TWI549640B

TWI549640B - 致冷加熱裝置

Info

Publication number: TWI549640B
Application number: TW103143061A
Authority: TW
Inventors: 宋柏毅; 陳奕瑞; 劉嘉楣; 江禎裕
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-09-21
Also published as: TW201620432A

Description

致冷加熱裝置

本提案是關於一種致冷加熱裝置，特別是關於一種具有溫控核心(Temperature Control Core)的致冷加熱裝置。

一般人出外並攜帶冷飲時，一般是將冷飲裝入於保溫瓶中，藉由保溫瓶內的腔室隔絕與外界環境之間的熱傳導，使冷飲維持低溫狀態。然而，不論保溫瓶的結構多麼密閉及精緻，經過一段時間後，保溫瓶內的飲品必定會和外界環境達到熱平衡，使飲品的溫度升高，超過使用者所預期的溫度。舉例來說，若飲品為冰牛奶，當放置於保溫瓶內一段時間後，冰牛奶開始升溫。如此的升溫情況，將容易造成牛奶的腐敗。

為了因應上述問題，業者開發出一種攜帶式冰箱，其內含有冷劑(例如冷媒)或/和壓縮機，以對飲品或其他食物進行冷卻。而後，業者亦開發出一種可具有加熱以及冷卻功能的攜帶式冰箱，其利用傳統散熱鰭片與風扇，將致冷時不需要的廢熱排放至外界空氣中；當需要對飲品加熱時(例如使用者想要飲用熱牛奶或熱豆漿，或需要喝牛奶的嬰幼兒)，則可藉由鰭片與風扇由外藉空氣進行吸熱。此外，在此加熱的過程中必須通入大量電流以對已達成其目的。然而，這種包含冷劑以及壓縮機的攜帶式冰箱，體積過大，且重量往往超過兩公斤，不適合使用者隨身攜帶。同時，若無法妥善利用其致冷時所產生額外的熱能，亦有浪費能源的疑慮。

因此，目前需要一種容器，能同時對液體或飲品進行加熱和冷卻，且具有輕巧而方便攜帶的特性。

鑒於以上的問題，本提案揭露一種致冷加熱裝置，其藉由一溫控核心對其不同腔室各別進行冷卻以及加熱，以達到同時加熱冷卻以及縮小體積的功效。

本提案的一實施例揭露一種致冷加熱裝置，其包含一溫控核心、一儲熱模組、一致冷腔體以及一加熱腔體。溫控核心具有一冷端以及一熱端。儲熱模組設置於熱端。致冷腔體具有一致冷腔室，致冷腔室熱接觸於冷端。加熱腔體具有一加熱腔室，加熱腔體熱接觸於熱端，且儲熱模組位於加熱腔室內。

根據本提案實施例所揭露的致冷加熱裝置，當溫控核心通電運作時，其冷端可對致冷腔室進行冷卻，其熱端可對儲熱模組進行加熱。熱能可儲存於儲熱材料中，而再對加熱腔室進行加熱。如此，僅需要極少的電流，即同時對致冷腔室進行致冷以及對加熱腔室進行加熱。更進一步來說，藉由儲熱模組配置於加熱腔體內並熱接觸於溫控核心的結構，當溫控核心運作而產生熱量時，可將大量熱量先儲存於儲熱模組，而後儲熱模組再穩定地均勻傳導給加熱腔體內的第二液體。由於本案的致冷加熱裝置具有體積小、無噪音、無振動、省電以及有效運用能源等優點，可適於攜帶取代小型壓縮機攜帶式車用小冰箱、小型冰溫熱開飲機與電子式致冷防潮箱上，以提供攜帶方便之致冷加熱裝置。此外，亦可應用於其他電子元件冷卻及空調系統等方面。

以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。

1‧‧‧致冷加熱裝置

10‧‧‧溫控核心

11‧‧‧冷端

12‧‧‧熱端

13‧‧‧熱電晶片

14‧‧‧電連接埠

20‧‧‧儲熱模組

21‧‧‧導熱殼體

211‧‧‧第一端

212‧‧‧第二端

213‧‧‧通孔

22‧‧‧相變化材料

23‧‧‧熱傳導機構

24‧‧‧凹槽

30‧‧‧致冷腔體

31‧‧‧致冷腔室

312‧‧‧第一供給口

32、33‧‧‧第一固定部

40‧‧‧加熱腔體

41‧‧‧加熱腔室

412‧‧‧第二供給口

42、43‧‧‧第二固定部

51‧‧‧連通管

511‧‧‧連通道

52‧‧‧通道開關

521‧‧‧閥體

522‧‧‧旋鈕

61‧‧‧中置套環

612、613‧‧‧中置固定部

62‧‧‧冷端導板

63‧‧‧熱端導板

71‧‧‧冷端杯罩

72‧‧‧熱端杯罩

73‧‧‧冷端蓋

731‧‧‧冷端固定部

74‧‧‧熱端蓋

741‧‧‧熱端固定部

81‧‧‧第一溫度感應模組

82‧‧‧第二溫度感應模組

83‧‧‧顯示模組

84‧‧‧控制模組

85‧‧‧按鍵組

第1圖係為根據本提案一實施例的致冷加熱裝置的立體示意圖。

第2圖係為根據本提案一實施例的致冷加熱裝置的分解示意圖。

第3圖係為根據本提案一實施例的致冷加熱裝置的剖切示意圖。

以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本提案之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本提案之觀點，但非以任何觀點限制本提案之範疇。

本提案提供一種致冷加熱裝置，用以通電而對其內的液體進行加熱和冷卻。

請參照『第1圖』以及『第2圖』，其中『第1圖』係為根據本提案一實施例的致冷加熱裝置1的立體示意圖，『第2圖』係為根據本提案一實施例的致冷加熱裝置1的分解示意圖。

本提案掲露一種致冷加熱裝置1，其包含一溫控核心10、一儲熱模組20、一致冷腔體30以及一加熱腔體40。溫控核心10包含熱電晶片13(Thermoelectric Chip)，熱電晶片13具有相對的一冷端11以及一熱端12。致冷腔體30位於冷端11。加熱腔體40以及儲熱模組20設置於熱端12。在本實施例以及部分的其它實施例中，致冷加熱裝置1更包含一中置套環61，中置套環61的相對兩端分別連接致冷腔體30以及加熱腔體40，且溫控核心10設於中置套環61內。中置套環61的相對兩端分別具有中置固定部612、613，用以分別連接致冷腔體30以及加熱腔體40。

一般來說，溫控核心10包含彼此併聯或串聯的熱電晶片13以及電力監控模組(未繪示)。舉例來說，熱電晶片13可包含疊設的兩種不同金屬，或者一種多相材料。其利用一熱電效應(Thermoelectric Effect)中的帕爾帖效應(Peltier Effect)，通入電流使熱電晶片13內材料(例如二相異金屬)的交界處產生載子移動，以將熱能由熱電晶片13的一端帶到相對另一端，進而使熱電晶片13兩端產生溫差，進而對兩端之物件分別進行加熱以及冷卻。電力監控模組用以控制對熱電晶片13的電力輸送和監控。是以，本案掲露之溫控核心10的兩端分別定義為冷端11以及熱端12，冷端11可用以對一物件進行冷卻，而熱端12用以對另一物件進行加熱。也就是說，本案的致冷加熱裝置1不需要使用風扇和過多散熱組來對熱端12進行散熱，而直接將熱端12的熱量對加熱腔室41加熱，而不會造成廢熱的產生。如此，由於減少了風扇和過多散熱鰭片，可大幅減輕重量，且減少了風扇所產生的噪音。更由於溫控核心10的用電量大幅小於攜帶型冰箱的用電量，進而達到省電的功效。

在本實施例以及部分的其它實施例中，溫控核心10更包含一電連接埠14，用以對一電源進行電性連接。上述所使用的電源可為直流電源或交流電源。舉例來說，電連接埠14為使用直流電源的一通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)，藉以電性連接行動電源、車用電源、筆記型電腦或市電。此外，溫控核心10更包含一控制模組84，可用以控制熱電晶片13的啟動和關閉。

請共同參照『第1圖』至『第3圖』，其中『第3圖』係為根據本提案一實施例的致冷加熱裝置的剖切示意圖。致冷腔體30具有一致冷腔室31以及一第一供給口312，致冷腔室31熱接觸於冷端11。致冷腔室31可藉由第一供給口312注入一第一液體(未繪示)，以待藉由溫控核心10進行冷卻。此外，第一液體亦可經由第一供給口312流出至致冷加熱裝置1外，以待使用者飲用或使用。在本實施例以及部分的其它實施例中，致冷腔體30 的相對兩端分別具有第一固定部32、33，致冷腔體30的第一固定部32以可旋轉的方式固定於中置套環61的中置固定部612。更詳細來說，第一固定部32以及中置固定部612可為相對的螺紋。再者，致冷加熱裝置1更包含一冷端導板62。冷端導板62位於致冷腔室31以及溫控核心10的冷端11之間，冷端導板62用以隔絕溫控核心10，以避免溫控核心10直接接觸致冷腔室31內的第一液體而損壞，並用以使第一液體能夠與溫控核心10的冷端11均勻的熱交換。換句話說，當溫控核心10運作時，其冷端11會經由冷端導板62吸收致冷腔室31內第一液體的熱量，以降低第一液體的溫度，進而達到致冷的功效。

在本實施例以及部分的其它實施例中，致冷加熱裝置1更包含一冷端蓋73以及一冷端杯罩71。冷端蓋73以可拆卸的方式封閉致冷腔體30的第一供給口312。冷端蓋73具有一冷端固定部731，冷端蓋73的冷端固定部731以可旋轉的方式固定於致冷腔體30的第一固定部32。更詳細來說，冷端固定部731以及第一固定部32可為相對的螺紋。在本實施例以及部分的其它實施例中，冷端蓋73更可包含一冷端出水閥(未繪示)，冷端出水閥以可選擇的方式開啟或關閉第一供給口312。當冷端出水閥開啟時，僅有一部分的第一供給口312暴露於外界，而可使第一液體流出；當冷端出水閥封閉時，則關閉第一供給口312，以避免第一液體流出。再者，冷端杯罩71以可拆卸的方式封閉冷端蓋73，且亦封閉第一供給口312。除此之外，當冷端杯罩71拆卸後，亦可作為容器使用。使用者得以傾斜致冷加熱裝置1，以將第一液體自第一供給口312流出到入冷端杯罩71內，以供使用者飲用或使用。

加熱腔體40具有一加熱腔室41，加熱腔體40熱接觸於熱端12，且儲熱模組20位於加熱腔室41內。加熱腔室41用以容置一第二液體(未繪示)。其中，第一液體以及第二液體的種類非用以限定本提案，例如：汽水、水、牛奶、豆漿、母乳。在本實施例以及其他的實施例中，加熱腔體40的相對兩端分別具有二第二固定部42、43，加熱腔體40的第二固定部42以可旋轉的方式固定於中置套環61的中置固定部613。其中，第二固定部42以及中置固定部613可為相對應的螺紋。再者，中置套環61係夾設於致冷腔室31以及加熱腔體40之間。此外，致冷加熱裝置1更包含一熱端導板63，溫控核心10係夾設於冷端導板62以及熱端導板63之間，且熱端導板63夾設於溫控核心10以及儲熱模組20之間。熱端導板63用以使溫控核心10的熱端12於運作時所產生的熱量均勻地傳導至儲熱模組20。換句話說，當溫控核心10運作時，溫控核心10的熱端12產生熱量，熱量經由熱端導板63傳導至儲熱模組20，儲熱模組20得以吸收熱量。惟，上述溫控核心10藉由熱端導板63而熱接觸於儲熱模組20的方式非用以限定本提案。在其他實施例中，溫控核心10係直接熱接觸於儲熱模組20。

在本實施例以及其他的實施例中，致冷加熱裝置1 更包含一熱端杯罩72以及一熱端蓋74，加熱腔體40具有一第二供給口412。類似上述的冷端杯罩71以及冷端蓋73，熱端杯罩72以可拆卸的方式封閉第二供給口412，且熱端杯罩72可作為容器之用。熱端蓋74以可拆卸的方式封閉第二供給口412。更詳細來說，熱端蓋74具有一熱端固定部741，以可旋轉的方式固定於加熱腔體40的熱端固定部43。其中，熱端固定部741以及第二固定部43可為相對應的螺紋。此外，熱端蓋74具有一熱端出水閥(未繪示)，熱端出水閥係以可選擇的方式開啟或關閉第二供給口412。

需要注意的是，在其他實施例中，致冷加熱裝置1也可以僅包含冷端杯罩71以及熱端杯罩72，而不包含冷端蓋73以及熱端蓋74。在僅有冷端杯罩71以及熱端杯罩72的情況下，亦可達到封閉第一供給口312以及第二供給口412的功效。

在另一部分的其他實施例中，致冷加熱裝置1也可以僅包含冷端蓋73以及熱端蓋74，而不包含冷端杯罩71以及熱端杯罩72。在僅有冷端蓋73以及熱端蓋74的情況下，亦可達到封閉第一供給口312以及第二供給口412的功效。

關於致冷腔體30以及加熱腔體40的殼體設計，為降低第一液體或第二液體由外界獲得熱量而使第一液體或第二液體溫度升高，及減少熱電晶片13消耗過多的電量以延長保冷之時間，致冷腔體30以及加熱腔體40可具有隔熱層，其隔熱層可為真空，或於殼體內填充絕熱材料，或其殼體的材質可為低熱傳導材質。如此的殼體設計，可大幅減少外在環境影響本案之致冷加熱裝置1內的熱交換。

如『第3圖』所示，儲熱模組20包含一導熱殼體21以及一相變化材料22，相變化材料22容置於導熱殼體21內。導熱殼體21具有相對的一第一端211及一第二端212。在本實施例中，第一端211係藉由熱端導板63而熱接觸於溫控核心10的熱端12。在本實施例以及部分其他實施例中，導熱殼體21為一圓筒狀，且具有一凹槽24，如此可增加與加熱腔室41的接觸面積，以提升熱傳導的速度。再者，相變化材料22係為固液共存時高潛熱之材料，因其在相變化過程中溫度穩定，適合在此處做為熱量儲存及加熱飲品的用途。一般人所接受的溫飲溫度約在攝氏40度至60度之間，故在本實施例中，可選用之相變化材料22的熔點也以此溫度區間，以符合一般人所需之熱飲溫度。舉例來說，相變化材料22可為石蠟類(如下表一)、脂肪酸類(如下表二)、無機或有機共熔材料(如下表三)。更詳細來說，石蠟可為正二十二碳石蠟或正二十七碳石蠟，脂肪酸類可為十二酸或十四酸。以正二十二碳石蠟為例，其溶解熱為252kJ/kg(千焦耳/千克)。當提供110g(克)的正二十二碳石蠟作為相變化材料22，且正二十二碳石蠟由液態轉為固態時，便可提供熱量予200毫升的液體由攝氏5度升溫至40度。

然而，若僅以單一相變化材料22進行填充，而當儲熱模組20吸收來自於溫控核心10的熱量並傳遞給加熱腔室41 時，外圍的相變化材料22會先進行熱交換，因此外圍之相變化材料22的溫度快速下降。因此，外圍的相變化材料22會快速轉變成固態，而內部的相變化材料22仍然為液態，這樣造成熱交換上的不均勻傳遞，進而無法適時提供足夠熱量而對加熱腔體40進行熱交換。如此，若相變化材料22係由多種物質混合時，例如單一項變化材料與水混合，而改變整體的熔點。即，當一部分的相變化材料22開始凝固時，會形成固液混合的狀態，而使液態的相變化材料22(包含水)仍可懸浮於其中，以避免熱交換被阻斷。如此，混合的相變化材料22可提升熱交換的效率。

是以，本提案的致冷加熱裝置1，可藉由使用者的需求，而選擇不同種類的相變化材料22，以達到使用者所需的溫度。

表二

於另一實驗中，採用一商用溫控核心10，並使用正二十二碳石蠟為相變化材料22，而第一液體以及第二液體皆為乳品。首先，將儲熱塊之相變溫度(熔點)維持在攝氏44度(317 K)，而飲品溫度先由攝氏35度(308 K)降至5度(278 K)。由於冷端11以及熱端12之間的溫差較小，通入電流後較容易將熱量由冷端11傳送至熱端12。在兩端溫差小時，COP(Coefficient of Performance，性能係數)值往往較高，而溫差變大時，COP值慢慢變小。因一般行動電源充電時電壓為5伏特(V)，在通入電壓為5V時，在乳品溫度由攝氏35度(308 K)降至5度(278 K)的過程中，COP值會由1.22降至0.64(可根據查表得知)。以平均COP值為0.93計算，需要花54193J電量來進行制冷，若換算5V行動電源約消耗3000毫安培(mAh)電力，即可完整地將飲品從攝氏35度冷卻至5度。是以，使用市面上具有平均電量10000mAh的行動電源即可有足夠電力進行供電。如此，本提案之致冷加熱模組不需要再整合變壓器而使其整體體積和重量大幅增加。

此外，為了更進一步提升儲熱模組20的效能，如『第3圖』所示，在本實施例以及其他的實施例中，儲熱模組20更可包含一熱傳導機構23，位於導熱殼體21內，熱傳導機構23由第一端211朝第二端212延伸，且接觸相變化材料22。熱傳導機構23用以快速並均勻傳遞熱量，進而提升熱交換的效率。再者，熱傳導機構23的材質可為金屬，有利於熱傳導。舉例來說，熱傳導機構23可以為散熱鰭片組，但非用以限定本提案。

再者，在本實施例以及其他的實施例中，儲熱模組20的導熱殼體21具有一通孔213，貫穿導熱殼體21，以使通孔 213的一端連通於凹槽24。換言之，通孔213可自凹槽24連通於儲熱模組20外的加熱腔室24。如此，當致冷加熱裝置1翻轉或顛倒時，位於凹槽24內的空氣可自通孔213排出至熱模組20外的加熱腔室24，以避免凹槽24內的空氣無法排出。

是以，藉由上述儲熱模組20配置於加熱腔體40內並熱接觸於溫控核心10的結構，當溫控核心10運作而產生熱量時，可將大量熱量先儲存於儲熱模組20，而後儲熱模組20再穩定地均勻傳導給加熱腔體40內的第二液體。如此，致冷加熱裝置1可穩定地供給熱量予第二液體，以使第二液體穩定地升溫。

請回到『第1圖』至『第3圖』，在本實施例以及其他的實施例中，致冷加熱裝置1更可包含一連通管51，連通管51具有一連通道511，連通道511的相對兩端分別連通於致冷腔體30內的致冷腔室31以及加熱腔體40內的加熱腔室41，且連通管51穿設於冷端導板62以及熱端導板63。連通管51可使致冷腔室31與加熱腔室41互相連通，而使其內的第一液體或/和第二液體相互流動混合。再者，致冷加熱裝置1更包含一通道開關52，設置於連通管5中。使用者可藉由操縱通道開關52以調整連通管51的啟閉。在本實施例中，通道開關52包含彼此連接一旋鈕521以及一球閥522，球閥522具有一通道，以可旋轉的方式設置於連通管51內，進而以可選擇性地開啟或關閉連通管51的連通道511。但上述通道開關52的型式非用以限定本提案。如此，使用者藉由旋轉旋鈕521以連通球閥522，以開啟或關閉連通管51內連通道511的流通與否。如此，當位於致冷腔室31的液體需要加熱時，可開啟通道開關52而使之流至加熱腔室41，以進行加熱。反之，亦可將加熱腔室41的液體流至致冷腔室31，以進行冷卻。換句話說，當只有冷飲於致冷腔室31時而加熱腔室41無任何異體的情況下，使用者需要飲用冷飲時，則利用第一供給口312倒出飲品；若使用者需要飲用熱飲時，則利用通道開關52將致冷腔室31內的冷飲導入加熱腔室41後進行加熱，加熱後以自第二供給口412倒出，且其加熱的飲品量可自由控制。是以，藉由連通管51以及通道開關52的設置，可使致冷腔室31與加熱腔室41連通，而方便對同一液體進行加熱或冷卻。

在本實施例以及其他的實施例中，致冷加熱裝置1更可包含一第一溫度感應模組81以及一顯示模組83，第一溫度感應模組81設置並外露於加熱腔體40並用以量測加熱腔室41之溫度。顯示模組83設置於中置套環61且電性連接第一溫度感應模組81，顯示模組83用以顯示加熱腔室41之溫度。如此，使用者可藉由顯示模組83得知目前加熱腔室41之溫度，得以根據此資訊而進行後續動作。此外，在本實施例以及其他的實施例中，致冷加熱裝置1更可包含一第二溫度感應模組82，第二溫度感應模組82設置於致冷腔體30並用以量測致冷腔室31之溫度。顯示模組83電性連接第二溫度感應模組82並用以顯示致冷腔室31溫度。如此，使用者亦可藉由顯示模組83得知目前致冷腔室31之溫度。

在其他實施例中，溫控核心10更包含一按鍵組85，設置並外露於中置套環61，控制模組84電性連接溫度感應模組81，且控制模組84可根據使用者按壓按鍵組85而提供一使用者指令，將使用者指令所包含之一預期溫度顯示於顯示模組83。當溫控核心10開始運作加熱於加熱腔室41時，控制模組84可根據第一溫度感應模組82所偵測的溫度與預期溫度進行比較。若目前加熱腔室41的溫度低於預期溫度時，則溫控核心10繼續加熱；若加熱腔室41的溫度高於或等於預期溫度時，則溫控核心10停止供應電流予溫控核心10，而使溫控核心10停止運作。藉由上述方式，可使加熱腔室41內第二液體的溫度能達到使用者的預期。

綜合上述，根據本提案實施例所揭露的致冷加熱裝置，當溫控核心通電運作時，其冷端可對致冷腔室進行冷卻，其熱端可對儲熱模組進行加熱。熱能可儲存於相變化材料中，而再對加熱腔室進行加熱。如此，僅需要極少的電流，即同時對兩端的致冷腔室以及加熱腔室進行加熱。更進一步來說，藉由儲熱模組配置於加熱腔體內並熱接觸於溫控核心的結構，當溫控核心10運作而產生熱量時，可將大量熱量先儲存於儲熱模組20，而後儲熱模組再穩定地均勻傳導給加熱腔體內的第二液體。由於本案的致冷加熱裝置具有體積小、無噪音、無振動、省電以及有效運用能源等優點，可適於攜帶取代小型壓縮機、攜帶式車用小冰箱、小型冰溫熱開飲機與電子式致冷防潮箱上，以提供攜帶方便之致冷加熱裝置。此外，亦可應用於其他電子元件冷卻及空調系統等方面。因其體積的輕便性，不論是外出或是在辦公室及家裡使用皆很方便。在有插座的地方可利用一般的變壓器充電，也可使用電腦的USB連接器做為供電來源。此外也可當作個人的小型冷藏器。

此外，於部分實施例中，致冷加熱裝置更包含一連通管，連通致冷腔室以及加熱腔室。如此，同一液體可在兩致冷腔室以及加熱腔室之間流通，而可針對不同時間的需求，對同一液體進行加熱或冷卻。於部分實施例中，致冷加熱裝置更包含一通道開關，用以開啟或關閉連通管。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。