JP2004132696A - Regenerator for stirling engine - Google Patents
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Description
本発明は、スターリング機関用再生器に係り、より詳しくは再生器の製造方法及び構造を改良することにより、生産コストの低減及び機関効率の向上を可能としたスターリング機関用再生器に関する。 The present invention relates to a regenerator for a Stirling engine, and more particularly, to a regenerator for a Stirling engine capable of reducing production cost and improving engine efficiency by improving a method and a structure of the regenerator.
従来のスターリング機関用再生器としては、例えば図9(b)に示すように、樹脂フィルム2の表面に極細スペーサ4を一定間隔で貼り付け、該樹脂フィルム2の表面に凹凸を設けたものを図9(a)のように、内部に断面リング状の空洞が形成されるように円筒状に巻回してなるものがある。図8は、この再生器1を組み込んだフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の側面断面図である。まず、このスターリング冷凍機の動作について説明する。
As a conventional regenerator for a Stirling engine, for example, as shown in FIG. 9 (b), an ultrafine spacer 4 is adhered to the surface of a
図8に示すように、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8と、該シリンダ8内を膨張空間10と圧縮空間9とに区画するディスプレーサ7及びピストン5と、ピストン5を往復動させるためのリニアモータ6と、膨張空間10側に設けられ外部から熱を奪う吸熱器14と、圧縮空間9側に設けられ外部に熱を放出する放熱器13とを有している。尚、図8において、11、12はそれぞれディスプレーサ7及びピストン5を支持し、弾性力によってこれらのディスプレーサ7及びピストン5を往復動させる板バネである。また、15は放熱用熱交換器、16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15と吸熱用熱交換器16との間には、再生器1が配設されている。
As shown in FIG. 8, the free-piston Stirling refrigerator includes a
上記の構成で、リニアモータ6を駆動させると、それに伴いピストン5がシリンダ8内部を上方に移動し、圧縮空間9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、放熱用熱交換器15を通じて放熱器13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9内でピストン5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10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、作動ガスは降温する。
With the above configuration, when the
膨張空間10内に流入した高圧の作動ガスは、ピストン5と所定の位相差を保って往復動するディスプレーサ7が下方へ下がるときに、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16を介して吸熱器14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7が上昇を始め、膨張空間10内の作動ガスは再生器1を通過して、再び圧縮空間9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14では外気から熱が吸収されるため、徐々に低温になる。
(4) The high-pressure working gas that has flowed into the
このように圧縮空間9と膨張空間10との間で、作動ガスを再生器1を介して往復させて吸熱器14から冷熱を取り出すスターリング冷凍機では、再生器1により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、そのときの蓄熱量が多いほど再生器1の伝熱効率が向上し、ひいてはスターリング冷凍機の冷却性能の向上につながる。
As described above, in the Stirling refrigerator in which the working gas is reciprocated between the
しかしながら、上述した従来のスターリング機関用再生器の構成では、樹脂フィルム2表面に一本づつスペーサ4を等間隔に貼り付けているので、製造に多大な時間と手間を要し、コストが非常に高くなるという問題があった。また、再生器1内部を作動ガスが通過する際、図10に示すように、作動ガスは再生器の入り口から内部に向かうにしたがい、巻回した樹脂フィルム2の表面を離れて略中央部に偏る(境界層が発達する)ため、作動ガスと再生器1との間の熱伝達効率が低下するという問題も生じていた。
However, in the above-described configuration of the conventional regenerator for a Stirling engine, since the spacers 4 are attached one by one to the surface of the
本発明は、上述した従来の欠点を克服し、高い蓄熱性能を有するとともに、製造方法の簡易化を図ることによりコストの削減を可能とした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。 An object of the present invention is to provide a regenerator for a Stirling engine that overcomes the above-mentioned conventional disadvantages, has high heat storage performance, and can reduce the cost by simplifying the manufacturing method.
上記目的を達成するために、本発明のスターリング機関用再生器は、スターリング機関の圧縮空間と膨張空間との間に配設され圧縮空間と膨張空間を往復する作動ガスの流路となるとともに、前記作動ガスから熱量を回収するスターリング機関用再生器において、表面に複数本のリブを形成させた樹脂フィルムを円筒状に巻回した少なくとも2つ以上のコアを、円筒の軸方向に前記リブがずれるように継ぎ合わせたものである。 In order to achieve the above object, the Stirling engine regenerator of the present invention is disposed between the compression space and the expansion space of the Stirling engine, and serves as a flow path of a working gas that reciprocates between the compression space and the expansion space. In a regenerator for a Stirling engine that recovers heat from the working gas, at least two or more cores obtained by winding a resin film having a plurality of ribs formed on its surface in a cylindrical shape, the ribs are formed in the axial direction of the cylinder. They are stitched together.
また、前記リブは、円筒の軸方向に対して平行かつ等間隔に設けられたものである。 リ ブ The ribs are provided at equal intervals in parallel with the axial direction of the cylinder.
また、他の本発明のスターリング機関用再生器は、スターリング機関の圧縮空間と膨張空間との間に配設され圧縮空間と膨張空間を往復する作動ガスの流路となるとともに、前記作動ガスから熱量を回収するスターリング機関用再生器であって、複数本のリブを形成させた樹脂フィルムを円筒状に巻回したものにおいて、前記リブが円筒の軸方向に対して一定角度の傾斜を有しているものである。 Further, another regenerator for a Stirling engine of the present invention is disposed between the compression space and the expansion space of the Stirling engine, and serves as a flow path of a working gas reciprocating between the compression space and the expansion space. A regenerator for a Stirling engine that recovers heat, wherein a resin film on which a plurality of ribs are formed is wound in a cylindrical shape, wherein the ribs have a certain angle of inclination with respect to the axial direction of the cylinder. Is what it is.
本発明は以上の構成であるので、複数本のリブを有する樹脂フィルムを巻回したコアを少なくとも2つ以上、リブがずれるように継ぎ合わせることにより、再生器内を作動ガスが通過する際、再生器入り口から発達する境界層がコア同士の継ぎ目部分で中断される。その結果、作動ガスと再生器との間の熱伝達効率が向上するともに、再生器の蓄熱性能を向上させることができる。 Since the present invention has the above configuration, at least two or more cores wound with a resin film having a plurality of ribs, by joining the ribs so that the ribs are shifted, when the working gas passes through the regenerator, The boundary layer that develops from the regenerator entrance is interrupted at the seam between the cores. As a result, the heat transfer efficiency between the working gas and the regenerator can be improved, and the heat storage performance of the regenerator can be improved.
また、リブを円筒の軸方向に対して平行かつ等間隔に設けているので、樹脂フィルムを大量に生産しても、再生器コア毎の性能のばらつきを極めて少なくすることができる。 Also, since the ribs are provided at equal intervals in the axial direction of the cylinder, even if a large amount of resin film is produced, variations in performance among the regenerator cores can be extremely reduced.
また、複数本のリブを有する樹脂フィルムを円筒状に巻回し、リブが円筒の軸方向に対して一定角度の傾斜を有しているので、樹脂フィルム間にガス流路となる一定の隙間が形成される。そして、この隙間を通過するガスは、樹脂フィルムに突出した斜めのリブに衝突することにより、流れが乱される。よって、再生器の入り口より発達した境界層は、前記リブにより中断されるため、作動ガスと樹脂フィルムと間の熱伝達効率が向上する。その結果、突出したリブによる伝熱面積の増加と相俟って、再生器の蓄熱性能の大幅な向上が期待できる。従って、例えば前記リブをスクリーン印刷や熱成形法で設けることにより、安定した蓄熱性能を有するスターリング機関用再生器を低コストで得ることができる。 In addition, a resin film having a plurality of ribs is wound in a cylindrical shape, and the ribs have a certain angle of inclination with respect to the axial direction of the cylinder. It is formed. Then, the gas passing through the gap collides with the oblique rib protruding from the resin film, whereby the flow is disturbed. Therefore, since the boundary layer developed from the entrance of the regenerator is interrupted by the rib, the efficiency of heat transfer between the working gas and the resin film is improved. As a result, a significant improvement in the heat storage performance of the regenerator can be expected in combination with an increase in the heat transfer area due to the protruding ribs. Therefore, for example, by providing the ribs by screen printing or thermoforming, a regenerator for a Stirling engine having stable heat storage performance can be obtained at low cost.
本発明の第1の実施形態について、図面を参照して説明する。図1(a)は、本実施形態で用いるスターリング機関用再生器の構成を示す斜視図であり、図1(b)はその要部拡大図である。尚、本発明に係るスターリング機関用再生器は、上述した従来の再生器と製造法及び構造が異なるだけなので、以下の各実施形態において、従来品と共通する部材については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。 第 A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a perspective view showing a configuration of a regenerator for a Stirling engine used in the present embodiment, and FIG. 1B is an enlarged view of a main part thereof. The regenerator for a Stirling engine according to the present invention is different from the above-described conventional regenerator only in the manufacturing method and the structure. Therefore, in the following embodiments, members common to the conventional products are denoted by the same reference numerals, Detailed description is omitted.
図1(b)に示すように、樹脂フィルム2の表面には等間隔かつ平行なリブ3が設けられている。そして、この樹脂フィルム2を、図1(a)のように円筒状に巻回することにより、スターリング機関用再生器1が作製される。本実施形態に係る再生器1においては、図示の如くリブ3は略円筒形の再生器1の軸方向と平行に設けられている。従って、本実施形態で用いられる再生器1は、図9に示す従来の技術で述べた再生器と同様の局所構造をもっているため、蓄熱性能的には従来の再生器とほとんど差異はない。
(1) As shown in FIG. 1 (b), ribs 3 are provided on the surface of the
しかしながら、本発明ではリブ3によって樹脂フィルム2の表面に凹凸を設けているため、従来のようにスペーサを貼り付ける方法に比し、安価かつ容易に再生器1を作製することができる。尚、樹脂フィルム2の材料としては、比熱が大きい、熱伝導性が低い、耐熱性が高い、吸湿性が低い等の諸条件を考慮して、ポリエチレンテレフタレート(PET)もしくは、ポリイミド等を好適に用いることができる。また、樹脂フィルム2表面へのリブ3の形成方法としては、樹脂フィルム2表面に光硬化性インクを塗布した後、スクリーン印刷を行う方法や、加熱した金属製の型を樹脂フィルム2表面に押しつける熱成形法等がある。
However, in the present invention, since the unevenness is provided on the surface of the
本発明の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。図2は、本実施形態で用いるスターリング機関用再生器の構成を示す斜視図である。図2に示すように、本実施形態における再生器1は、三つの独立した略円筒形でサイズの等しい再生器コア1a、1b、1cを円筒の軸方向に継ぎ合わせて構成されている。それぞれの再生器コアは、等間隔かつ円筒の軸方向に平行なリブ3が設けられた樹脂フィルム2を円筒状に巻回して形成されており、前記リブ3の間隔はすべての再生器コアで等しく設定されている。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a regenerator for a Stirling engine used in the present embodiment. As shown in FIG. 2, the
ところで、従来及び第1の実施形態で説明したコアに分割されていない再生器では、作動ガスが、図中の矢印で示す流路に沿って再生器内を通過するとき、境界層(図10参照)が発達するため、作動ガスと再生器との間の熱伝達効率の低下を招いていた。 Meanwhile, in the regenerator not divided into the cores described in the conventional and first embodiments, when the working gas passes through the inside of the regenerator along the flow path indicated by the arrow in the figure, the boundary layer (FIG. 10) ), Which has led to a decrease in the efficiency of heat transfer between the working gas and the regenerator.
しかし、本実施形態のように、円筒状の短い再生器コア1a、1b、1cを円筒の軸方向に継ぎ合わせた構成のスターリング機関用再生器1では、コアとコアの継ぎ目部分で、図示の如くリブ3の位置がずれる箇所が生ずる。従って、図2中の矢印の方向から再生器1内に流入した作動ガスは、再生器コア1aのリブ3、3の間を通って、次の再生器コア1bに流入する。このとき、ガスは再生器コア1bのリブ3に衝突して流れが乱されるため、この部分で境界層の発達が中断される。同様のことは、再生器コア1bから再生器コア1cへ作動ガスが移動するときにも起こる。
However, in the
このように、作動ガスが再生器1内部を通過する際、コアからコアへ移動することにより、コア同士の継ぎ目部分で境界層の発達が抑制されるので、作動ガスと再生器1との間の熱伝達効率の低下が改善されるとともに、再生器1自体の蓄熱性能も、前記第1の実施形態のように再生器1をコアに分割していない場合に比べてかなり向上する。尚、図2では、再生器コアが3つの場合を示しているが、再生器コアの数をさらに増やしてもよい。この場合は、再生器1の蓄熱性能のさらなる向上が期待できる。
As described above, when the working gas passes through the inside of the
本発明の第3の実施形態について、図面を参照して説明する。図3は、本実施形態で使用するスターリング機関用再生器の構成を示す斜視図である。図3に示すように、本実施形態におけるスターリング機関用再生器1は、前記第2の実施形態と同様に、三つの独立した略円筒形でサイズの等しい再生器コア1a、1b、1cを円筒の軸方向に継ぎ合わせた構成となっており、両端の再生器コア1a及び1cの開口側には、それぞれ図示しない膨張空間及び圧縮空間が接続される。
3A third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a perspective view illustrating a configuration of a Stirling engine regenerator used in the present embodiment. As shown in FIG. 3, the
また、それぞれの再生器コアは、等間隔かつ円筒の軸方向に平行なリブ3が設けらた樹脂フィルム2を円筒状に巻回して形成されているが、本実施形態では、前記リブ3の間隔が、図示の如く膨張空間に近づくほど、段階的に粗くなるように設定されている。即ち、各コアに形成されたリブの間隔は1c、1b、1aの順に広くなっている。
In addition, each regenerator core is formed by winding a
今、再生器1内に図3中の矢印で示すように、圧縮空間側から作動ガスが流入した場合、この作動ガスは再生器1の内部を通過する間に再生器1の蓄熱作用により、該再生器1に熱を奪われ膨張空間に近づくほど、徐々に温度が低下する。ガスは低温になると、密度が高くなるので、流動性が低下する。従って、再生器1内の作動ガスは、膨張空間に近づくほど、スムーズに流れにくくなる。そこで、本実施形態のように、膨張空間に近づくほど、再生器1のリブ3の間隔を段階的に広くすることにより、ガスの流動抵抗が再生器1全体にわたってほぼ一様になり、ガス流動性の円滑化、ガス流量分布の均一化が図れる。この結果、再生器1の蓄熱性能は、再生器コアの継ぎ合わせによる境界層の抑制効果と相俟って、より一層向上する。
Now, when the working gas flows from the compression space side into the
本発明の第4の実施形態について、図面を参照して説明する。図4は、本実施形態で使用するスターリング機関用再生器の構成を示す斜視図である。図4に示すように、樹脂フィルム2の表と裏の両面に一定の傾斜を有した表リブ3a、裏リブ3bが設けられており、この樹脂フィルム2を円筒状に巻回して再生器1が形成されている。ここで、樹脂フィルム2の両面に設けられた表リブ3aと裏リブ3bの傾斜方向は、円筒の軸方向に対して互いに逆になるように設定されている。従って、この樹脂フィルム2を巻回すると、表リブ3aと裏リブ3bが互いに交差する接触点ができ、フィルム2、2間にガスの流路となる隙間が確保される。
4A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of a regenerator for a Stirling engine used in the present embodiment. As shown in FIG. 4, a
この再生器1の両端には、それぞれ図示しない圧縮空間と膨張空間が接続されており、スターリング冷凍機のシリンダ内に充填された作動ガスが、再生器1を経由して前記圧縮空間と膨張空間との間を往復する。このとき、再生器1内を流れるガスは、図5に示すように、樹脂フィルム2の表と裏から突出したリブ3a、3bに衝突することにより、流れが乱されて渦が発生する。よって、再生器1の入り口より発達した境界層は、リブ3a、3bにより中断されるため、作動ガスと樹脂フィルム2と間の熱伝達効率が向上する。その結果、突出したリブ3a、3bによる伝熱面積の増加と相俟って、再生器1の蓄熱性能の大幅な向上が期待できる。
A compression space and an expansion space (not shown) are connected to both ends of the
表1は、本実施形態で好適に用いられるスターリング機関用再生器を作製するために試作したリブ付き樹脂フィルムの仕様を示している。表1に示すように、樹脂フィルムには、材料としてポリエチレンテレフタレートを用いた。また、樹脂フィルム両面へのリブの形成は、樹脂フィルム表面にUVインクを塗布した後、スクリーン印刷することによりを行った。これにより、高さ35μm、幅100μm、巻回する方向に対する傾斜15°のリブを樹脂フィルムに形成した。 Table 1 shows the specifications of a ribbed resin film that was prototyped to produce a Stirling engine regenerator suitably used in the present embodiment. As shown in Table 1, polyethylene terephthalate was used as a material for the resin film. The ribs were formed on both surfaces of the resin film by applying a UV ink to the surface of the resin film and then performing screen printing. Thereby, a rib having a height of 35 μm, a width of 100 μm, and an inclination of 15 ° with respect to the winding direction was formed on the resin film.
ところで、スターリング機関用再生器の蓄熱性能を評価するための指標として、通常次式で示す再生器効率ηが用いられる。
η=(Thin−Thout)/(Thin−Tcin)
=(Tcout−Tcin)/(Thin−Tcin)・・・・・・・・・・(1)
ここで、Thin及びThoutはそれぞれ、圧縮空間で圧縮された作動ガスが再生器に流入する直前の温度、再生器から膨張空間に流出した直後の作動ガスの温度である。また、Tcin及びTcoutはそれぞれ、膨張空間から再生器に流入する直前の作動ガスの温度、再生器から圧縮空間に流出した直後の作動ガスの温度である。
By the way, as an index for evaluating the heat storage performance of a regenerator for a Stirling engine, a regenerator efficiency η represented by the following equation is usually used.
η = (Thin-Thout) / (Thin-Tcin)
= (Tcout-Tcin) / (Thin-Tcin) (1)
Here, Thin and Thout are the temperature immediately before the working gas compressed in the compression space flows into the regenerator and the temperature of the working gas immediately after flowing out of the regenerator into the expansion space. Further, Tcin and Tcout are the temperature of the working gas immediately before flowing into the regenerator from the expansion space and the temperature of the working gas immediately after flowing into the compression space from the regenerator, respectively.
スターリング機関においては、Thin>Thout、Tcout>Tcin、Thin>Tcinが成り立ち、上記(1)式の分母は、分子より小さくなることはないので、再生器効率ηは、0<η≦1の範囲に含まれる値となる。この再生器効率ηが大きい(1に近づく)ほど、再生器において作動ガスとの間の熱伝達が効率よく行われていることになり、熱量損失の少ない理想的なスターリングサイクルに近くなる。 In a Stirling engine, Thin> Thout, Tcout> Tcin, and Thin> Tcin hold, and the denominator of the above equation (1) does not become smaller than the numerator. Therefore, the regenerator efficiency η is in the range of 0 <η ≦ 1. Is the value included in. The greater the regenerator efficiency η (approaching 1), the more efficiently heat transfer with the working gas is performed in the regenerator, and it is closer to an ideal Stirling cycle with less heat loss.
そこで、表1に示した仕様の樹脂フィルムを円筒状に巻回してスターリング機関用再生器の試作品を作製し、この再生器をスターリング冷凍機のシリンダ内に配設して、作動ガスを種々の往復流量G(L/m)で圧縮空間と膨張空間との間を往復させたときの、再生器効率ηの測定を行った。比較のため、スペーサを貼り付けた樹脂フィルムで作製した従来技術による再生器(図9参照)に対しても、同様に評価を行った。結果を図6に示す。図6から分かるように、本実施形態に係る再生器は、いずれの往復流量においても、従来品より高い再生器効率が得られており、従来の再生器より優れた蓄熱性能を有することが認められた。 Therefore, a prototype of a regenerator for a Stirling engine was manufactured by winding a resin film having the specifications shown in Table 1 into a cylindrical shape, and this regenerator was disposed in a cylinder of a Stirling refrigerator to vary the working gas. The regenerator efficiency η when reciprocating between the compression space and the expansion space at the reciprocating flow rate G (L / m) was measured. For comparison, a regenerator according to the related art (see FIG. 9) made of a resin film with a spacer attached was similarly evaluated. FIG. 6 shows the results. As can be seen from FIG. 6, the regenerator according to the present embodiment has higher regenerator efficiency than the conventional regenerator at any reciprocating flow rate, and has better heat storage performance than the conventional regenerator. Was done.
本発明の第5の実施形態について、図面を参照して説明する。図7は、本実施形態で用いられるスターリング機関用再生器の構成を示す斜視図である。図7に示すように、本実施形態では、再生器1を構成する樹脂フィルム2に設けた表と裏のリブ3a、3bの円筒の軸方向に対する傾斜角度を膨張空間に近づくほど、段階的に小さくなるように変化させている。
5A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a regenerator for a Stirling engine used in the present embodiment. As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the inclination angles of the front and
上述したように、膨張空間に近づくほど、作動ガスは低温になり、密度が高くなる。この作動ガスの密度の増加に対応させて、リブの傾斜を段階的に小さくすることにより、再生器1内を通過するガスに対する流動抵抗が小さくなるとともに、ガス流動性の円滑化、ガス流量分布の均一化を容易に実現できる。尚、図7では、3段階にリブの角度を変える場合を示しているが、この角度を変える段階をさらに増やしてもよい。この場合は、上述した効果がより顕著になる。
作 動 As described above, the closer to the expansion space, the lower the temperature of the working gas and the higher the density. By decreasing the inclination of the ribs stepwise in accordance with the increase in the density of the working gas, the flow resistance to the gas passing through the
1 スターリング機関用再生器
1a,1b,1c 再生器コア
2 樹脂フィルム
3 リブ
3a 表リブ
3b 裏リブ
4 スペーサ
5 ピストン
6 リニアモータ
7 ディスプレーサ
8 シリンダ
9 圧縮空間
10 膨張空間
11,12 板バネ
13 放熱器
14 吸熱器
15 放熱用熱交換器
16 吸熱用熱交換器
1
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