有一蓄熱器 之史特林引擎中，此畜熱器係配置於一壓縮空間與一膨脹 空間之間以對於在壓縮與膨脹空間之間往復移動的一工作 氣體作為一流動通道，並藉由對於工作氣體收集熱量或釋 放熱量而操作。此蓄熱器係設有一捲軸；一樹脂膜，其捲 繞在捲軸的外表面周圍並保持一緊密接觸；及一覆套，其 安裝在该樹脂膜的一外表面周圍並在其中垂直地設有一開 缝，該樹脂膜之一端固定在該捲軸的外表面上，樹脂膜的 -6 - ί紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公ϋ---- 1239381

外表面周圍並保持緊密接觸於該覆套。此處，工作氣體流 動於不同層的樹脂膜之間。 -此、纟σ構中，在樹脂膜與覆套之間以及樹脂膜與捲軸之間 均不留間隙、’因此工作氣體不會淺漏，如此有助於改良蓄 熱器中的熱交換效率。 田 或者，根據本發明，在一種設有一蓄熱器之史特林引擎 中，此畜熱為係配置於一壓縮空間與一膨脹空間之間以對 於在壓縮與膨脹空間之間往復移動的一工作氣體作為一流 動通迢，並藉由對於工作氣體收集熱量或釋放熱量而操作 。此畜熱器係設有一捲軸；一樹脂膜，其捲繞在捲軸的外 表面周圍；及一覆套，其安裝在樹脂膜的外表面周圍並在 其中垂直地設有一開缝。此處，樹脂膜係具有固定在捲軸 的外表面上之一端點並具有經由開缝引出且固定至開縫的 一端表面或覆套的外表面之另一端點。並且，工作氣體流 動於不同層的樹脂膜之間。 此結構中’可能盡量減小位於樹脂膜與覆套以及樹脂膜 與捲轴之間的間隙’如此有助於改良蓄熱器中的熱交換效 率。 或者’根據本發明，在一種設有一蓄熱器之史特林引擎 中’此蓄熱器係配置於一壓縮空間與一膨脹空間之間的一 外覆套内以對於在壓縮與膨脹空間之間往復移動的一工作 氣體作為一流動通道，並藉由對於工作氣體收集熱量或釋 放熱量而操作。此蓄熱器係設有一捲軸；一樹脂膜，其捲 繞在捲軸的外表面周圍；及一覆套，其安裝在樹脂膜的外 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 1239381 A7 I月日修(更)正替換頁 —— —_______B7 __ 五、imiim (—~ " ——— 表面周圍並在其中垂直地設有一開缝。此處，樹脂膜係具 有固定在捲軸的外表面上之一端點並具有經由開缝引出且 固定至開缝的一端表面或覆套的外表面之另一端點。並且 ’覆套壓人安裝在外覆套的内表面上，且王作氣體流動於 不同層的樹脂膜之間。 此結構中，可能盡量減小位於蓄熱器與外覆套之間的間 隙’藉以防止工作氣體洩漏出蓄熱器外。 在上述史特林引擎中，彳將〇環安裝在蓄熱器的外表面上 ’所以在蓄熱器與外覆套之間不留間隙，這有助於防止工 作氣體在蓄熱器與外覆套之間產生戍漏。並且，一層空氣 形成於蓄熱器與外覆套之間，此層空氣係屏蔽住工：：體 的熱量使其不會經由覆套傳導至外覆套而消散，故有助於 改良蓄熱器中的熱交換效率。 在上述史特林引擎中，位於蓄熱器與外覆套之間的空間 可充填有黏劑所以在覆套與外覆套之間不留間隙，這有助 万、防止工作氣體在畜熱器與外覆套之間產生X漏。並且， 一f黏劑樹脂係形成於蓄熱器與外覆套之間，此層樹脂係 屏蔽住工作氣體的熱量使其不會經由覆套傳導至外覆套而 消散，故有助於改良蓄熱器中的熱交換效率。 在上述史特林引擎中，覆套可具有形成於一端點或兩端 點上之哭起的爪部，爪部摺回到樹脂膜上藉以固定住樹脂 腠而不會垂直移動，這有助於降低工作氣體流動之無效作 功並藉以改良熱交換效率。 上述史特林引擎中’覆套可由—種高度熱絕緣材料製成 -8 · 1239381 W日修(更)正替換頁 五、發明説明（ ，這將屏蔽住流過蓄埶器、 外覆套，故有助於實行工作氣體的熱量使其不傳導至 熱交換效率之史特林γ擎"'種在蓄熱器操作方面具有改良的 根據本發明之這些 ^ 膜捲繞在一捲軸虚一 f 引擎中，蓄熱器具有將一樹脂 體圖圖1為本發明第—f施例所使用之蓄熱器的製造方法之立 明第—實施例所使用之蓄熱器的立體圖。 份之侧剖視圖。 ]斤使用《畜熱减其·的-部 圖4為本發明第四實施例所使用之蓄熱器及其關的— 伤足側剖視圖。 4 圖5為本發明第五實施例所使用之蓄熱器的立體圖。 圖6為一習知蓄熱器之立體圖。 圖7為-習知的自由活塞型史特林循環冷;東機之侧 圖0 本發明的最佳實行模式 下述實施例中，具有與圖7所示之習知自由活塞型史特林 循環冷凍機14大致相同的整體結構，只是在各實施例之間 具有不同的蓄熱器1的結構。因此，下文中，同名稱的構件 具有相同編號而不重覆贅述，請注意，本說明壹中，一 , 曰 捲 孕由係代表一大致圓柱形中空或實心核心且其周圍捲繞有— -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐) 1239381

日修(更)正替換頁 樹脂膜。 <第一實施例> 圖…丁本务明第一貫施例所使用的蓄熱器1之製造方法 :立體圖，一圓柱形捲軸3穿過-支撑台25,具有比圓柱形 =3更大直徑的-個薄壁式圓柱形覆套4係安裝在圓柱形 捲轴3周圍。薄壁式圓柱形覆套仏制動器24固定至支撐台 25 ’薄壁式圓柱形覆套4中垂直地設有一開縫5。 接著將-樹脂膜2的-端點插過開縫5並以至圓柱形捲 軸3的外表面，然後圓柱形捲軸3在箭頭η方向旋轉，使得 樹脂膜如箭頭以所示進一步插過開縫5並捲繞在圓柱形捲轴 3的外表面周圍。當樹脂膜2將抵達薄壁式圓柱形覆套4内表 面時，圓柱形捲轴3停止旋#。錢，切割樹脂膜2，樹脂 W的此端點係固定至開缝5的_端表面、或者薄壁式圓柱 形覆套4的外表面。 然後’從支撑台25以-體單元方式移除薄壁式圓柱形覆 套4、树脂膜2及圓柱形捲軸3，然後切除圓柱形捲軸3的額 外邵份以獲得如圖2所示之一蓄熱器！。藉由如？圖所示將此 畜熱為1壓入安裝在外覆套6的内表面上，可能獲得一自由 活塞型史特林循環冷;東機，纟中工作氣體在不同層的樹脂 膜2之間流動。 曰 此結構中，樹脂膜2捲繞在圓柱形捲軸3周圍直到抵達薄 壁式圓柱形覆套4的内表面為止，因此，在樹脂膜2與薄壁 式圓柱形覆套4之間或在樹脂膜2與圓柱形捲軸3之間均不留 間隙，所以工作氣體不會洩漏，這有助於改良蓄熱器1中的 -10-

1239381 A7 B7 牟月曰修(更)正替換頁 五、發明説明（8 熱交換效率。並且，如7圖所示，蓄熱器丨壓入安裝在外覆 套6的内表面上，這將盡量減小薄壁式圓柱形覆套4與外覆 套之間的間隙’故有助於防止工作氣體戍漏出蓄熱器i外。 可將樹脂膜2的形狀定為恰與圖6所示習知者相同，樹脂 膜2較佳由諸如聚對苯二甲酸乙二酯或聚醯亞胺等—種具有 呵比熱、低導熱性、高耐熱性、低吸濕性（hygr〇sc〇picity) 之材料所製成。 、並未特別限制將樹脂膜2固定至圓柱形捲軸3及薄壁式圓 柱形覆套4之方式，其譬如可以黏劑結合在—起或炫合在一 起。或者，亦可能產生具有一實心圓柱形捲軸而非中空圓 柱形捲軸之一蓄熱器（未圖示）並將其安裝在外覆套6的外表 面上。 <第二實施例> #當7自由活塞型史特林引擎操作時，經壓縮溫熱的工作 軋to以及經膨脹冷卻的工作氣體係以往復移動流過蓄熱器1 二同時，在樹脂膜2與工作氣體之間交換熱量，此處，”揭f在 薄土式圓柱形覆套4的内表面附近流動之工作氣體的熱量經 由薄壁式圓柱形覆套4傳導至外覆套6予以消散，這造成= 覆套6中的一熱損失故降低了冷凍機的性能。 為避免此問題，本發明第二實施例中，相較於第一實施 例\薄壁式圓柱形覆套4係由一種高熱絕緣材料所製成，高 熱絕緣材料的範例係包括諸如聚碳酸酯等樹脂及陶瓷。 、此結構中，流過蓄熱器丨的工作氣體熱量係受到薄壁式圓 枉开v後套4予以屏蔽而不會傳導至外覆套6，這改良了蓄熱 -11 - 1239381 五、發明説明（9 此有助於改良熱交換效率 恭1的熱儲存能力，因 <第三實施例> 圖3為本發明第三實施例所使用之蓄熱器1及其周圍的一 部份之側剖視圖’第三實施例中，相較於第-實施例，〇環 及8係t裝在畜熱③〗的外表面周圍（亦即薄壁式圓柱形覆 套4外表面周園）’藉以密封住薄壁式圓柱形覆套4與外覆套 6之間的空間。 此、.、口構中，可防止工作氣體在薄壁式圓柱形覆套4的外表 面與外覆套6的内表面之間產生淺漏。並且，藉由將〇環8及 8,安裝在蓄熱器㈣兩端點上使得_層空氣形成於薄壁式圓 ㈣覆套4與外覆套6之間，此層空氣屏蔽住工作氣體的熱 !使其不會經由薄壁式圓柱形覆套4傳導至外覆套6而消散 ’這將改良蓄熱器1的熱儲存能力，故有助於改良熱交換效 可將一或多個额外的〇環安裝在〇環8及8，之間，如此不 但有助於加強防止工作氣體戌漏的作用，亦有助於將負載 分散在個別〇環上。 <第四實施例> 圖4為本發明第四實施例所使用之蓄熱器丨及其周圍一部 份 < 側剖視圖，第四實施例中，相較於第一實施例，一黏 劑9係安裝在蓄熱器丨與外覆套6之間的空間（亦即薄壁式圓 柱形覆套4與外覆套6之間的空間），藉以在蓄熱器！與外覆 套6之間不留有間隙。 此結構中，可防止工作氣體在薄壁式圓柱形覆套4的外表 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公釐） -12 1239381

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面與外覆套6的内表面之間產生洩漏。並且，—層黏 成於薄壁式圓柱形覆套4與外覆套6之間，^ ^蔽 ::作氣體的熱量使其不會經由薄壁式圓柱形覆套：： 卜覆套6而消散，這將改良蓄 古 於改良熱交換效率。 mu，故有助 可如圖4所示將黏劑9施加在薄壁式圓柱形覆套4的整體外 :面上’或可以—整圈方式施加在薄壁式圓柱形覆套4的外 表=周圍的複數個位置而如同第三實施例中的0環，如此將 可藉由黏劑與空間層屏蔽住工作氣體的熱量。 <弟五貫施例:> 裝 圖5為本發明第五實施例所使用之蓄熱器1的立體圖，第 j實施例中’相較於第一實施例，—薄壁式圓柱形覆套斗在 一端點或兩端點（圖5中於四個位置）上形成有突起的爪㈣ 訂 ，且爪邵10摺回到樹脂膜2上藉以固定住樹脂膜2而不會垂 直移動。 此結構中，操作自由活塞型史特林引擎14時，藉由在不 同層之間流動的工作氣體來防止樹脂膜2垂直移動，這有助 於降低工作氣體的無效作功，並藉以改良熱交換效率，故 改良了冷東機的性能。 對於爪部10的數量及形狀並無特殊限制，只要其具有足 以固疋住樹脂膜2以免垂直移動並且不會過大而妨礙工作氣 體流動之面積即可。 工業應用能力 可使用根據本發明之史特林引擎作為在冷凍機、冰櫃、 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1239381 94 3. -8 年月日修(更)正替換頁 A7 B7 五、發明説明（ 11 ) 自動販賣機及類似裝置中使用之史特林循環冷凍機。 【符號說明】 1 蓄熱器 2 樹脂膜 3 圓柱形捲軸 4 薄壁式圓柱形覆套 5 開缝 6 外覆套 8, 8， 0環 9 黏劑 10 爪部 11 細微的不規則部 12 熱吸收器 13 熱斥退器 14 自由活塞型史特林循環冷凍機 15 熱斥退性熱交換器 16 熱吸收性熱交換器 17 位移器 18 活塞 19 壓縮空間 20 膨脹空間 21 線性馬達 22 扁平彈簧 23 扁平彈簧 24 制動器 -14 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1239381 A7 B7

五、發明説明（12 ) 25 支撐台 F1 箭頭 F2 箭頭 -15-本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

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六、申請專利範圍 1 · 一種史特林引擎，包含配置於一壓縮空間與一膨脹空間 之間之一蓄熱器，該蓄熱器係對於在該等壓縮與膨脹空 間之間往復移動的工作氣體作為一流動通道並藉由對於 該工作氣體收集熱量或釋放熱量而操作， 其中該蓄熱器係包含一捲軸；一樹脂膜，其捲繞在該 捲軸的一外表面周圍保持緊密接觸；及一覆套，其安裝 在該樹脂膜的一外表面周圍並在其中垂直地設有一開缝 ，該樹脂膜之一端固定在該捲軸的外表面上，該樹脂膜 的一外表面周圍保持緊密接觸於該覆套，該工作氣體係 在不同層的該樹脂膜之間流動。 2. 一種史特林引擎，包含配置於一壓縮空間與一膨脹空間 之間之一蓄熱器，該蓄熱器係對於在該等壓縮與膨脹空 間之間往復移動的工作氣體作為一流動通道並藉由對於 該工作氣體收集熱量或釋放熱量而操作， 其中該蓄熱器係包含一捲軸；一樹脂膜，其捲繞在該 捲軸的一外表面周圍；及一覆套，其安裝在該樹脂膜的 一外表面周圍並在其中垂直地設有一開缝，該樹脂膜之 一端固定在該捲軸的外表面上，以及經由該開缝引出且 固定至該開缝的一端表面或該覆套的一外表面之另一端 點，該工作氣體係在不同層的該樹脂膜之間流動。 3 · —種史特林引擎，包含配置在位於一壓縮空間與一膨 脹空間之間的一外覆套内之一蓄熱器，該蓄熱器係對 於在該等壓縮與膨脹空間之間往復移動的工作氣體作 為一流動通道並藉由對於該工作氣體收集熱量或釋放 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) ^39381

為量而操作， 其中Μ蓄熱器係包含一捲軸；一樹脂膜，其捲繞在該 的一外表面周圍；及一覆套，其安裝在該樹脂膜的 外表面周圍並在其中垂直地設有一開缝，該樹脂膜之 古崎固疋在孩捲軸的外表面上，以及經由該開缝引出且 ^疋至該開缝的一端表面或該覆套的一外表面之另一端 ·: 忒覆套壓入安裝在該外覆套的一内表面上，該工作 氣體係在不同層的該樹脂膜之間流動。 如：請專利範圍第3項之史特林引擎，其中兩個或更多個 =¾安裝在該覆套的外表面上，所以在該覆套與該外覆 套之間不留間隙。 ^申請專利範圍第3項之史特林引擎，其中位於該覆套與 孩外覆套之間之-空間係充填有黏劑，所以在該覆套與 孩外覆套之間不留間隙。 、 如申請專利範圍第丨至3項中任—項之史特林引擎，其中 孩覆套具有形成於一端點或兩端點上之爪部，且該等爪 4摺回到該樹脂膜上藉以固定住該樹脂膜。 ^申請專利範圍第⑴項中任—項之史特林引擎，其中 孩覆套由一種高度熱絕緣材料所製成。

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