TWI512190B

TWI512190B - 熱延遲式史特靈冷熱複合機及其使用方法

Info

Publication number: TWI512190B
Application number: TW103134409A
Authority: TW
Inventors: Ching Hsiang Cheng; Han Hsun Yang
Original assignee: Univ Nat Cheng Kung
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2015-12-11
Also published as: TW201614141A

Description

熱延遲式史特靈冷熱複合機及其使用方法

本發明係有關於一種熱延遲式史特靈冷熱複合機及其使用方法，尤指使用不具有移氣器的史特靈引擎作為同時製冷及加熱的冷熱複合機。

目前市面上常見的冷熱飲水機、冷熱空調，其冷卻及加熱方式大多需要各自獨立不同的裝置，冷凍系統通常為壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥、冷媒及循環管路構成之壓縮製冷系統，而加熱方式則由電熱單元達成，各裝置不僅所需佔據的空間相當大，而且在使用上也需耗費相當多電力、效率較差，因此尚有許多不足處有待改進。

為此，有業者思考以史特靈循環裝置取代目前常見的冷凍系統，相關案例如有日本專利編號JP3866974之「STIRLING ENGINE」、美國專利編號6279325之「Stirling device」及美國專利編號US5284022「Stirling cycle type cold air generating device」，主要包含一活塞、一移氣器、一膨脹室及一壓縮室，該活塞配合在一充填有一工作氣體之缸體內且受到一驅動構件所驅動而往復移動，該移氣器在該缸體內與該活塞同軸向配合且受到一由該活塞往復移動導致之力所驅動而往復移動，且其中該移氣器相對於該活塞保持一相位差，該膨脹室及該壓縮室係分別位在該移氣器兩側；藉上述構造，當活塞受到驅動構件驅動而往復移動時，該移氣器將隨活塞位移，使該壓縮室的工作氣體被壓縮而產生熱量，而工作氣體並將逐漸流向膨脹室膨脹而吸熱，藉此反覆循環而使膨脹室的部位產生冷凍的效果。

但上述前案仍有不足處有待改進，主要原因在於：

1.習知的史特靈裝置需要配合移氣器使用，構件較多且複雜，再者，前案JP3866974為避免移氣器因為在作動過程中反覆與活塞碰撞而損壞，因此又配置了碰撞危險偵測構件、反相器電源供應電路控制構件，一方面使設備更為複雜，也降低設備的可靠度較低，另一方面也讓製作成本更為昂貴。

2.習知的史特靈裝置，其移氣器係藉由連桿推動而往復作動驅趕氣體，但連桿需穿過活塞的穿孔，而容易因為該穿孔影響工作空間的氣密性，不易克服氣密性的問題。

3.習知的史特靈裝置僅用於製冷用途，過程中產生的熱並未有效利用，再者也未有效利用活塞作動時產生的熱。

另發明人於「Dynamic simulation of thermal-lag Stirling engines」一文中，揭露有未利用移氣器之熱延遲式史特靈引擎構造，但此熱延遲式史特靈引擎構造所需佔用的空間較大，且內部再生器容易因高溫氧化影響產生金屬屑，產生的金屬屑容易直接掉入汽缸，使活塞在作動過程中易有刮缸的情形發生，實用性仍有待改進。

爰此，為改善習知史特靈裝置構件必須配合移氣器使用，以致於整體構造過於複雜、產品成本過高，因此本發明人致力於研究，提出一種熱延遲式史特靈冷熱複合機，包含：一汽缸，該汽缸界定有一第一工作空間；一管件，連接該汽缸，有一排熱部及一吸熱部，該管件有一內管、一外管套於該內管，該內管界定一第二工作空間連通該第一工作空間，該內管與該外管之間界定一封閉的容置空間連通該第二工作空間，該容置空間並裝入一多孔隙材，該多孔隙材分隔該容置空間在該吸熱部形成一預冷室；一作動組件，連接該汽缸，該作動組件由單一活塞及一動力源連接該活塞所組成，該活塞受該動力源驅動而在該第一工作空間中往復運動，當該活塞進入該第一工作空間擠壓該第一工作空間及該第二工作空間的一工作氣體時，該工作氣體在該排熱部釋放熱能，並使部分工作氣體經由該多孔隙材流向該預冷室，以將該部分工作氣體的熱能暫存在該多孔隙材，在該活塞退出該第一工作空間時使該工作氣體膨脹，使該工作氣體在該吸熱部吸收熱能，而該部分工作氣體將被回抽並提取暫存在該多孔隙材的熱能，並在該排熱部釋放熱能。

進一步，該外管有一封閉端，該封閉端與該內管之間有一距離，以界定連通該容置空間的一通道。

進一步，該外管有一封閉端，該封閉端與該內管之間有一距離，以在該外管、該封閉端及該內管之間界定連通該容置空間的一通道。

進一步，該管件的排熱部設有一第一熱交換器，並在該管件的吸熱部與該汽缸之一至少設有一第二熱交換器。

進一步，該第一熱交換器及該第二熱交換器皆有一輸送部，該輸送部設置皆用以輸送用於熱交換的一流體。

進一步，前述第二熱交換器為一套件套在該汽缸或/及吸熱部，以在該套件及在該汽缸或/及該吸熱部之間界定一輸送空間作為該輸送部。

進一步，該管件更包括二第一熱傳單元，前述第一熱傳單元分別設置在該多孔隙材兩旁。

進一步，該管件更包括二第二熱傳單元，前述第二熱傳單元設置在該管件外周係分別對應前述第一熱傳單元。

進一步，前述第二熱傳單元為一銷狀鰭片熱傳單元、一螺旋狀鰭片熱傳單元、一多孔隙熱傳單元之任一或組合。

進一步，該動力源連接一傳動單元以驅動該活塞，該傳動單元為一曲柄傳動機構、一斜盤式傳動機構、一菱形傳動機構、一羅斯傳動機構、一彈性元件或一導磁件之任一。

進一步，該多孔隙材為一金屬或陶瓷材料。

本發明同樣為一種熱延遲式史特靈冷熱複合機，包含：一汽缸，該汽缸界定有一第一工作空間；一管件，該管件連接該汽缸，有一排熱部及一吸熱部，該管件界定一第二工作空間連通該第一工作空間以及封閉的一容置空間連通該第二工作空間，該容置空間並裝入有一多孔隙材，該多孔隙材分隔該容置空間在該吸熱部形成一預冷室；一作動組件，連接該汽缸，該作動組件由單一活塞及一動力源連接該活塞所組成，該活塞受該動力源驅動而在該第一工作空間中往復運動，當該活塞進入該第一工作空間擠壓該第一工作空間及該第二工作空間的一工作氣體時，該工作氣體在該排熱部釋放熱能，並使部分工作氣體經由該多孔隙材流向該預冷室，以將該部分工作氣體的熱能暫存在該多孔隙材，在該活塞退出該第一工作空間時使該工作氣體膨脹，使該工作氣體在該吸熱部吸收熱能，而該部分工作氣體將被回抽並提取暫存在該多孔隙材的熱能，並在該排熱部釋放熱能。

本發明亦為一種利用熱延遲式史特靈引擎製冷及製熱的使用方法，包含下列步驟：A.提供界定一第一工作空間的一汽缸，該第一工作空間裝入一活塞，以及一管件連接該汽缸，該管件界定一第二工作空間連通該第一工作空間以及封閉的一容置空間連通該第二工作空間，該容置空間並裝入有一多孔隙材，該多孔隙材分隔該容置空間在該吸熱部形成一預冷室；B.驅動該活塞在該第一工作空間中往復運動，當該活塞進入該第一工作空間擠壓該第一工作空間及該第二工作空間的一工作氣體時，該工作氣體在該排熱部釋放熱能，並使部分工作氣體經由該多孔隙材流向該預冷室，以將該部分工作氣體的熱能暫存在該多孔隙材，在該活塞退出該第一工作空間時使該工作氣體膨脹，使該工作氣體在該吸熱部吸收熱能，而該部分工作氣體將被回抽並提取暫存在該多孔隙材的熱能，並在該排熱部釋放熱能。

本發明的功效在於：

1.由於本發明利用多孔隙材供工作氣體暫存熱能，因此不必如習知史特靈引擎需要配合移氣器使用，一方面可簡化整體構件，以降低產品成本，也因為活塞不必設置穿孔穿置連接移氣器的連桿，因此可克服穿孔影響工作空間氣密性的問題，另一方面，本發明的活塞也沒有移氣器與活塞碰撞的疑慮，提昇設備的可靠度，降低設備的維修成本。

2.本發明將多孔隙材裝入內、外管夾層間的設計，一方面可防止多孔隙材在高溫氧化後產生的金屬屑掉入至汽缸內部，避免活塞產生刮缸的現象，另一方面，也可以讓多孔隙材的受熱可以更均勻，再者，也可使設備結構更為緊湊，節省整體設備的佔據空間。

3.由於本發明在管件的排熱部及吸熱部以及汽缸皆設置有熱交換器，因此可有效運用史特靈引擎過程中所產生的熱能及汽缸在活塞摩擦所產生的熱，進而達到同時供應熱水/氣、冰水/氣及溫熱水/氣的目的，增進產品的實用性。

(1)(10)‧‧‧汽缸

(11)(110)‧‧‧第一工作空間

(2)(20)‧‧‧管件

(201)‧‧‧內管

(202)‧‧‧外管

(203)‧‧‧密封件

(21)(210)‧‧‧排熱部

(22)(220)‧‧‧吸熱部

(23)(230)‧‧‧第二工作空間

(24)(240)‧‧‧容置空間

(241)(2410)‧‧‧預冷室

(242)‧‧‧封閉端

(25)(250)‧‧‧多孔隙材

(26A)(26B)‧‧‧第一熱傳單元

(27A)(27B)‧‧‧第二熱傳單元

(28)‧‧‧第一熱交換器

(281)‧‧‧輸送部

(29A)(29B)‧‧‧第二熱交換器

(291A)(291B)‧‧‧套件

(292A)(292B)‧‧‧輸送部

(293A)(293B)‧‧‧輸入部

(294A)(294B)‧‧‧輸出部

(3)‧‧‧作動組件

(31)(310)‧‧‧活塞

(32)‧‧‧動力源

(321)‧‧‧傳動單元

(41)‧‧‧開口端

(A)‧‧‧流體

(B)‧‧‧工作氣體

(D)‧‧‧距離

(P)‧‧‧通道

(S)‧‧‧軸線

[第一圖]係為本發明實施例汽缸結合管件的立體外觀示意圖。

[第二圖]係為本發明實施例汽缸結合管件的立體剖視示意圖。

[第三圖]係為本發明實施例結合熱交換器的平面示意圖。

[第四圖]係為本發明實施例活塞壓縮作動的狀態示意圖一。

[第五圖]係為本發明實施例活塞壓縮作動的狀態示意圖二。

[第六圖]係為本發明實施例活塞壓縮作動的狀態示意圖三。

[第七圖]係為本發明實施例活塞壓縮作動的狀態示意圖四。

[第八圖]係為本發明之第二實施例圖。

綜合上述技術特徵，本發明熱延遲式史特靈冷熱複合機的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

先請參閱第一圖及第二圖，分別為史特靈引擎的立體外觀圖，係揭示本發明實施例之熱延遲式史特靈冷熱複合機，包含：一汽缸(1)用以界定一第一工作空間(11)、一管件(2)及一作動組件(3)，其中：該管件(2)連接該汽缸(1)，該管件(2)有一排熱部(21)及一吸熱部(22)，該管件(2)有一內管(201)、一外管(202)套於該內管(201)，該內管(201)界定一第二工作空間(23)連通該第一工作空間(11)，該內管(201)與該外管(202)之間界定一封閉的容置空間(24)連通該第二工作空間(23)。

較詳細的說，該外管(202)的一端例如但不限於蓋合一密封件(203)而形成一封閉端，該外管(202)的封閉端與該內管(201)之間有一距離(D)，以在該外管(202)、該封閉端及該內管(201)之間界定連通該容置空間(24)的一通道(P)。

該容置空間(24)並裝入一多孔隙材(25)，該多孔隙材(25)將分隔該容置空間(24)，使該容置空間(24)在該吸熱部(22)處形成一預冷室(241)。詳細的說，該多孔隙材(25)為一金屬或陶瓷的多孔隙材料。最好是，該管件(2)更包括二第一熱傳單元(26A)(26B)，前述第一熱傳單元(26A)(26B)裝入該容置空間(24)，並分別設置在該多孔隙材(25)兩旁。較佳的是，該管件(2)更包括二第二熱傳單元(27A)(27B)，前述第二熱傳單元(27A)(27B)設置在該管件(2)外周係分別對應前述第一熱傳單元(26A)(26B)。較詳細的說，前述第一熱傳單元(26A)(26B)為圍繞內管環設的放射狀鰭片，但並不以此為限，而第二熱傳單元(27A)(27B)於本實施例為間隔設置的環狀鰭片，但也不以此為限，也可以為一銷狀鰭片熱傳單元、一螺旋狀鰭片熱傳單元、一多孔隙熱傳單元之任一或組合等各式熱傳單元，主要目的皆在於提昇熱傳導的效率。

併閱第三圖，該管件(2)的排熱部(21)設有一第一熱交換器(28)，並在該管件(2)的吸熱部(22)與該汽缸(1)之一至少設有一第二熱交換器，在本實施例中是在前述吸熱部(22)及汽缸(1)皆設置有第二熱交換器(29A)(29B)。詳細來說，第二熱交換器(29A)(29B)皆以一套件(291A)(291B)分別套在該汽缸(1)及吸熱部(22)，以在該套件(291A)(291B)及在該汽缸(1)及吸熱部(22)之間皆分別界定一輸送空間作為一輸送部(292A)(292B)，以及連通前述輸送部(292A)(292B)的一輸入部(293A)(293B)及一輸出部(294A)(294B)。

作動組件(3)連接該汽缸(1)，該作動組件(3)由單一活塞(31)及一動力源(32)連接該活塞(31)所組成，用以使該活塞(31)在汽缸(1)中往復作動。較具體的說，該動力源(32)用以藉由一傳動單元(321)，該傳動單元(321)連接該活塞(31)，該傳動單元(321)在本實施例中為一曲柄傳動機構，但並不限於此，其他如一斜盤式傳動機構、一菱形傳動機構、一羅斯傳動機構、一彈性元件或一導磁件等。

使用之情況，續請參閱第四圖及第五圖所示觀之，皆在該輸送部(281)(292A)(292B)輸送用於熱交換的一流體(A)。補充說明，該流體(A)可為氣體、液體之任一或組合。要特別說明的是，每一輸送部(281)(292A)(292B)的流體(A)並非全部皆為氣體或液體，也可以部分為氣體或部分為液體。

接著驅動傳動單元(321)，而使該活塞(31)由該第一工作空間(11)往該第二工作空間(23)位移，該活塞(31)將擠壓該第一工作空間(11)及該第二工作空間(23)的一工作氣體(B)，使該工作氣體(B)在該排熱部(21)釋放熱能，而活塞(31)繼續壓縮至行程的上死點的過程中，同時也有部分的工作氣體(B)在會受壓力影響而由排熱部(21)經由該多孔隙材(25)流向該預冷室(241)，而該部分的工作氣體(B)將暫存部分的熱量在該多孔隙材(25)，使該部分的工作氣體(B)在該吸熱部(22)處膨脹形成預冷。

續請參閱第六圖及第七圖所示觀之，接著以傳動單元(321)帶動活塞(31)往下死點位移，而使第一工作空間(11)及第二工作空間(23)的工作氣體(B)膨脹，讓吸熱部(22)因為工作氣體(B)膨脹產生吸熱現象，同時，原先位在預冷室(241)的工作氣體(B)也將經由多孔隙材(25)被抽回排熱部(21)，並吸收暫存於多孔隙材(25)的熱量，而在排熱部(21)放熱，藉此即完成第一次作動行程，然後週而復始地形成連續循環，以重複地對位在排熱部(21)的流體(A)進行加熱，進而產生熱水或高溫氣體，也使經過吸熱部(22)的流體(A)不斷地被冷卻，藉此產生冰水或涼爽的氣體。

而由於活塞(31)不斷往復位移的過程中，不可避免的會使汽缸(1)因為活塞(31)的摩擦而產生熱能，因此位在汽缸(1)第二熱交換器(29B)所經過的流體(A)，也被該摩擦而產生熱能所加熱，藉此產生溫水或溫熱的氣體。藉此，即可達到同時供應熱水/氣、冰水/氣及溫熱水/氣的目的。

另如第八圖所示，係本創作之第二實施例圖，主要差異在於該管件(20)並非如前述外管套內管的型態，該管件(20)連接該汽缸(10)，該汽缸(10)內容置一可往復運動之活塞(310)，該活塞(310)係連接至一動力源(圖中未示)，且該管件(20)界定一容置空間(240)、一開口端(41)連通該容置空間(240)及一封閉端(242)封閉該容置空間(240)，並將一多孔隙材(250)裝入該容置空間(240)，以分隔一第二工作空間(230)及一預冷室(2410)，該第二工作空間(230)連通該汽缸(10)的第一工作空間(110)，該預冷室(2410)在該多孔隙材(250)與該封閉端(242)之間，而該管件(20)有一排熱部(210)對應該第二工作空間(230)，並有一吸熱部(220)對應該預冷室(2410)，在本實施例中，該第二工作空間(230)與該預冷室(2410)係位在同一軸線(S)上，但並不侷限於此，該預冷室(2410)亦可偏離該軸線(S)而設。在上述活塞(310)往復運動時，活塞(310)將壓縮工作氣體而在排熱部(210)釋放熱能，部分工作氣體並在通過多孔隙材(250)後在預冷室(2410)膨脹而吸熱，上述作動原理與第一實施例相同，因此並不再詳加描述。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

(1)‧‧‧汽缸

(11)‧‧‧第一工作空間

(2)‧‧‧管件

(21)‧‧‧排熱部

(22)‧‧‧吸熱部

(23)‧‧‧第二工作空間

(241)‧‧‧預冷室

(25)‧‧‧多孔隙材