JP2006258382A - スターリング機関用再生器およびスターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 樹脂フィルムと作動ガスとの間の熱伝達を良好にすることによって熱蓄積特性が向上したスターリング機関用再生器を提供する。
【解決手段】 再生器を構成する樹脂フィルム３３は、帯状の樹脂フィルムが渦巻き状に巻かれた筒状のものであり、樹脂フィルム３３にスリット３３ａが設けられている。また、スリット３３ａは作動ガスの流れの方向に対してほぼ垂直な方向に沿って延びるように設けられている。そのため、スリット３３ａによって樹脂フィルム３３の表面積が増加すると共に、樹脂フィルム３３同士の隙間を流れる作動ガスが乱流となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、スターリング冷凍機、スターリング発電機等のスターリング機関に用いられる再生器に関するものである。

スターリング機関のうち冷凍機は、圧縮空間の発熱を高温部で放熱した作動ガスの残熱を受け取って蓄積すると共に、膨張空間で冷え低温部で吸熱した作動ガスに蓄積した熱を放熱する再生器を有している。この再生器によって、圧縮空間に流れ込む作動ガスは予め熱せられ、膨張空間に流れ込む作動ガスは予め冷やされる。再生器の熱交換特性によってスターリング冷凍機の冷凍効率が左右される。
特開２００３−６５６２０号公報

上記特許文献に記載された従来の再生器は、１枚の樹脂フィルムが渦巻き状に巻かれた状態で、スターリング冷凍機のディスプレーサのシリンダ外周をとりかこむように設けられている。また、図１０に示すように、樹脂フィルム３３にはディンプル３３ｂが設けられており、ディンプル３３ｂがスペーサとして機能することによって、渦巻きを構成する層同士の間には作動ガスの流路が形成されている。

前述の樹脂フィルム３３の表面は滑らかであるため、作動ガスは再生器内の樹脂フィルム３３同士の隙間を層流となって流れる。そのため、樹脂フィルムと作動ガスとの熱伝達は今一つ良好ではない。その結果、再生器の蓄熱／放熱特性（熱交換特性）ひいてはスターリング冷凍機の冷凍効率が今一つ良好ではない。

本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、樹脂フィルムと作動ガスとの間の熱伝達を良好にすることによって蓄熱／放熱特性（熱交換特性）が向上したスターリング機関用再生器を提供することである。

本発明のスターリング機関用再生器は、帯状のフィルムが渦巻き状に巻かれた筒状のものであり、フィルムにスリットが設けられている。これによれば、スリットによってフィルムの表面積が増加すると共に、フィルム同士の間の流路を流れる作動ガスが乱流となるため、作動ガスとフィルムとの間の熱伝達が良好になり、再生器の熱交換特性が向上する。

また、スリットは作動ガスの流れの方向に対してほぼ垂直な方向に沿って延びるように設けられていることが望ましい。これによれば、作動ガスのスリットを介した流路同士の間での流通が容易ではなくなるため、より効果的に乱流を生じさせることができる。

また、スリットが設けられた帯状のフィルムとスリットが設けられていない帯状のフィルムとが重ねて渦巻き状に巻かれていれば、径方向において隣接するスリット同士の間で作動ガスが流通することが防止されるため、作動ガスとフィルムとの間の熱伝達を良好にすることができる。

また、帯状のフィルムが、スリットが設けられた第１領域とスリットが設けられていない第２領域とを有し、帯状のフィルムが渦巻き状に巻かれて筒状になったときに、第１領域の周と第２領域の周とが交互に設けられるようにすれば、径方向において隣接するスリット同士の間で作動ガスが流通することが第２領域の周によって防止される。

また、本発明のスターリング冷凍機は、シリンダと、このシリンダ内で往復運動するように設けられたピストンと、シリンダ内の先端側に設けられピストンとは所定位相差を有して往復運動するディスプレーサと、ディスプレーサとシリンダの先端との間に形成された膨張空間と、ディスプレーサとピストンとの間に形成された圧縮空間と、膨張空間と圧縮空間とを連通する流路に設けられた再生器とを有するスターリング冷凍機であって、前述のスターリング機関用再生器が再生器（樹脂フィルム製）として用いられている。これによれば、スターリング冷凍機の冷凍効率を向上させることができる。

本発明によれば、シートと作動ガスとの間の熱伝達が良好なスターリング機関用再生器およびスターリング冷凍機が得られる。

（実施の形態１）
以下、図を参照して、本発明の実施の形態のスターリング機関用再生器を説明する。

まず、図１を用いて、再生器が搭載されるスターリング機関の一例のフリーピストン型スターリング冷凍機を説明する。図１に示すように、スターリング冷凍機のシリンダ１内には、低温部となる吸熱器２、再生器３、及び、高温部となる放熱器４がこの順に収納されている。吸熱器２および放熱器４は、それぞれ、管状の本体２１および４１の一端側の内周面に熱交換器２２および４２が取り付けられている。熱交換器２２および４２は、それぞれ、シリンダ１内で再生器３に隣接している。

シリンダ１内には、ディスプレーサロッド５の一端に固着されたディスプレーサ６と、ディスプレーサロッド５が貫通したピストン７が配設されている。また、ディスプレーサロッド５の他端はスプリング８に接続されている。シリンダ１内では、ディスプレーサ６およびピストン７の動作に応じて、吸熱器２の内部に膨張空間９が形成され、放熱器４の内部に圧縮空間１０が形成される。膨張空間９と圧縮空間１０とは再生器３によって連通しており、膨張空間９、圧縮空間１０、および再生器３によって閉回路が構成されている。

このフリーピストン型スターリング冷凍機の動作について説明する。ピストン７はリニアモータ(図示せず)などの外部動力により、シリンダ１の軸方向に所定の周期で往復運動する。また、膨張空間９、圧縮空間１０、および再生器３によって構成された閉回路（作動空間）には予めヘリウムなどの作動ガスが封入されている。

ピストン７およびディスプレーサ６の移動により圧縮空間１０内の作動ガスが圧縮され、その作動ガスは放熱器４の熱交換器４２を介して再生器３を通り膨張空間９に導かれる(図中、点線矢印Ａ)。このとき、圧縮によって熱を生じた作動ガスは、放熱器４を介して外部に熱を放出し、その後再生器３を通過するときに再生器３に蓄えられていた冷熱を受け取って予冷される。

膨張空間９に流入した作動ガスが、スプリング８の復帰力および慣性力によるディスプレーサ６の圧縮空間１０側への移動により膨張し、膨張空間９内で冷熱が生じる。その後、作動ガスが膨張するとスプリング８の逆方向への復帰力および慣性力によりディスプレーサ６は膨張空間９側に移動する。

これによって、膨張空間９内の作動ガスは吸熱器２の熱交換器２２を介して再生器３を通り再び圧縮空間１０に移動する(図中、実線矢印Ａ')。このとき、作動ガスは吸熱器２を介して外部から熱を吸収し、その後再生器３を通過するときに再生器３に蓄えられていた熱を受け取って予熱される。その後、圧縮空間１０に戻った作動ガスは再びピストン７およびディスプレーサ６の移動によって圧縮される。

前述の再生器３を用いたスターリング冷凍機の熱エネルギーの再生作用は、具体的には次のようなものである。

圧縮により高温になった作動ガスが高温端１Ｈより再生器３に流入すると、作動ガスの熱エネルギーは、再生器３を構成する樹脂フィルム３３全体に蓄熱される。一方、膨張により低温になった作動ガスが低温端１Ｃから再生器３に流入すると、蓄熱された熱エネルギーが樹脂フィルム３３全体から作動ガスへ放熱される。

図２は、本発明の実施の形態のスターリング機械用再生器の構造を示す斜視図であり、図３は、その再生器の拡大断面図である。図２に示すように、再生器３は、帯状の樹脂フィルム３３が円筒状態に巻かれた構造を有している。

なお、樹脂フィルム３３の材料は、比熱が大きく、熱伝導性が低く、耐熱性が高く、かつ吸湿性が低いことが望ましい。したがって、たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、または、ポリイミド等が用いられることが望ましい。

また、図２に示すように、樹脂フィルム２の片面の全体に、複数の微細なディンプル３３ｂが規則正しく設けられているが、図３においては、ディンプル３３ｂは描かれていない。ディンプル３３ｂは、図１０を用いて説明した従来術の樹脂フィルム３３のディンプル３３ｂとほぼ同様の構造である。なお、このディンプル３３ｂの形成方法としては、たとえば、印刷、エンボス加工、または、熱成形などがある。このディンプル３３ｂによって、図３に示すように、重なった樹脂フィルム３３同士の間には隙間が形成される。そのため、この隙間を通って図１の矢印ＡまたはＡ’で示すように、円筒軸方向の高温部と低温部との間で、作動ガスが流れることになる。

樹脂フィルム３３の両面には、樹脂フィルム３３よりも熱伝導性の高い成分を含む薄い樹脂層（図示せず）が形成されている。熱伝導性の高い成分としては、金、銀、銅、アルミ、カーボンなどの微粒子が、単独または複合されてポリエチレンなどの樹脂材に混合され、インク料として樹脂フィルム３３の両面に印刷加工されている。

また、樹脂フィルム３３には、円筒状の構造の周方向に沿って延びるスリット３３ａが設けられている。即ち、スリット３３ａは、作動ガスの流れる方向に対して垂直な方向に延びている。従って、作動ガスのスリットを介した流路同士の間での流通が容易ではなく効果的な乱流が生じる。なお、このスリット３３ａは、作動ガスの流れる方向に垂直な方向に沿って延びていなくても、作動ガスが流路内で乱流となるものであれば、他のいかなる態様のものであってもよい。また、図２に示す再生器は、理解の容易のため、最外周にスリット３３ａを設けているが、最外周にはスリット３３ａを設けない方が作動ガスのスリット３３ａを介した短絡および外部への熱ロスを防止する点で好ましい。

なお、スリット３３ａの寸法は、幅０．５ｍｍ、長さ２００ｍｍである。スリット３３ａは、長さ方向の間隔が１５ｍｍ、幅方向の間隔が２０ｍｍである。なお、本実施の形態においては、Ｚ軸方向において、図２に示すように、３本のスリット３３ａが平行に並んで設けられている。因みに、スリット３３ａは、樹脂フィルム３３の端から７.５ｍ、２０ｍｍ、２０ｍｍ、７．５ｍｍの位置に設けられている。また、図２に示す円筒状の構造の樹脂フィルム３３は、幅が５５ｍｍであり、長さが９７００ｍｍであり、厚さが５０μｍである。

本実施の形態のスターリング機関用再生器３によれば、図４に示す如くスリットが設けられていないために作動ガスの流れＦが層流になる従来の樹脂フィルムを用いる場合と異なり、図５に示すように、スリット３３ａの近傍において乱流が生じる。そのため、作動ガスと樹脂フィルム３３との間での熱交換が良好になる。したがって、再生器３の蓄熱／放熱特性が向上する。その結果、冷凍効率の高いスターリング冷凍機を製造することが可能になる。

（実施の形態２）
次に、図６〜図８を用いて、本発明の実施の形態２のスターリング機関用再生器を説明する。本実施の形態のスターリン機関用再生器は、実施の形態１のスターリング機関用再生器とほぼ同様の構造であるため、以下の説明においては、主に、実施の形態１のスターリング機関用再生器と異なる点の説明がなされる。

本実施の形態２のスターリング機関用再生器３は、図６に示すような２枚の樹脂フィルム３３が重ねて渦巻き状に巻かれた円筒構造を有している。２枚の樹脂フィルム３３の一方は、スリット３３ａが、実施の形態１において図２および図３を用いて説明された樹脂フィルム３３と同様の態様で設けられている。２枚の樹脂フィルム３３の他方は、スリット３３ａが設けられていない樹脂フィルムである。また、ディンプル３３ｂは、実施の形態１の樹脂フィルム３３のディンプル３３ｂとほぼ同様の態様で、２枚の樹脂フィルム３３の双方に設けられている。

また、図６に示す円筒状の樹脂フィルム３３は、図８に示すように、巻かれている樹脂フィルム３３の積層構造において、スリット３３ａが交互に設けられている。つまり、スリット３３ａが設けられた帯状の樹脂フィルム３３とスリットが設けられていない帯状の樹脂フィルム３３とが重ねて渦巻き状に巻かれている。したがって、一方の樹脂フィルム３３の径方向（ｒ方向）において隣接するスリット３３ａ同士の間で作動ガスが流通（短絡）することが、他方の樹脂フィルム３３によって防止されるため、作動ガスと樹脂フィルム３３との間の熱伝達を良好にすることができる。

（実施の形態３）
次に、図９を用いて、本発明の実施の形態３のスターリング機関用再生器を説明する。本実施の形態３のスターリン機関用再生器は、実施の形態１のスターリング機関用再生器とほぼ同様の構造であるため、以下の説明においては、主に、実施の形態１のスターリング機関用再生器と異なる点の説明がなされる。

本実施の形態３のスターリング機関用再生器は、図９に示すように、帯状の樹脂フィルム３３において、スリット３３ａが設けられている領域とスリットが設けられていない領域とが存在する。スリット３３ａが設けられている領域は、図９に示す帯状の樹脂フィルム３３が図２に示すような円筒状の構造に巻かれて渦巻き状になったときに、渦巻きの偶数周になる領域である。一方、スリット３３ａが設けられていない領域は、図９に示す帯状の樹脂フィルム３３が図２に示すような円筒状の構造に巻かれて渦巻き状になったときに、渦巻きの奇数周になる領域である。したがって、本実施の形態のスターリング機関用再生器は、１枚しか樹脂フィルム３３が用られていないが、その断面構造は、図８に示す実施の形態２のスターリング機関用再生器の構造とほぼ同様である。

前述のような本実施の形態のスターリング機関用再生器によっても、実施の形態１および２において説明されたスターリング機関用再生器と同様の効果を得ることができる。なお、奇数周の樹脂フィルム３３にスリット３３ａが設けられ、偶数周の樹脂フィルム３３にスリットが設けられていない再生器３であっても、前述の効果と同様の効果を得ることができる。又、最外周にはスリット３３ａを設けない方が作動ガスのスリット３３ａを介した短絡および外部への熱ロスを防止する点で好ましい。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれていることが意図される。

実施の形態１〜３のフリーピストン型のスターリング冷凍機の概要を説明するための図である。 実施の形態１のスターリング機関用再生器の渦巻き状に巻かれた樹脂フィルムの斜視図である。 実施の形態１のスターリング機関用再生器の再生器の渦巻き状に巻かれた樹脂フィルムの径方向の断面図である。 スリットがない場合の流路の冷媒の流れを示す図である。 スリットがある場合に流路において生じる乱流を示す図である。 実施の形態２のスターリング機関用再生器の渦巻き状に重ねて巻かれた２枚の樹脂フィルムの斜視図である。 実施の形態２のスターリング機関用再生器の２枚重ねられた帯状の樹脂フィルムの斜視図である。 実施の形態２のスターリング機関用再生器の再生器の渦巻き状に巻かれた２枚の樹脂フィルムの径方向の断面図である。 実施の形態３のスターリング機関用再生器の再生器帯状の樹脂フィルムの平面図である 従来のスターリング機関用再生器の樹脂フィルムの径方向断面図である。

符号の説明

１ スターリング冷凍機、３ 再生器、３３ 樹脂フィルム、３３ａ スリット、３３ｂ ディンプル。

Claims (5)

1. 帯状のフィルムが渦巻き状に巻かれた筒状のスターリング機関用再生器であって、
   前記フィルムにスリットが設けられた、スターリング機関用再生器。
2. 前記スリットは作動ガスの流れの方向に対してほぼ垂直な方向に沿って延びるように設けられた、請求項１に記載のスターリング機関用再生器。
3. 前記スリットが設けられた帯状のフィルムと前記スリットが設けられていない帯状のフィルムとが重ねて渦巻き状に巻かれた、請求項１または２に記載のスターリング機関用再生器。
4. 前記帯状のフィルムは、前記スリットが設けられた第１領域と前記スリットが設けられていない第２領域とを有し、
   前記帯状のフィルムが渦巻き状に巻かれて筒状になったときに、第１領域の周と第２領域の周とが交互に設けられている、請求項１または２に記載のスターリング機関用再生器。
5. シリンダと、
   前記シリンダ内で往復運動するように設けられたピストンと、
   前記シリンダ内の先端側に設けられ前記ピストンとは所定位相差を有して往復運動するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサと前記シリンダの先端との間に形成された膨張空間と、
   前記ディスプレーサと前記ピストンとの間に形成された圧縮空間と、
   前記膨張空間と前記圧縮空間とを連通する流路に設けられた再生器とを有するスターリング冷凍機であって、
   請求項１〜４のいずれかに記載のスターリング機関用再生器が前記再生器として用いられた、スターリング冷凍機。

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