TWI762329B

TWI762329B - 具有多個致冷組件的史特靈冷機構造

Info

Publication number: TWI762329B
Application number: TW110118700A
Authority: TW
Inventors: 鄭金祥; 黃上庭
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2022-04-21
Also published as: TW202246714A

Abstract

本發明涉及一種具有多個致冷組件的史特靈冷機構造，包含至少一動力單元、一管路、複數史特靈致冷組件及至少一壓阻單元。該動力單元有一汽缸及一活塞，該管路連接該汽缸，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，其中該熱部連接上述管路。該活塞可由一電動馬達驅動而使一壓縮空氣經由該管路流動至所述熱部，再由所述被動移氣器流至所述冷頭，使所述冷頭吸收周圍的熱能。上述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，使該壓縮空氣通過上述壓阻單元時壓力改變，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，而能夠控制不同史特靈致冷組件的冷度。

Description

具有多個致冷組件的史特靈冷機構造

本發明係有關於一種具有多個致冷組件的史特靈冷機構造，特別是指可透過壓阻單元控制多個史特靈致冷組件之被動移氣器的移動行程的相位差，以控制上述史特靈致冷組件之致冷效果的發明。

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，獲得較好的熱傳率。

但上述先前技術尚存有下列待改進處：

1.參閱第九圖所示，多個致冷組件A以一個史特靈引擎為動力來源，每一致冷組件A與史特靈引擎距離不相同，導致每一致冷組件A的移氣器A1 在移動過程中存在有行程差異S1、S2、S3(相位差)，且相距距離愈遠的致冷組件A，其相位差越大，此將導致距離愈較遠的致冷組件A，其致冷效果較差，且由於無法調控壓降，因而無法控制致冷組件A的冷度。

2.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。

3.只以一個史特靈引擎為動力來源，受限於史特靈引擎的性能與加熱的溫度，無法任意調整史特靈引擎壓縮部的轉數，因此無法控制致冷組件排熱部的溫度，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。

4.以史特靈引擎為動力來源，必須在具備高溫熱源的條件下，才能驅動史特靈引擎以帶動多個致冷組件，若無高溫熱源則無法操作，因此條件受限，且致冷組件必須靠近該高溫熱源，影響致冷組件內的溫度。

為解決前述缺失，本發明提出一種具有多個致冷組件的史特靈冷機構造，包括：

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，其中該熱部連接上述管路。至少一壓阻單元，設置在該管路上，並選擇性地設置在所述史特靈致冷組件與所述汽缸之間。

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，使所述冷頭吸收周圍的熱能，該壓縮空氣再膨脹通過所述被動移氣器，回流至所述汽缸，而在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。

進一步，該壓阻單元係為下列之一：一閥件、一多孔隙元件。更進一步，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，所述史特靈致冷組件的冷頭的尺寸不同。

本發明亦為一種具有多個致冷組件的史特靈冷機構造，包含：

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，其中該熱部連接上述管路。其中，在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。

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，使所述冷頭吸收周圍的熱能，該壓縮空氣再膨脹通過所述被動移氣器，回流至所述汽缸，而在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。

透過上述技術特徵可達成以下功效：

1.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。

2.動力單元採用電動馬達驅動活塞，可以彈性調整壓縮部的轉數，控制史特靈致冷組件之冷頭的致冷溫度。

3.動力單元由電動馬達驅動活塞，藉此克服需要高溫熱源才能運作的缺點。

4.多個史特靈致冷組件的排列方式可以單一直線式、多直線式、輻射式、單環式、多環式或上述任二式的結合，動力單元可以選擇式地設置在多個史特靈致冷組件的中心位置，也可以配置多個動力單元，使用多個動力單元可以提高降溫能力，以快速降至所需溫度。

5.史特靈致冷組件包含冷頭與熱部，可以利用冷頭對周圍環境執行致冷，也可以利用熱部對周圍環境執行加熱。

1:動力單元

11:汽缸

12:活塞

13:電動馬達

2:管路

3:史特靈致冷組件

31:管件

311:冷頭

312:熱部

32:被動移氣器

4:壓阻單元

D1:距離

D2:距離

d1:距離

d2:距離

1A:動力單元

11A:汽缸

12A:活塞

13A:電動馬達

2A:管路

21A:管徑變化部

21B:管徑變化部

21C:管徑變化部

21D:管徑變化部

3A:史特靈致冷組件

A:致冷組件

A1:移氣器

S1:行程差異

S2:行程差異

S3:行程差異

311A:冷頭

311B:冷頭

311C:冷頭

311D:冷頭

[第一圖]係為本發明第一實施例之史特靈冷機構造的示意圖，其中，每一史特靈致冷組件與所述汽缸之間設置有壓阻單元。

[第二圖]係為本發明第一實施例之史特靈冷機構造的實施狀態示意圖。

[第三圖]係為本發明第一實施例之史特靈冷機構造的史特靈致冷組件呈單一直線式排列的示意圖。

[第四圖]係為本發明第一實施例之史特靈冷機構造的史特靈致冷組件呈多直線式排列的示意圖。

[第五圖]係為本發明第一實施例之史特靈冷機構造的史特靈致冷組件呈輻射式排列的示意圖。

[第六圖]係為本發明第一實施例之史特靈冷機構造的史特靈致冷組件呈多環式排列的示意圖。

[第七圖]係為本發明第二實施例之史特靈冷機構造的示意圖，其中，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。

[第八圖]係為本發明第三實施例之史特靈冷機構造的示意圖，圖中示意史特靈致冷組件的冷頭的尺寸不同。

[第九圖]係為前案之史特靈加熱致冷機於實施時，每一致冷組件的移氣器存在相位差的示意圖，其中相位差無法被調控。

綜合上述技術特徵，本發明具有多個致冷組件的史特靈冷機構造的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

本發明第一實施例請參閱第一圖所示，本實施例之史特靈冷機構造包括有至少一動力單元1、一管路2、複數史特靈致冷組件3及至少一壓阻單元4，其中：

所述動力單元1包含有一汽缸11及一活塞12，該活塞12置入該汽缸11中，並與該汽缸11的一下死點有一距離D1，本實施例該動力單元1還包含一電動馬達13，該電動馬達13連接該活塞12，藉以驅動該該活塞12在該汽缸中11運動。該管路2連接該汽缸11。每一史特靈致冷組件3均包含有一管件31及一被動移氣器32，該被動移氣器32可往復移動地設置該管件31內而將該管件31區隔為一冷頭311與一熱部312，其中該熱部312連接上述管路2，該被動移氣器32並與該冷頭311的一下死點有一距離d1。上述壓阻單元4設置在該管路2上，並選擇性地設置在所述史特靈致冷組件3與該汽缸11之間，本實施例則在該每一史特靈致冷組件3與該汽缸11之間均設置有該壓阻單元4，該壓阻單元4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。

參閱第一圖及第二圖所示，啟動該電動馬達13，使該電動馬達13帶動該活塞12壓縮該汽缸11內的空氣以升溫形成一壓縮空氣，該壓縮空氣會經由該管路2流動至上述史特靈致冷組件3的管件31的熱部312，再經由該被動移氣器32流至所述冷頭311而降溫，使所述冷頭311能吸收周圍的熱能而具有致冷效果，相對地，也可以利用所述熱部312對周圍環境執行加熱，而具有加熱器的效果；該壓縮空氣於該冷頭311吸收熱能升溫而再膨脹通過該被動移氣器32，回流至所述汽缸11，形成完整的熱力學循環。其中，該動力單元1採用該電動馬達13驅動該活塞12，藉此克服習知技術使用史特靈引擎驅動活塞需要高溫熱源才能運作的缺點。

要特別說明的是，上述壓縮空氣進入該每一史特靈致冷組件3的管件31時，可透過該每一史特靈致冷組件3與該汽缸11之間的壓阻單元4調整壓降，使上述壓縮空氣進入該每一史特靈致冷組件3的管件31的熱部312時，具有實質上相同的壓力，使得該每一史特靈致冷組件3的被動移氣器32具有趨於一致的移動行程，例如該活塞12移動至與該汽缸11的下死點的距離為D2時，該每一史特靈致冷組件3的被動移氣器32移動至與相對的冷頭311的下死點的距離皆為d2，藉此改變該每一史特靈致冷組件3的被動移氣器32移動行程之間的相位差，因此使該每一史特靈致冷組件3的管件31的冷頭311具有趨於一致的致冷效果；或者，也可以根據不同的致冷需求而透過上述壓阻單元4調整不同的壓降，使該每一史特靈致冷組件3的管件31的冷頭311具有不同的致冷效果；亦即，本實施例每一史特靈致冷組件3的被動移氣器32能有可控制的移動行程，使每一史特靈致冷組件之冷頭311具有可以控制的致冷效果。而該動力單元1採用該電動馬達13驅動該活塞12，因此可以彈性調整該汽缸11之壓縮部的轉數，藉此可以控制後續該史特靈致冷組件3之熱部312的溫度，以控制史特靈致冷組件3致冷的能力。

參閱第三圖至第六圖所示，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3的冷頭311進行排列，例如第三圖所示的單一直線式，第四圖所示的多直線式，第五圖所示的輻射式，第六圖所示的多環式(亦可為單環式)，或是任意地排列。其中，如第四圖所示，上述動力單元1可以根據需求設置多個，或者第五圖及第六圖所示，上述動力單元1可以設置在多個史特靈致冷組件3的中心位置。

本發明第二實施例請參閱第七圖所示，本實施例之史特靈冷機構造包括有至少一動力單元1A、一管路2A、複數史特靈致冷組件3A，其中：

每一動力單元1A均包含有一汽缸11A及一活塞12A，該活塞12A置入該汽缸11A中，本實施例該動力單元1A還包含一電動馬達13A，該電動馬達13A連接該活塞12A。該管路2A連接該汽缸11A。上述史特靈致冷組件3A連接上述管路2A。與第一實施例不同的是，本實施例沒有設置所述壓阻單元4，而在該管路2A上分別有一管徑變化部21A、21B、21C、21D連接不同的史特靈致冷組件3A。本實施例根據該管徑變化部21A、21B、21C、21D來控制所述壓縮空氣進入每一史特靈致冷組件3A的壓力，以控制該每一史特靈致冷組件3A的致冷效果。

本發明第三實施例請參閱第八圖所示，本實施例之史特靈冷機構造中，所述史特靈致冷組件的冷頭311A、311B、311C、311D的尺寸不同。因此可根據致冷空間的大小選擇不同尺寸的冷頭311A、311B、311C、311D，例如致冷空間較大時可選擇較大尺寸的冷頭311C，致冷空間較小時則可選擇較小尺寸的冷頭311A。

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。