TWI759219B

TWI759219B - 史特靈冷凍櫃

Info

Publication number: TWI759219B
Application number: TW110120232A
Authority: TW
Inventors: 鄭金祥; 黃上庭
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2022-03-21
Also published as: TW202248580A

Abstract

本發明涉及一種史特靈冷凍櫃，包含一櫃體、至少一動力單元、一管路及複數史特靈致冷組件。該櫃體有一冷藏空間、一冷頭空間及一熱部空間，該冷藏空間與該冷頭空間之間有一進氣口與一出氣口，該冷頭空間與該熱部空間之間有一隔熱層；該動力單元連接該管路，而每一史特靈致冷組件均有一管件及一被動移氣器，該被動移氣器可往復移動地設置該管件內而將該管件區隔為一冷頭與一熱部，該冷頭位於該冷頭空間中，該熱部位於該熱部空間中，且該熱部連接該管路。藉由該動力單元形成一壓縮空氣，且該壓縮空氣經由該管路流動至該熱部，再由該被動移氣器流至該冷頭，使該冷頭吸收該冷頭空間的熱能，而在該冷頭空間形成低溫環境，該冷藏空間的空氣藉由該進氣口進入該冷頭空間，並由該出氣口回流至該冷藏空間，使該冷藏空間也形成低溫環境。

Description

史特靈冷凍櫃

本發明係有關於一種史特靈冷凍櫃，特別是指使用多個史特靈致冷組件的冷頭進行冷卻的冷凍櫃。

中華民國發明專利527481號，揭露一種史特靈冰箱冷凍系統及冷卻裝置，於史特靈冷凍機之暖區裝環狀外套，於史特靈冷凍機本體周圍間隔設圓筒狀散熱用熱交換器。而以配管連接外套與散熱用熱交換器，形成閉路迴路，於閉路迴路內使冷媒循環。由此，得以藉由冷媒輸送暖區之熱，從散熱用熱交換器有效散熱，故能從史特靈冷凍機之冷區穩定獲得所需冷量。但是，該案之冷區只有一個，熱交換面積及熱傳率太小；並且該案採用冷媒在迴路中傳遞來進行熱交換，往往在迴路中造成冷度損失，若隔熱效果較差時，將進一步降低冷凍性能。

中華民國發明專利I539125號『史特靈加熱致冷機』揭露一種史特靈加熱致冷機，包含：一史特靈引擎及至少一致冷組件，其中該史特靈引擎包含一汽缸及一活塞裝入該汽缸，並由一第一多孔隙材分隔界定有一第一工作空間及一第二工作空間，所述致冷組件由一第二多孔隙材分隔界定有一第三工作空間及一第四工作空間，該第二工作空間及第三工作空間由該活塞所隔開，以避免在史特靈引擎運作的第一工作氣體與致冷組件的第二工作氣體相互干擾、混合，藉此提昇設備的效能。其中該專利的第一圖揭露由一個史特靈引擎驅動一個致冷組件的構造，該致冷組件的制冷部可以吸收環境的熱能，藉此降低環境的溫度，達到致冷的效果；同時，該專利的第十一圖揭露由一個史特靈引擎驅動多個致冷組件的構造，藉由多個致冷組件可獲得較好的熱交換面積及熱傳率。但是，該案之多個致冷組件以一個史特靈引擎為動力來源，降溫速度有限，需求極低溫環境需要花費長時間才能降到工作溫度，因此也不適用需要急速降溫者，且每一致冷組件與史特靈引擎距離不相同，導致每一致冷組件的移氣器在移動過程中存在有相位差(位移行程不同，例如在同一個循環中，越遠離史特靈引擎的致冷組件的移氣器，其位移行程越短)，因此距離愈遠的致冷組件，其相位差更明顯，此將導致距離愈較遠的致冷組件，其致冷效果較差。且多個致冷組件以直線排列，在史特靈引擎與多個致冷組件的管路之間又缺乏壓降控制的技術，使得上述相位差無法被調控。另，該案只能依賴高溫驅動史特靈引擎，不適用於缺乏高溫熱源的環境。

為解決前述缺失，本發明提出一種史特靈冷凍櫃，包括：一櫃體，有一冷藏空間、一冷頭空間及一熱部空間，其中該冷藏空間與該冷頭空間之間設有一進氣口與一出氣口，該冷頭空間與該熱部空間之間設有一隔熱層。至少一動力單元，包含有一汽缸及一活塞。一管路，連接該汽缸。複數史特靈致冷組件，每一史特靈致冷組件均包含有一管件及一被動移氣器，該被動移氣器可往復移動地設置該管件內而將該管件區隔為一冷頭與一熱部，所述冷頭位於該冷頭空間中，所述熱部位於該熱部空間中，且所述熱部連接上述管路。

藉由該活塞壓縮所述汽缸內的空氣以形成一壓縮空氣，該壓縮空氣經由該管路流動至所述熱部，該壓縮空氣經由所述被動移氣器流至所述冷頭，使所述冷頭吸收該冷頭空間的熱能，使該冷頭空間形成低溫環境，該冷藏空間的空氣藉由該進氣口進入該冷頭空間，並由該出氣口回流至該冷藏空間，使該冷藏空間也形成低溫環境。

進一步，該進氣口設有一進氣風扇。

進一步，該出氣口設有一出氣風扇。

進一步，該管路上設有至少一壓阻單元，該壓阻單元選擇性地設置在所述史特靈致冷組件與所述汽缸之間，該壓縮空氣通過該壓阻單元時，該壓縮空氣的壓力被改變，藉此改變所述被動移氣器的移動行程，以及不同所述被動移氣器之間的移動行程的相位差，因此透過調控該壓縮空氣通過該壓阻單元的壓降，即可控制不同史特靈致冷組件之冷頭的冷度。更進一步，該壓阻單元係為下列之一：一閥件、一多孔隙元件。較佳的，該閥件係為下列之一：一定溫式膨脹閥、一定壓式膨脹閥或一定流量式膨脹閥。

進一步，該管路上設有至少一管徑變化部，該管徑變化部選擇性地設置在所述史特靈致冷組件與所述汽缸之間，該壓縮空氣通過該管徑變化部時，該壓縮空氣的壓力被改變，藉此改變所述被動移氣器的移動行程，以及不同所述被動移氣器之間的移動行程的相位差，因此透過控制該管徑變化部的管徑，可調控該壓縮空氣通過該管徑變化部的壓降，即可控制不同史特靈致冷組件之冷頭的冷度。

進一步，所述史特靈致冷組件之冷頭的排列方式係為下列之一：單一直線式、多直線式、輻射式、單環式、多環式或上述任二式的結合。

進一步，該冷頭空間與該冷藏空間係採水平式、垂直式、交錯式或上述任何型式的結合隔間設置。

進一步，該動力單元係為史特靈引擎；或者，該動力單元包含一電動馬達，該電動馬達連接該活塞。

進一步，所述史特靈致冷組件的冷頭的尺寸不同。

透過上述技術特徵可達成以下功效：

1.本發明之冷凍櫃使用多個史特靈致冷組件而具有多個冷頭，因此熱交換面積大，具有良好的熱傳率，冷儲的效果更佳。

2.本發明之櫃體內的冷頭空間與冷藏空間藉由進氣風扇與出氣風扇輔助冷空氣循環，可以維持冷藏空間的冷度，且不使用冷媒迴路的設置，可降低冷度損失，使櫃體之冷藏空間的致冷效果更佳。

3.本發明之史特靈致冷組件的冷頭排列方式可以彈性地採用單一直線式、多直線式、輻射式、單環式、多環式或上述任何排列方式的結合，而動力單元可以選擇式地設置在多個冷頭的中心位置，也可以配置多個動力單元，使用多個動力單元時可以提高降溫能力，以快速降至所需溫度，可適用於特殊冷鏈(例如疫苗運輸)。

4.本發明之櫃體的冷頭空間與冷藏空間可以根據需求採水平式、垂直式、交錯式或上述任何型式的結合隔間設置。

5.本發明之動力單元與多個史特靈致冷組件之間的管路設有壓阻單元或管徑變化部，藉由每一壓阻單元或管徑變化部調整所屬史特靈致冷組件的流體壓力，使得每一史特靈致冷組件的被動移氣器能有可控制的移動行程，使每一史特靈致冷組件具有可以控制的致冷效果。例如可控制每一史特靈致冷組件的被動移氣器的移動行程一致，使每一史特靈致冷組件具有一致的致冷效果；或者進一步可將該冷藏空間區隔出一般冷藏與冷凍冷藏而設置成不同的致冷效果。

6.本發明之動力單元可使用電動馬達驅動活塞，藉此克服需要高溫熱源才能運作的缺點。

1:櫃體

11:冷藏空間

12:冷頭空間

13:熱部空間

14:進氣口

15:出氣口

16:進氣風扇

17:出氣風扇

18:隔熱層

2:動力單元

21:汽缸

22:活塞

23:電動馬達

3:管路

31A:管徑變化部

31B:管徑變化部

31C:管徑變化部

31D:管徑變化部

4:史特靈致冷組件

41:管件

411:冷頭

412:熱部

42:被動移氣器

5:壓阻單元

411A:冷頭

411B:冷頭

411C:冷頭

411D:冷頭

[第一圖]係為本發明之史特靈冷凍櫃的構造示意圖，其中，櫃體的冷頭空間與冷藏空間係採水平式設置。

[第二圖]係為本發明之史特靈冷凍櫃的史特靈致冷組件呈單一直線式排列的示意圖。

[第三圖]係為本發明之史特靈冷凍櫃的史特靈致冷組件呈多直線式排列的示意圖。

[第四圖]係為本發明之史特靈冷凍櫃的史特靈致冷組件呈輻射式排列的示意圖。

[第五圖]係為本發明之史特靈冷凍櫃的史特靈致冷組件呈多環式排列的示意圖。

[第六圖]係為本發明之史特靈冷凍櫃中，每一史特靈致冷組件與所述汽缸之間的管路設有管徑變化部的示意圖。

[第七圖]係為本發明之史特靈冷凍櫃中，櫃體的冷頭空間與冷藏空間係採垂直式設置的示意圖。

[第八圖]係為本發明之史特靈冷凍櫃中，櫃體的冷頭空間與冷藏空間係採交錯式設置的示意圖。

[第九圖]係為本發明之史特靈冷凍櫃中，史特靈致冷組件的冷頭的尺寸不同的示意圖。

綜合上述技術特徵，本發明史特靈冷凍櫃的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

參閱第一圖所示，本實施例之史特靈冷凍櫃包括：一櫃體1，有一冷藏空間11、一冷頭空間12及一熱部空間13，其中，該冷藏空間11與該冷頭空間12採上下相鄰的水平式設置，且該冷藏空間11與該冷頭空間12之間設有一進氣口14與一出氣口15，並且在該進氣口14設置一進氣風扇16，在該出氣口15設置一出氣風扇17；該冷頭空間12與該熱部空間13之間設有一隔熱層18。至少一動力單元2，包含有一汽缸21及一活塞22，其中該動力單元2可以使用史特靈引擎，但在本實施例中，該動力單元2採用一電動馬達23驅動該活塞22，藉此可不需要熱端來驅動熱機引擎，而能夠適用於各種使用環境。一管路3，連接該汽缸21。複數史特靈致冷組件4，每一史特靈致冷組件4均包含有一管件41及一被動移氣器42，該被動移氣器42可往復移動地設置該管件41內而將該管件41區隔為一冷頭411與一熱部412，所述冷頭411位於該冷頭空間12中，所述熱部412位於該熱部空間13中，且所述熱部412連接上述管路3。複數壓阻單元5，設置於該管路3上，並選擇性地設置在所述史特靈致冷組件4與所述汽缸21之間，本實施例則在該每一史特靈致冷組件4與該汽缸21之間均設置有該壓阻單元5，該壓阻單元5可使用例如閥件或多孔隙元件，該閥件則可使用例如定溫式膨脹閥、定壓式膨脹閥或定流量式膨脹閥。

藉由該電動馬達23驅動該活塞22壓縮所述汽缸21內的空氣以形成一壓縮空氣，該壓縮空氣經由該管路3流動至所述熱部412，之後經由所述被動移氣器42流至所述冷頭411，使所述冷頭411吸收該冷頭空間12的熱能，而在該冷頭空間12形成低溫環境，該冷藏空間11的空氣則藉由該進氣口14進入該冷頭空間12而被冷卻，之後並由該出氣口15回流至該冷藏空間11，使該冷藏空間11也形成低溫環境，其中，可啟動該進氣風扇16與該出氣風扇17，使該冷頭空間12與該冷藏空間11藉由該進氣風扇16與該出氣風扇17輔助冷空氣循環，以維持該冷藏空間11的冷度，該壓縮空氣於該冷頭411吸收熱能升溫後再膨脹通過該被動移氣器42，回流至所述熱部412及汽缸21，形成完整的熱力學循環，而由於該冷頭空間12與該熱部空間13相鄰，因此在該冷頭空間12與該熱部空間13之間設置該隔熱層18。本發明實施例不使用冷媒迴路的設置，可降低冷度損失，使該櫃體1之冷藏空間11的致冷效果更佳，且本發明實施例藉由使用多個史特靈致冷組件4而具有多個冷頭411，因此熱交換面積大，具有良好的熱傳率，冷儲的效果更佳。

上述壓縮空氣進入該每一史特靈致冷組件4的管件41時，可透過該每一史特靈致冷組件4與該汽缸21之間的壓阻單元5調整壓降，使上述壓縮空氣進入該每一史特靈致冷組件4的管件41的熱部412時，具有實質上相同的壓力，使得該每一史特靈致冷組件4的被動移氣器42具有趨於一致的移動行程，而具有趨於一致而較為均勻的致冷效果。或者，也可以根據不同的致冷需求而透過上述壓阻單元5調整不同的壓降，使該每一史特靈致冷組件4的管件41的冷頭411具有不同的致冷效果，例如可進一步將該冷藏空間11區隔出一般冷藏與冷凍冷藏而設置成不同的致冷效果；亦即，本實施例每一史特靈致冷組件4的被動移氣器42能有可控制的移動行程，使每一史特靈致冷組件之冷頭411具有可以控制的致冷效果。

參閱第二圖至第五圖所示，可根據不同致冷需求(例如致冷空間的大小、隔間、形狀)，將上述史特靈致冷組件4的冷頭411進行排列，例如第二圖所示的單一直線式，第三圖所示的多直線式，第四圖所示的輻射式，第五圖所示的多環式(亦可為單環式)，或是任意地排列。其中，如第三圖所示，上述動力單元2可以根據需求設置多個，或者第四圖及第五圖所示，上述動力單元2可以設置在多個史特靈致冷組件4的中心位置。

參閱第六圖所示，除了使用上述壓阻單元5來調整上述史特靈致冷組件4的壓降之外，也可以在該管路3上設有至少一管徑變化部31A、31B、31C、31D，利用該壓縮空氣通過該管徑變化部31A、31B、31C、31D時，該壓縮空氣的壓力被改變，藉此調整上述史特靈致冷組件4的壓降，以改變每一被動移氣器42移動行程之間的相位差，而能夠控制上述史特靈致冷組件4的致冷效果。

參閱第七圖所示，根據使用的場地不同，該櫃體1的冷藏空間11及冷頭空間12除了採水平設置之外，也可以採用垂直式設置。或者，如第八圖所示，該櫃體1的冷藏空間11及冷頭空間12也可採交錯式設置。

參閱第九圖所示，本實施例之史特靈冷凍櫃中，所述史特靈致冷組件的冷頭411A、411B、411C、411D可具有不同尺寸。因此可根據致冷空間的大小選擇不同尺寸的冷頭411A、411B、411C、411D，例如致冷空間較大時可選擇較大尺寸的冷頭411C，致冷空間較小時則可選擇較小尺寸的冷頭411A。

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。