TWM447977U - 可攜式致冷與加熱裝置 - Google Patents

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heating device
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Yin-Wen Tsai
Cheng-Ting Hsu
Chung-Jen Chou
Li-Duan Tsai
Jenn-Dong Hwang
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Ind Tech Res Inst
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Description

可攜式致冷與加熱裝置
本創作是有關於一種致冷與加熱裝置，且特別是有關於一種具有自主電力供應的可攜式致冷與加熱裝置。
在傳統電冰箱的致冷系統中，主要為由壓縮機、冷凝器、蒸發器及毛細管截流器等部件所組成的封閉運作系統，並且透過壓縮機運作使冷媒在高低壓區產生相變化來達到致冷的效果。然而，此類的致冷系統之整合部件相對複雜，且其電源又以市電為主，故在可攜式系統應用上，相對處於弱勢。
本創作提出一種可攜式致冷與加熱裝置，其包括：燃料電池系統、加熱保溫室、冷藏室，以及致冷器。其中，燃料電池系統用以反應於一燃料而產生電力與熱能。加熱保溫室用以反應於所產生的熱能而提供一加熱/保溫功能。致冷器用以反應於所產生的電力而致使冷藏室提供一冷藏功能。
於本創作的一示範性實施例中，燃料電池系統可以是直接甲醇燃料電池系統(direct methanol fuel cell system,DMFC system)。
為讓本創作之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
現將詳細參考本創作之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1A~圖1C分別繪示為本創作一示範性實施例之可攜式致冷與加熱裝置(portable cooling and heating apparatus)10的外觀示意圖，而圖2繪示為本創作一示範性實施例之可攜式致冷與加熱裝置10的系統方塊圖。請合併參閱圖1A~圖1C以及圖2，本示範性實施例之可攜式致冷與加熱裝置10包括：燃料電池系統(fuel cell system)101、致冷器(cooler)103、散熱器(heat sink)105、加熱保溫室(heating chamber)C_heating ，以及冷藏室(cooling chamber)C_cooling 。
燃料電池系統101可以是直接甲醇燃料電池系統(direct methanol fuel cell system,DMFC system)，但是並不限制於此，且以直接甲醇燃料電池系統的原理而言，甲醇與水會在陽極觸媒層(anode catalyst layer)進行氧化反應，藉以產生氫離子(H+)、二氧化碳(CO2 )以及電子(e-)，其中氫離子(H+)可以經由質子傳導膜(proton exchange membrane)傳遞至陰極端(cathode)，而電子(e-)則可以經由外部電路傳輸至陰極端，此時供給陰極端的氧 氣(O2 )會與氫離子(H+)及電子(e-)於陰極觸媒層(cathode catalyst layer)進行還原反應並產生水(H2 O)。
於本示範性實施例中，燃料電池系統101會反應於燃料(即，甲醇(CH3 OH))而產生電力(electrical power)P_FC 與熱能(thermal energy)T_eng 。在此條件下，加熱保溫室C_heating 即可反應於燃料電池系統101所產生的熱能T_eng 而提供一加熱/保溫功能，藉以作為例如熟食的加熱/保溫區。
另外，致冷器103可以是熱電致冷器(thermoelectric cooler(TEC))，但並不限制於此，其他透過施加電力而產生致冷的器件在設計允許的條件/情況下亦可適用。而且，致冷器103會反應於燃料電池系統101所產生的電力P_FC 而致使冷藏室C_cooling 提供一冷藏功能(cooling function)，藉以作為例如紅酒等飲品的冷藏區。再者，散熱器105主要會對致冷器103進行散熱作業。
以燃料電池系統101的組成架構而言，燃料電池系統101可以包括：控制模組(control module)101a、燃料電池模組(fuel cell module)101b、電源轉換器(power converter)101c，以及可充電電池模組(rechargeable battery module)101d。
控制模組101a用以作為燃料電池系統101的控制核心(control core)，亦即：掌控與管理燃料電池系統101整體的運作。
燃料電池模組101b耦接並受控於控制模組101a，用 以進行關聯於前述燃料(即，甲醇(CH3 OH))的化學反應(chemical reaction)而產生第一電力P_1 與熱能T_eng 。
電源轉換器101c耦接於燃料電池模組101a與致冷器103之間，並且受控於控制模組101a。於本示範性實施例中，電源轉換器101c可以為直流-直流轉換器(DC-DC converter)，例如：升降壓式(boost-buck)直流-直流轉換器，但並不限制於此。電源轉換器101c主要會對來自燃料電池模組101b所產生的第一電力P_1 進行轉換(即，直流-直流轉換)，藉以輸出電力P_FC 給致冷器103。
可充電電池模組101d耦接控制模組101a、燃料電池模組101b與電源轉換器101c，並且受控於控制模組101a。於本示範性實施例中，可充電電池模組101d可以為鋰離子電池模組(Li-ion battery module)，但並不限制於此。
電源轉換器101c另可對來自可充電電池模組101d所產生的第二電力P_2 進行轉換(即，直流-直流轉換)，藉以輸出電力P_FC 給致冷器103。也就是說，輸出電力P_FC 可包含同時來自燃料電池模組101b所產生的第一電力P_1 與可充電電池模組101d所產生的第二電力P_2 (即P_FC =P_1 +P_2 )。此外，可充電電池模組101d可於燃料電池模組101b初始運作時，提供啟動電力P_ini 給燃料電池模組101b予其內部周邊元件(balance of plant,BOP)正常運作，待燃料電池模組101b所產生的第一電力P_1 大於或等於啟動電力P_ini 時，則P_FC 0，即表示燃料電池模組101b正常運作，此時可充電電池模組101d將停止提供啟 動電力P_ini 給燃料電池模組101b。
於本示範性實施例中，控制模組101a更可以耦接至電源轉換器101c的輸出端，藉以判斷電源轉換器101c所輸出的電力P_FC 是否達到致冷器103的額定電力(rated power)P_TEC 。
當控制模組101a判斷出電源轉換器101c所輸出的電力P_FC 未達到致冷器103的額定電力P_TEC 時(即，P_FC <P_TEC )，可能是燃料電池模組101b所產生的第一電力P_1 不足，則控制模組101a會進一步地控制可充電電池模組101d以提供第二電力P_2 給電源轉換器101c進行轉換，達到輸出的電力P_FC =P_1 +P_2 至少符合致冷器103的額定電力P_TEC 。如此一來，電源轉換器101c即可同時對分別來自於燃料電池模組101b與可充電電池模組101d的第一與第二電力P_1 、P_2 進行轉換(即，直流-直流轉換)，藉以輸出至少符合致冷器103之額定電力P_TEC 的電力P_FC 給致冷器103(即，P_FC P_TEC )。
另一方面，當控制模組101a判斷出電源轉換器101c所輸出的電力P_FC 至少已達到致冷器103的額定電力P_TEC 時(即，P_FC P_TEC )，則控制模組101a會進一步地判斷燃料電池模組101b所輸出的第一電力P_1 經電源轉換器101c後所輸出的電力P_FC 是否等於或超過致冷器103的額定電力P_TEC (即，P_FC =P_TEC ，或P_FC >P_TEC )。
當控制模組101a判斷出燃料電池模組101b所輸出的第一電力P_1 經電源轉換器101c後所輸出的電力P_FC 超 過致冷器103的額定電力P_TEC 時(即，P_FC >P_TEC )，則控制模組101a會進一步地控制電源轉換器101c輸出剛好符合致冷器103之額定電力P_TEC 的電力P_FC 給致冷器103(即，P_FC =P_TEC )，並且控制電源轉換器101c將剩餘的額外電力P_remain (即，P_remain =P_FC -P_TEC )提供至可充電電池模組101d，藉以對可充電電池模組101d進行充電。顯然地，假如燃料電池模組101b所輸出的第一電力P_1 經電源轉換器101c後所輸出的電力P_FC 超過致冷器103之額定電力P_TEC 的話，則電源轉換器101c不但會輸出致冷器103所需的電力P_FC ，而且還會提供額外電力P_remain 以對可充電電池模組101d進行充電。
然而，在此值得一提的是，若可充電電池模組101d的電量低於下限值(如30%SOC，但並不限制於此)，控制模組101a會將電源轉換器101c的輸出端(output stage)禁能(disable)，強迫致冷器103停止運作，從而使得燃料電池系統101之燃料電池模組101b對可充電電池模組101d進行充電。
除此之外，當控制模組101a判斷出燃料電池模組101b所輸出的第一電力P_1 經電源轉換器101c後所輸出的電力P_FC 大約或者剛好等於致冷器103的額定電力P_TEC 時(即，P_FC P_TEC ，或P_FC =P_TEC )，則控制模組101a會進一步地控制電源轉換器101c將燃料電池模組101b所輸出的第一電力P_1 經電源轉換器101c後所輸出的電力P_FC 全部/全數提供至致冷器103。與此同時，可充電電池模組 101d不會提供第二電力P_2 給電源轉換器101c，而且電源轉換器101c也不會提供額外電力P_remain 以對可充電電池模組101d進行充電。
由此可知的是，可攜式致冷與加熱裝置10其內部包含有直接甲醇燃料電池(DMFC)系統般的燃料電池系統101，故其可以在甲醇燃料供應足夠的條件下而維持長時間持續運作，從而具備有自主電力供應的特性，藉此可順利拓展到戶外無市電供應的可攜式系統應用上。
另一方面，基於直接甲醇燃料電池(DMFC)系統般的燃料電池系統101在運作時會產生電力P_FC 與熱能T_eng 。因此，可攜式致冷與加熱裝置10的加熱保溫室C_heating 即可反應於燃料電池系統101所產生的熱能T_eng 而提供一保溫/加熱功能；且可攜式致冷與加熱裝置10的致冷器103即可反應於燃料電池系統101所產生的電力P_FC 而致使冷藏室C_cooling 提供一冷藏功能，從而使得可攜式致冷與加熱裝置10能夠同時提供致冷與加熱的效果。
再者，在實際應用上，假設燃料電池模組101b的發電功率為20W的情況下，於可攜式致冷與加熱裝置10處於發電運作大約20分鐘過後，則燃料電池模組101b所提供的熱能T_eng 可由室溫25℃提升至75℃，並且於後續穩定的運作期間維持在65℃~75℃。如此一來，可攜式致冷與加熱裝置10的加熱保溫室C_heating 就能夠提供一保溫/加熱功能。
此外，若在相同的假設條件下，於可攜式致冷與加熱 裝置10處於發電運作約15分鐘過後，則致冷器103可以反應於電源轉換器101c所輸出符合致冷器103之額定電力P_TEC 的電力P_FC ，而致使冷藏室C_cooling 的溫度從室溫25℃降至低於或等於10℃，且於穩態平衡的運行下保持在9℃。如此一來，可攜式致冷與加熱裝置10的冷藏室C_cooling 就能夠提供一冷藏功能。
於此，雖然本創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
另外，本創作的任一實施例或申請專利範圍不須達成本創作所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本創作之權利範圍。
10‧‧‧可攜式致冷與加熱裝置
101‧‧‧燃料電池系統
101a‧‧‧控制模組
101b‧‧‧燃料電池模組
101c‧‧‧電源轉換器
101d‧‧‧可充電電池模組
103‧‧‧致冷器
105‧‧‧散熱器
C_heating ‧‧‧加熱保溫室
C_cooling ‧‧‧冷藏室
T_eng ‧‧‧熱能
P_1 ‧‧‧第一電力
P_2 ‧‧‧第二電力
P_FC ‧‧‧燃料電池系統所產生的電力
P_ini ‧‧‧啟動電力
P_TEC ‧‧‧致冷器的額定電力
P_remain ‧‧‧額外電力
下面的所附圖式是本創作的說明書的一部分，繪示了本創作的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本創作的原理。
圖1A~圖1C分別繪示為本創作一示範性實施例之可攜式致冷與加熱裝置(portable cooling and heating apparatus)10的外觀示意圖。
圖2繪示為本創作一示範性實施例之可攜式致冷與加 熱裝置10的系統方塊圖。
10‧‧‧可攜式致冷與加熱裝置
101‧‧‧燃料電池系統
101a‧‧‧控制模組
101b‧‧‧燃料電池模組
101c‧‧‧電源轉換器
101d‧‧‧可充電電池模組
103‧‧‧致冷器
105‧‧‧散熱器
C_heating ‧‧‧加熱保溫室
C_cooling ‧‧‧冷藏室
T_eng ‧‧‧熱能
P_1 ‧‧‧第一電力
P_2 ‧‧‧第二電力
P_FC ‧‧‧燃料電池系統所產生的電力
P_ini ‧‧‧啟動電力
P_TEC ‧‧‧致冷器的額定電力
P_remain ‧‧‧額外電力

Claims (14)

  1. 一種可攜式致冷與加熱裝置，包括：一燃料電池系統，用以反應於一燃料而產生一電力與一熱能；一加熱保溫室，用以反應於該熱能而提供一加熱/保溫功能；一冷藏室；以及一致冷器，用以反應於該電力而致使該冷藏室提供一冷藏功能。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中該燃料電池系統為一直接甲醇燃料電池系統。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中該燃料電池系統包括：一控制模組；一燃料電池模組，耦接並受控於該控制模組，用以進行關聯於該燃料的化學反應而產生一第一電力與該熱能；以及一電源轉換器，耦接於該燃料電池模組與該致冷器之間且受控於該控制模組，用以對該第一電力進行轉換以輸出該電力給該致冷器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中該燃料電池系統更包括：一可充電電池模組，耦接該控制模組、該燃料電池模組與該電源轉換器，並且受控於該控制模組，其中，該可 充電電池模組用以於該燃料電池模組初始運作時，提供一啟動電力給該燃料電池模組，並於該燃料電池模組正常運作時，停止提供該啟動電力給該燃料電池模組。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中該控制模組更耦接至該電源轉換器的輸出端，藉以判斷該電源轉換器所輸出的該電力是否達到該致冷器的一額定電力。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中：當該控制模組判斷出該電源轉換器所輸出的該電力未達到該額定電力時，則該控制模組進一步控制該可充電電池模組以提供一第二電力給該電源轉換器；以及該電源轉換器更同時對該第一與該第二電力進行轉換，藉以輸出至少符合該額定電力的該電力給該致冷器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中當該控制模組判斷出該電源轉換器所輸出的該電力已達到該額定電力時，則該控制模組進一步判斷該燃料電池模組所輸出的該第一電力經該電源轉換器後所輸出的該電力是否等於或超過該額定電力。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中當該控制模組判斷出該燃料電池模組所輸出的該第一電力經該電源轉換器後所輸出的該電力超過該額定電力時，則該控制模組進一步控制該電源轉換器輸出剛好符合該額定電力的該電力給該致冷器，並且控制該電源轉換 器將剩餘的一額外電力提供至該可充電電池模組，藉以對該可充電電池模組進行充電。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中當該控制模組判斷出該燃料電池模組所輸出的該第一電力經該電源轉換器後所輸出的該電力等於該額定電力時，則該控制模組進一步控制該電源轉換器將所輸出的該電力全部提供至該致冷器。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中該可充電電池模組為一鋰離子電池模組。
  11. 如申請專利範圍第3項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中該電源轉換器為一直流-直流轉換器。
  12. 如申請專利範圍第2項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中該燃料為甲醇。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式致冷與加熱裝置，其中該致冷器至少為一熱電致冷器。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之可攜式致冷與加熱裝置，更包括：一散熱器，用以對該致冷器進行散熱作業。
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