JP2003336919A

JP2003336919A - スターリング機関用再生器

Info

Publication number: JP2003336919A
Application number: JP2002148613A
Authority: JP
Inventors: Toshio Takahashi; 富志雄高橋
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2003-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】高温環境下でも性能低下を防ぐことのできる
信頼性の高いスターリング機関用再生器を提供する。【解決手段】再生器１は、スターリング機関内での圧
縮空間１４と膨張空間１５との間に配設され、両空間１
４，１５を往復する作動ガスの流路になるとともに、前
記作動ガスから熱量を回収または放出する。再生器１の
材質である樹脂フィルム２に予め加熱処理を施しておく
ことで、高温環境下において熱収縮が発生しない再生器
１を形成できる。この再生器１を配設したスターリング
機関は、高温環境下で長時間配置、動作させても、性能
低下はほとんど見られず、初期とほぼ同等の性能が維持
でき、高信頼性のスターリング機関を得ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温環境下におけ
るスターリング機関の信頼性を向上させたスターリング
機関用再生器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は、フリーピストン型スターリング
冷凍機の一例の側断面図である。まず、このフリーピス
トン型スターリング冷凍機の構成及び動作について説明
する。

【０００３】フリーピストン型スターリング冷凍機は、
ヘリウム等の作動ガスが封入されたシリンダ６と、シリ
ンダ６内を膨張空間１５と圧縮空間１４とに区画するデ
ィスプレーサ１２及びピストン１３と、ピストン１３を
往復運動させるためのリニアモーター１６と、膨張空間
１５側に設けられ外部から熱を奪う吸熱器７と圧縮空間
１４側に設けられ外部に熱を放熱する放熱器８とを本体
容器９内部に有している。

【０００４】なお、図３において、１７,１８はそれぞ
れディスプレーサ１２及びピストン１３を支持し、弾性
力によってこれらのディスプレーサ１２及びピストン１
３を往復動させる板バネである。また１０は放熱用熱交
換器、１１は吸熱用熱交換器である。これらは、冷凍機
外部との熱のやりとりを促進する役目を果たす。そし
て、これらの放熱用熱交換器１０と吸熱用熱交換器１１
との間には、再生器１が配設されている。

【０００５】従来のスターリング機関の再生器１として
は、例えば図４に示すように、表面に極小凸凹（突起物
４）を成形した樹脂フィルム２を円筒ボビン３の外周に
巻回し、樹脂フィルム２間に空隙を設けてなるものがあ
る。この空隙は、樹脂フィルム２の層間に極小凸凹であ
る突起物４が存在することにより生じる。

【０００６】上記の構成で、リニアモーター１６を駆動
させると、それに伴いピストン１３が圧縮空間１４側に
移動し、圧縮空間１４内の作動ガスが圧縮される。作動
ガスの温度は圧縮により上昇するが、放熱用交換器１０
を通じて放熱器８より外気と熱交換され冷却されるた
め、この過程は等温圧縮変化となる。圧縮空間１４内で
ピストン１３により圧縮された作動ガスは、圧力により
再生器１に流入し、膨張空間１５内へ送られる。その
際、作動ガスの持つ熱量が再生器１を構成する樹脂フィ
ルム２に蓄熱される。

【０００７】膨張空間１５内に流入した高圧の作動ガス
は、ピストン１３と所定の位相差を保って往復動するデ
ィスプレーサ１２が圧縮空間１４側に移動する時に、膨
張する。このとき、作動ガスの温度は下降するが、吸熱
用熱交換器１１を介して吸熱器７から外気の熱を吸収し
て加熱されるため、この過程は等温膨張変化となる。や
がてディスプレーサ１２が膨張空間１５側へ移動を始
め、膨張空間１５内の作動ガスは再生器１を通過して、
再び圧縮空間１４側へ戻る。その際、再生器１に蓄熱さ
れた熱量が作動ガスに与えられ、作動ガスは昇温する。
この一連のスターリングサイクルが駆動部の往復動によ
って繰り返されることにより、吸熱器７では外気から熱
が吸収されるため徐々に低温になる。

【０００８】このように圧縮空間１４と膨張空間１５と
の間で、作動ガスを再生器１を介して往復動させて吸熱
器７から冷熱を取り出すスターリング冷凍機では、再生
器１内において、圧縮された高温の作動ガスから熱量を
蓄え、また膨張された低温の作動ガスへ熱量を与えて冷
熱を回収するが、そのとき再生器１での蓄熱量が多い程
熱量の有効活用がなされるためスターリング冷凍機の性
能向上につながる。

【０００９】ところで、再生器１は、上記のように、円
筒ボビン３と、前記樹脂フィルム２の表面に突起物４を
等間隔で連続に成形し、円筒ボビン３の外周面に前記樹
脂フィルム２を巻回することにより構成されており、図
５の斜視図に示すように、スターリング冷凍機本体のシ
リンダ６の内周面と樹脂フィルム２の外周面とが密着す
るように挿設される。樹脂フィルム２としては、比熱が
大きく、熱伝導性が低く、吸湿性が低い材料、例えばポ
リエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどが用いら
れてきた。その他にも、ポリプロピレン、ポリエチレ
ン、ナイロン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニルなど
のフィルムがある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】スターリング冷凍機
は、船や車による搬送中や高温環境下での使用も考慮し
て６０℃付近の温度でも耐えうる構造が必要不可欠であ
る。しかしながら、従来樹脂フィルム２の材料として使
われてきたポリエチレンテレフタレートフィルムは、高
温環境下ではフィルム自身が収縮する特質をもってお
り、上記再生器１を使用したスターリング冷凍機を６０
℃の環境雰囲気に動作、若しくは放置しておくだけで冷
却性能が５％程低下するという現象が確認されている
（図２参照）。

【００１１】この原因として先ず、再生器１は、図６の
断面図に示すように、スターリング冷凍機本体のシリン
ダ６の内周面と樹脂フィルム２の外周面とが密着するよ
うに挿設されているが、高温環境下により円筒ボビン３
の外周に巻回した樹脂フィルム２が熱により収縮したた
め、全体的に長さが初期と比べて約０.１％短くなり、
図７に示すように、その収縮した分が樹脂フィルム２の
外周面とスターリング冷凍機本体シリンダ６の内周面と
の間で隙間５として発生したため、作動ガス漏れが生じ
ることとなった。

【００１２】漏れた作動ガスは再生器１内で熱交換を行
わずに圧縮空間１４と膨張空間１５との間を流動するた
め、熱損失が大きくなり、スターリング冷凍機の性能低
下要因となる。樹脂フィルム２が収縮することにより漏
れる作動ガスとそれに伴う性能低下の関係は、収縮が
０.５％程度なら性能低下はほとんど引き起こさない
が、０.５％を超えると性能低下が顕著に見られるよう
になり、１％だと性能は約５％低下することが実験で確
認されている。

【００１３】もう一つの問題として、突起物４の高さが
熱により収縮することにより樹脂フィルム２間の空隙が
維持できなくなる、若しくは空隙間にバラツキが発生
し、それにより再生器１内での熱交換が均一に行われず
に結果として熱損失が大きくなり、これもスターリング
冷凍機の性能低下要因となる。

【００１４】本発明は、上記の問題を解決し、高温環境
下でも性能低下を防ぐことのできる信頼性の高いスター
リング機関用再生器を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては以下の手段を採用する。すなわ
ち、前記再生器に用いられる樹脂フィルムは製造法とし
て二軸延伸製膜法で製造されており、特に円筒ボビンに
巻回させる樹脂フィルムの横方向は長さが必要なためそ
の方向に機械的に引き伸ばして製造されている。そのた
め、樹脂フィルムのガラス転位温度付近になるとどうし
ても引き伸ばした横方向に収縮が発生してしまう。

【００１６】本発明者は、実験を重ねた結果、樹脂フィ
ルムのみを６０℃の高温槽に投入してみると、初期と比
べて約０.１％の熱収縮率を確認すると共に、長期的な
投入に対してはある期間を過ぎるとこれ以上樹脂フィル
ムの長さは収縮せずに安定化することを見出した（図１
参照）。また突起物の高さに関しても、長さの熱収縮と
同様、初期と比べ熱収縮により高さが低減するが、ある
期間を過ぎると安定化することを見出し、本発明に至っ
た。

【００１７】まず、本発明の再生器は、予め樹脂フィル
ム自身に加熱処理（アニール処理）を施すことを特徴と
している。一旦、熱により樹脂フィルムをある程度収縮
させた状態で円筒ボビンに巻回し再生器として使用する
ことにより、高温環境下でも熱収縮が起こらず、また、
突起物の高さも安定し、結果として高温環境下でも性能
低下を引き起こさない信頼性の高いスターリング機関を
提供することができる。

【００１８】ただし、円筒ボビンに巻回する前の樹脂フ
ィルムはフィルムボビンに巻いている状態のため、突起
物成形前では樹脂フィルム同士が密着しており、加熱処
理を施す際の恒温槽等の温風がフィルム全体に行き渡ら
ない。その結果として、加熱処理が全体では無く、フィ
ルムの一部分のみしか行われず、全体的に均一な加熱処
理が不十分な状態となる。

【００１９】したがって、樹脂フィルムの加熱処理は突
起物成形後に行うとよい。なぜなら、突起物成形後で
は、フィルムボビンに巻いている状態でもフィルム間は
突起物により空隙が生じているので、恒温槽の温風がフ
ィルム間の空隙間にも行き届き、結果としてフィルム全
体に行き渡り、均一に加熱処理が可能となるからであ
る。

【００２０】また、加熱処理は予め樹脂フィルムを収縮
させておくことが目的なので、分子の配列が変化し始め
るガラス転位温度以上で融点以下に設定する必要があ
る。

【００２１】そして、樹脂フィルムの加熱処理後に、こ
の樹脂フィルムを円筒ボビンの外周面に密着するように
巻回して再生器を形成し、スターリング機関に配設す
る。

【００２２】加熱処理に代えて、再生器の材質として樹
脂フィルムであるポリフェニレンサルファイド（PPS）
フィルムを使用してもよい。ポリフェニレンサルファイ
ドフィルムは従来の樹脂フィルムと同様、二軸延伸製膜
法によって製造され、突起物成形や円筒ボビン上での巻
回など従来の樹脂フィルムとの差異はほとんど無く、同
様に使うことができる。またガラス転位温度（９２℃）
が高く、樹脂フィルムと比べて耐熱性に非常に優れてお
り、６０℃付近の高温環境下ではほとんど熱収縮が発生
しないため、従来の樹脂フィルムによる事前の加熱処理
を施さなくてもポリフェニレンサルファイドフィルムを
使用することにより、結果として高温環境下でも熱収縮
が発生せず、性能低下を引き起こさない信頼性の高いス
ターリング機関を提供することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明における実施の形態
について説明する。尚、第１の実施形態は従来の樹脂フ
ィルムに加熱処理を施したもの、第２の実施形態は従来
の樹脂フィルムの代わりにポリフェニレンサルファイド
フィルムを使用した実施例を示す。

【００２４】＜第１の実施形態＞本発明に係るスターリ
ング機関用再生器１の作製手順を説明する。従来の突起
物成形装置（図示せず）により順次搬送されるポリエチ
レンテレフタレート製樹脂フィルム２表面上に成形針を
打ち下ろすことにより、等間隔に連続的に突起物４を成
形する。その後、この樹脂フィルム２を巻きつけたフィ
ルムボビンをそのまま恒温槽の中に投入する。設定温度
はポリエチレンテレフタレートのガラス転位温度（６９
℃）以上で融点以下に設定するが、樹脂フィルムの場合
では、７０〜８５℃の温度が好ましい。加熱処理は少な
くとも３日間行うこととし、これにより予め高温による
樹脂フィルム２の熱収縮を促しておく。

【００２５】次に、円筒ボビン３に上記樹脂フィルム２
の一辺を固定し、一定のテンションを加えながら巻回す
ることにより再生器１が完成する。なお、再生器１は図
５に示すようにスターリング冷凍機のシリンダ６内に圧
入挿入され、その後、リニアモーター１６、ピストン１
３、ディスプレーサ１２、板バネ１７，１８等を順次設
置し、ヘリウムガスを充満させることにより、スターリ
ング冷凍機は完成する。

【００２６】上記手段を用いて作成した再生器１は、６
０℃の高温環境下においても樹脂フィルム２の収縮はほ
とんど発生しなかった。したがって、この再生器１を用
いたスターリング冷凍機では、樹脂フィルム２の外周面
とスターリング冷凍機本体のシリンダ６の内周面との間
に新たに隙間が生じることなく、また突起物４の高さも
安定することから、図２に示すように、高信頼性のスタ
ーリング冷凍機が得られた。

【００２７】＜第２の実施形態＞ここでは、樹脂フィル
ム２としてポリフェニレンサルファイドフィルムを二軸
延伸製膜法によって製造し、従来の樹脂フィルム２と同
様の長さに作製する。次に従来の再生器１の作製同様、
樹脂フィルム２上に突起物４を等間隔に連続的に成形
し、そのまま円筒ボビン３に巻回することにより再生器
１が完成する。この再生器１を配設したスターリング冷
凍機は第１の実施形態と同様、高温環境下においても、
樹脂フィルム２の収縮は発生せず、図２に示すように、
高信頼性のスターリング冷凍機が得られた。

【００２８】また従来では、スターリング冷凍機を運転
させて吸熱器の温度が０℃以下になったときには、従来
の樹脂フィルム２中に吸収されていた水分が脱離して混
入した作動ガスに含まれる水分が吸熱器近傍に凝集凍結
することにより、スターリング冷凍機そのものの動作が
不安定になるという問題があった。また、水分が凍結す
ることにより、作動ガスの流動が妨げられて再生器１内
における熱交換が十分に行われずに作動ガスが流動する
ため、熱損失が増大してスターリング冷凍機の性能や信
頼性が低下するという問題があった。

【００２９】しかし、ポリフェニレンサルファイドフィ
ルムは吸湿率が０.０５％で従来用いられてきた樹脂フ
ィルムと比べて一桁低い値を示しており、外気に含まれ
る水分を吸収しにくいため、その結果再生器から作動ガ
ス中への水分の混入が低減されて吸熱近傍の凍結が少な
くなり、スターリング冷凍機の性能維持による信頼性の
向上もはかることができた。

【００３０】以上、スターリング機関の一例としてフリ
ーピストン型スターリング冷凍機を例に説明したが、本
発明による再生器はフリーピストン型スターリング冷凍
機に限られず、スターリング機関一般、例えば、動力を
生み出すエンジンにも応用が可能である。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、再生器作製の際に、予
め樹脂フィルムの加熱（アニール）処理を行い、その後
円筒ボビンに巻回するか、若しくは再生器フィルムの材
質としてポリフェニレンサルファイドフィルムを使用す
ることで、高温環境下において熱収縮が発生しない再生
器を形成できる。この再生器を配設したスターリング機
関は、高温環境下で長時間配置、動作させても、性能低
下はほとんど見られず、初期とほぼ同等の性能が維持で
き、高信頼性のスターリング機関を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高温環境下における加熱処理した樹脂フィル
ムの熱収縮率の時間変化を示す図である。

【図２】高温環境下におけるスターリング機関の冷却
性能の時間変化を示す図である。

【図３】フリーピストン型スターリング冷凍機の側面
断面図である。

【図４】そのスターリング冷凍機に使用される再生器
の斜視図である。

【図５】そのスターリング冷凍機の分解斜視図であ
る。

【図６】再生器を配設したスターリング冷凍機の内部
断面図である。

【図７】再生器を配設したスターリング冷凍機におい
て、高温環境下においての内部断面図である。

【符号の説明】

１再生器２樹脂フィルム３円筒ボビン４突起物５隙間６シリンダ７吸熱器８放熱器９本体容器１０放熱用熱交換器１１吸熱用交換器１２ディスプレーサ１３ピストン１４圧縮空間１５膨張空間１６リニアモーター１７ディスプレーサ用板バネ１８ピストン用板バネ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スターリング機関内での圧縮空間と膨張
空間との間に配設され、両空間を往復する作動ガスの流
路になるとともに、前記作動ガスから熱量を回収または
放出する再生器において、前記再生器の材質である樹脂
フィルムに予め加熱処理を施すことを特徴とするスター
リング機関用再生器。
【請求項２】前記樹脂フィルムは突起部成型後に加熱
処理を施すことを特徴とする請求項１に記載のスターリ
ング機関用再生器。
【請求項３】前記樹脂フィルムにおける加熱処理を施
す温度はガラス転位温度と融点との間の温度としたこと
を特徴とする請求項１又は２に記載のスターリング機関
用再生器。
【請求項４】前記樹脂フィルムの加熱処理後に前記樹
脂フィルムを円筒ボビンの外周面に巻回し、スターリン
グ機関に配設することを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載のスターリング機関用再生器。
【請求項５】スターリング機関内での圧縮空間と膨張
空間との間に配設され、両空間を往復する作動ガスの流
路になるとともに、前記作動ガスから熱量を回収または
放出する再生器において、前記再生器の材質である樹脂
フィルムにポリフェニレンサルファイドフィルムを使用
することを特徴とするスターリング機関用再生器。