史特林冷凍機

生活科學趣談

先來看一則使用史特林冷凍將 空氣液化 的實驗影片

傳統的史特林引擎是利用外部環境溫度上的差異,透過引擎內部封閉氣體持續膨脹與壓縮,進而產生動力來推動機械元件,屬於利用溫差來輸出功的熱機。整個引擎內部循環過程,稱為史特林循環(Stirling cycle)。下圖為工作示意圖與簡化的史特林引擎循環之P-V圖、溫度-亂度圖,一個完整的循環可分為以下四個過程:

stirling_PV

1→2 的過程,低溫的空氣被等溫壓縮,內能不改變,活塞對氣體所作之功,以廢熱形式散逸於外界。
2→3 的過程,空氣等體積升溫,定容不作功,所增加的內能來自於暫存在鋼絲絨中的熱量。
3→4 的過程,高溫的空氣作等溫膨脹,內能不改變,氣體對活塞作的功等於熱源提供的熱量。
4→1 的過程,空氣等體積降溫,定容不作功,所減少的內能釋放暫存於鋼絲絨中。
以上四個過程,只有3→4會對外界作正功,1→2則作負功,一個完整循環對外界所作的淨功等於PV 圖中封閉曲線所包圍的面積。

逆向的史特林循環就是史特林冷凍機的製冷原理:對系統輸入功,兩端就會出現溫差,這是藉由輸入功使熱量逆著溫差流動,將熱量從低溫端泵送到高溫端的散熱鰭片,內部則使用氦氣作為工作流體

圖片來源:ohio.edu

1→2 的過程,高溫的氦氣被等溫壓縮,內能不改變,活塞對氣體所作之功,以廢熱形式散逸於外界。
2→3 的過程,氦氣等體積降溫,定容不作功,所減少的內能暫存於蓄熱室(絕熱的隔間)。
3→4 的過程,低溫的氦氣作等溫膨脹,內能不改變,氦氣對活塞作的功等於從低溫端汲取的熱量。
4→1 的過程,氦氣等體積升溫,定容不作功,所增加的內能由蓄熱室提供。
以上四個過程,完成一個製冷循環的PV 圖封閉曲線所包圍之面積即為外界須提供的電能。

在典型的製冷溫度下,史特林冷凍機的性能係數雖比使用傳統壓縮機的冷凍櫃低。然而在超低溫需求的條件下,由於傳統壓縮機沒有沸點如此低的合適冷媒(註:R-134a的沸點-26.3°C),史特林冷凍機卻能將溫度降低至 -200 °C,兩級的斯特林冷凍機甚至可達到液化氫氣的低溫(註:-252.8 °C),因此超低溫冷卻能力是史特林冷凍機的優勢。

國內只要輝瑞疫苗來台,疫苗的長期保存就必須存放在 -70°C ~ -80°C 的超低溫環境下,史特林冷凍機可以滿足這樣的需求 → Stirling’s ultracold chain: Uniquely adaptable for the post-COVID biomedicine revolution