JP2007046817A - スターリング機関用再生器及びこれを用いるスターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 高性能且つ生産容易なスターリング機関用再生器を提供し、また、かかる再生器を用いた高性能のスターリング機関を提供する。
【解決手段】 スターリング機関１はピストン１２及びディスプレーサ１３により圧縮空間４５と膨脹空間４６の間で作動ガスを行き来させる。圧縮空間４５と膨脹空間４６の間に配置され、作動ガスとの間で熱を授受する再生器７０は、樹脂フィルム巻回積層体からなる１対の端部部材７２、７３の間に、多孔質樹脂からなる中間部材７４を挟んで構成される。端部部材７２、７３と中間部材７４は共通の巻芯７１に嵌着される。巻芯７１の中央区間７１ｃは、中間部材７４の嵌合は許容するが、端部部材７２、７３の嵌合は許容しない段違い部となっている。
【選択図】 図２

Description

本発明はスターリング機関用再生器及びこれを用いるスターリング機関に関する。

スターリング機関は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素などを作動ガスとして用いるので、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。冷凍機として用いるスターリング機関では、リニアモータなどの動力源によりピストンを往復運動させ、このピストンに対しディスプレーサを、所定の位相差をもって同期往復運動させる。ピストンとディスプレーサは圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを行き来させる。圧縮空間では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では作動ガスの温度が低下する。圧縮空間（高温空間）の温度を高温伝熱ヘッドを通じて放熱して等温圧縮変化を実現し、外部の熱を低温伝熱ヘッドを通じ膨脹空間（低温空間）に吸収して等温膨張変化を実現すれば、逆スターリングサイクルが形成される。

スターリング機関では、圧縮空間と膨脹空間の間に配置された再生器が重要な役割を果たす。再生器は、圧縮空間から流れ出た高温の作動ガスから熱を受け取り、膨脹空間から流れ出た低温の作動ガスにその熱を伝えるという、蓄熱手段としての役割を担うものである。再生器には、蓄熱量が大きいことの他、作動ガスとの間で熱を素速く授受できることと、作動ガスの流動を極力妨げないことが求められる。

上記要請に応えるべく、様々な構造の再生器が開発されている。特許文献１に記載された再生器は、多孔質部材からなる伝熱体を作動流体の流れ方向に３個以上に分割し、両端部の伝熱体を他の部分の伝熱体より密に形成することにより、再生器内での流れを均一化し、伝熱体の全ての部分を蓄熱放射作用に有効利用し、効率を高めている。特許文献２に記載された再生器では、表面に複数のリブを形成した樹脂フィルムを円筒状に巻回して互いに独立し、サイズの等しい三つの再生器コアを作製し、これらの再生器コアを円筒の軸方向に継ぎ合わせることにより、コア同士の継ぎ目部分で境界層の発達を抑制し、作動ガスとの間の熱伝達効率の低下を改善し、蓄熱性能を向上させている。なお樹脂フィルムを巻回して再生器を形成するものにおいて、作動ガスの通る隙間を確保するため樹脂フィルムの表面に突起部を形成する技術は特許文献３に開示されている。
特開平１−２４０７５９号公報（第４−６頁、図１−２） 特開２０００−２２０８９７号公報（第３−４頁、図１−８） 特開２００３−２２２４２２号公報（第８−１３頁、図１−２１）

本発明は、高性能且つ生産容易なスターリング機関用再生器を提供すること、及びかかる再生器を用いた高性能のスターリング機関を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために本発明は、圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスとの間で熱を授受するスターリング機関用再生器において、樹脂フィルム巻回積層体からなる１対の端部部材の間に、多孔質樹脂からなる中間部材を挟んで構成されることを特徴としている。

この構成によると、樹脂フィルム巻回積層体は蓄熱性が良く、多孔質樹脂は放熱性が良いことに着目し、蓄熱性の良い樹脂フィルム巻回積層体を両端に置き、その間に放熱性の良い多孔質樹脂を置いたことにより、作動ガスとの間の熱伝達効率が良く、蓄熱性も優れた再生器を得ることができる。また再生器の中でも特に蓄熱に有効なのは圧縮空間（高温部）と膨張空間（低温部）に隣接する両端の部分であるが、この部分に蓄熱性の良い樹脂フィルム巻回積層体を配置したので、高性能の再生器を得ることができる。

（２）また本発明は、上記構成のスターリング機関用再生器において、前記端部部材と中間部材を共通の巻芯に嵌着したことを特徴としている。

この構成によると、巻芯に中間部材と端部部材を順次嵌合することにより、再生器を容易に組み立てることができる。

（３）また本発明は、上記構成のスターリング機関用再生器において、前記巻芯の中央区間は、前記中間部材の嵌合は許容するが、前記端部部材の嵌合は許容しない段違い部となっていることを特徴としている。

この構成によると、段違い部分の段差に当たるところまで端部部材を中間部材の方に押し付ければ、端部部材と中間部材は軸線方向に正確に位置決めされる。従って再生器の組立能率が向上する。

（４）また本発明は、圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスとの間で熱を授受する上記のいずれかの再生器を搭載したスターリング機関であることを特徴としている。

この構成によると、効率の良い再生器を使用することにより、スターリング機関の能力あるいは運転効率を向上させることができる。

本発明によると、蓄熱性の良い樹脂フィルム巻回積層体と放熱性の良い多孔質樹脂を組み合わせ、作動ガスとの間の熱伝達効率が良く、蓄熱性にも優れ、また組立生産性の良い再生器を得ることができる。

最初に、本発明再生器の使用対象であるスターリング機関の構造を図１に基づき説明する。図１はスターリング機関の断面図である。

スターリング機関１は冷凍機として用いられるフリーピストンタイプのものであり、その組立の中心となるのはシリンダ１０、１１である。シリンダ１０、１１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１０にはピストン１２が挿入され、シリンダ１１にはディスプレーサ１３が挿入される。ピストン１２及びディスプレーサ１３は、スターリング機関１の運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダ１０、１１の内壁に接触することなく往復運動する。ピストン１２とディスプレーサ１３は所定の位相差を備えて動く。

ピストン１２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ１４が固定される。ディスプレーサ１３の一方の端からはディスプレーサ軸１５が突出する。ディスプレーサ軸１５はピストン１２及びマグネットホルダ１４を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。

シリンダ１０はピストン１２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ２０を保持する。リニアモータ２０は、コイル２１を備えた外側ヨーク２２と、シリンダ１０の外周面に接するように設けられた内側ヨーク２３と、外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット２４と、外側ヨーク２２を囲む管体２５と、外側ヨーク２２、内側ヨーク２３、及び管体２５を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット２６、２７とを備える。マグネット２４はマグネットホルダ１４に固定されている。

マグネットホルダ１４のハブの部分にはスプリング３０の中心部が固定される。ディスプレーサ軸１５にはスプリング３１の中心部が固定される。スプリング３０、３１の外周部はエンドブラケット２７に固定される。スプリング３０、３１の外周部同士の間にはスペーサ３２が配置されており、これによりスプリング３０、３１は一定の距離を保つ。スプリング３０、３１は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ１３をピストン１２に対し所定の位相差（一般的には約９０゜の位相差）をもたせて共振させる役割を果たす。

シリンダ１１のうち、ディスプレーサ１３の動作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１が配置される。高温側伝熱ヘッド４０はリング状、低温側伝熱ヘッド４１はキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。高温側伝熱ヘッド４０の内周面にはリング状の高温側内部熱交換器４２が装着され、低温側伝熱ヘッド４１の内周面には同じくリング状の低温側内部熱交換器４３が装着される。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１に伝える。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３は、例えば銅や銅合金の薄板をコルゲート加工し、圧縮する等して形成することができる。

高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１はこのように高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を介在させた形でシリンダ１１の外側に支持される。そして高温側伝熱ヘッド４０にはシリンダ１０及び圧力容器５０が連結される。

高温側伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及び高温側内部熱交換器４２で囲まれる環状の空間は圧縮空間４５となる。低温側伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサ１３、及び低温側内部熱交換器４３で囲まれる空間は膨張空間４６となる。

高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３の間には再生器７０が配置される。再生器７０の構造は後で詳述する。再生器７０の外側を再生器チューブ４８が包み、高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１の間に気密通路を構成する。再生器チューブ４８は、例えばステンレス鋼で形成することができる。

リニアモータ２０、シリンダ１０、及びピストン１２を覆う筒状の圧力容器が胴体部５０を形成する。胴体部５０の内部は背圧空間５１となる。

胴体部５０の構造は次のようになっている。すなわち胴体部５０は、高温側伝熱ヘッド４０に接合されるリング状部５２と、このリング状部５２に接合されるキャップ状部５３とに２分割されている。リング状部５２、キャップ状部５３ともステンレス鋼製である。リング状部５２の一端はテーパ状に絞り込まれ、高温側伝熱ヘッド４０にロウ付けされる。キャップ状部５３はパイプの内面に鏡板５３ａを溶接した構造である。

リング状部５２の他端と、これに向かい合うキャップ状部５３の開口端には、フランジ形状部５４、５５が設けられる。フランジ形状部５４、５５はいずれもステンレス鋼製のリングをリング状部５２とキャップ状部５３に溶接して形成されるものであり、最終的にはフランジ形状部５４、５５を溶接して密閉状態の胴体部５０を形成する。

胴体部５０には、リニアモータ２０に電力を供給するための端子部２８と、内部に作動ガスを封入するためのパイプ５０ａが配置される。これらはいずれもキャップ状部５３の外周面から放射方向に突出するように設けられる。

胴体部５０には動吸振器６０が取り付けられる。動吸振器６０は、胴体部５０に固定されるベース６１と、ベース６１に支持される板状のスプリング６２と、スプリング６２に支持されるバランスウェイト６３とから成る。

スターリング機関１は次のように動作する。リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給すると外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間にマグネット２４を貫通する磁界が発生し、マグネット２４は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン１２、マグネットホルダ１４、マグネット２４、及びスプリング３０）の総質量と、スプリング３０のバネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。

ディスプレーサ系（ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及びスプリング３１）にあっては、その総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数がピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定する。

ピストン１２の往復運動により、圧縮空間４５では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ１３も往復運動を行う。このとき、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ１３とピストン１２との間には位相差が生じる。このようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ１３はピストン１２と所定の位相差を有して同期して振動する。

上記の動作により、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間に逆スターリングサイクルが形成される。圧縮空間では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間４６では作動ガスの温度が低下する。このため、圧縮空間４５の温度は上昇し、膨張空間４６の温度は下降する。

運転中に圧縮空間４５と膨張空間４６の間を行き来する作動ガスは、高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を通過する際に、その有する熱を高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を通じて高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１に伝える。圧縮空間４５から再生器７０へ流れ込む作動ガスは高温であるため高温側伝熱ヘッド４０は加熱され、高温側伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から再生器７０へ流れ込む作動ガスは低温であるため低温側伝熱ヘッド４１は冷却され、低温側伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。高温側伝熱ヘッド４０より熱を大気へ放散し、低温側伝熱ヘッド４１で特定空間の温度を下げることにより、スターリング機関１は冷凍機関としての機能を果たす。

再生器７０は、圧縮空間４５と膨張空間４６の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間４５から高温側内部熱交換器４２を経て再生器７０に入った高温の作動ガスは、再生器７０を通過するときにその熱を再生器７０に与え、温度が下がった状態で膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から低温側内部熱交換器４３を経て再生器７０に入った低温の作動ガスは、再生器７０を通過するときに再生器７０から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間４５に流入する。すなわち再生器７０は蓄熱手段としての役割を果たす。

ピストン１２とディスプレーサ１３が往復運動し、作動ガスが移動すると、スターリング機関１に振動が生じる。振動抑制装置６０がこの振動を抑える。

続いて再生器７０の構成を図２に基づき説明する。図２は再生器７０の断面図である。

再生器７０の組立の基礎となるのは円筒形の巻芯７１である。巻芯７１はシリンダ１１の外周面に対しとまりばめか僅かにすきまばめとなる内径を有する。巻芯７１の材料は、作動ガスのもたらす温熱又は冷熱に耐えて長期間使用できるものであれば何でもよいが、強度、断熱性、製造コスト等を総合判断すれば、合成樹脂を選択するのが現実的である。

巻芯７１の外周面は軸線方向に３区分されている。端部区間７１ａ、７１ｂと中央区間７１ｃである。端部区間７１ａ、７１ｂの外径は互いに等しいが、中央区間７１ｃはそれらより一回り外径が大きく、端部区間７１ａ、７１ｂから垂直な段差面をもって切り立った段違い部となっている。

巻芯７１の外周面に、作動ガスとの間で熱の授受を行う部材を嵌着する。端部区間７１ａ、７１ｂには端部部材７２、７３を嵌着する。中央区間７１ｃには中間部材７４を嵌着する。端部部材７２、７３の軸線方向長さは端部区間７１ａ、７１ｂの軸線方向長さに等しく、中間部材７４の軸線方向長さは中央区間７１ｃの軸線方向長さに等しい。

外径について言うと、端部部材７２、７３と中間部材７４の３者の外径は互いに相等しい。すなわちいずれも再生器チューブ４８の中に隙間無く収まる外径である。ただし内径はそうではない。端部部材７２、７３は端部区間７１ａ、７１ｂに隙間無く嵌合する内径を備え、中間部材７４は端部区間７２、７３よりも外径の大きい中央区間７１ｃに隙間無く嵌合する内径を備える。内径の差のため、中間部材７４は中央区間７１ｃへの嵌合が許容されるが、端部部材７２、７３は、端部区間７１ａ、７１ｂへの嵌合は許容されるものの、中央区間７１ｃへの嵌合は許容されない。

端部部材７２、７３は樹脂フィルム巻回積層体からなる。樹脂フィルム巻回積層体は特許文献３で紹介されたもののように表面に突起を有する樹脂フィルムをコイル状に巻いて形成される。樹脂フィルムの材料はＰＥＴ、ポリイミド、ポリスチレン等である。樹脂フィルム巻回積層体には蓄熱性が良いという特徴がある。そのため、再生器７０の中でも特に蓄熱に有効な、圧縮空間４５と膨張空間４６に隣接する両端部に端部部材７２、７３を配置することにより、樹脂フィルム巻回積層体の蓄熱性を効果的に利用し、再生器７０の性能を高めることができる。

中間部材７４は円筒形の多孔質樹脂からなる。多孔質樹脂は連続気泡発泡樹脂であり、所定の通気性を備える。多孔性樹脂には放熱性が良いという特徴がある。多孔質樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン等、発泡や焼結により多孔化可能なものを使用できる。

再生器７０を組み立てるにあたっては、巻芯７１の中央区間７１ｃに中間部材７４を嵌着した後、端部区間７１ａ、７１ｂに端部部材７２、７３を嵌着する。段違い部分の段差に当たるところまで端部部材７２、７３を中間部材７４の方に押し付ければ、端部部材７２、７３と中間部材７４の３者は軸線方向に正確に位置決めされ、境界面が密着する。このように段付きの巻芯７１を使用することにより、端部部材７２、７３と中間部材７４の位置決めが簡単になり、生産のタクトタイムを向上させることができる。

上記説明は、コイル状に巻回した端部部材７２、７３を端部区間７１ａ、７１ｂに嵌合することを想定しているが、端部区間７１ａ、７１ｂに樹脂フィルムを巻き付け、端部区間７１ａ、７１ｂに端部部材７２、７３を直接形成する製造方法も採用可能である。同様に、中間部材７４は円筒形に成型したものを中央区間７１ｃに嵌合することを想定しているが、巻芯７１を樹脂発泡成型金型に入れ、中央区間７１ｃの外側に中間部材７４を直接形成する製造方法も採用可能である。

このように構成した再生器７０は、蓄熱性の良い樹脂フィルム巻回積層体からなる端部部材７２、７３を両端に置き、その間に放熱性の良い多孔質樹脂からなる中間部材７４を置いたことにより、作動ガスとの間の熱伝達効率が良く、蓄熱性も優れたものとなる。

ちなみに、放熱性の検証には例えば真柄洋平「積層金網の積層方法による伝熱特性への影響」（日本機械学会第４回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集：２００４年１０月２７日）に記載された方法を用いることができる。

そしてかかる再生器７０を使用することにより、スターリング機関１の能力あるいは運転効率を向上させることができる。

以上本発明の実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は、スターリング機関全般に利用可能である。

スターリング機関の断面図 再生器の断面図

符号の説明

１ スターリング機関
１２ ピストン
１３ ディスプレーサ
２０ リニアモータ
４５ 圧縮空間
４６ 膨脹空間
７０ 再生器
７１ 巻芯
７１ａ、７１ｂ 端部区間
７１ｃ 中央区間
７２、７３ 端部部材
７４ 中間部材

Claims (4)

1. 圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスとの間で熱を授受するスターリング機関用再生器において、
   樹脂フィルム巻回積層体からなる１対の端部部材の間に、多孔質樹脂からなる中間部材を挟んで構成されることを特徴とするスターリング機関用再生器。
2. 前記端部部材と中間部材を共通の巻芯に嵌着した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。
3. 前記巻芯の中央区間は、前記中間部材の嵌合は許容するが、前記端部部材の嵌合は許容しない段違い部となっていることを特徴とする請求項２に記載のスターリング機関用再生器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスとの間で熱を授受する再生器を搭載したことを特徴とするスターリング機関。

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