JP3729828B2 - スターリング機関用再生器 - Google Patents

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。

従来のスターリング機関用再生器としては、例えば図７（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７（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６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。

図６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６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。

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。

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。

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。

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８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。

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。

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。

本発明では、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。

（本発明に対する参考形態）
本発明に対する参考形態について、図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本参考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、本参考形態と本発明の実施形態の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、以下の本参考形態及び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。

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。本参考形態に係る再生器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。

本参考形態ではリブ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。

（本発明の第１実施形態）
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２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２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。

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３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。

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。

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。

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。

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７参照）に対しても、同様に評価を行った。結果を図４に示す。図４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。

（本発明の第２実施形態）
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５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５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。

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５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。

（ａ） 本発明に対する参考形態であ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。（ｂ） 図１（ａ）における要部拡大図である。 本発明の第１の実施形態であ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。 本発明の第１の実施形態であるスターリング機関用再生器内部を通過するガスの流動状況を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態であるスターリング機関用再生器の性能試験の結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態であ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。 本発明に係るスターリング再生器を備えたスターリング冷凍機の構成を示す側面断面図である。 （ａ） 従来のスターリング機関用再生器の構成を示す斜視図である。（ｂ） 図７（ａ）における要部拡大図である。 従来のスターリング再生器内部を通過するガスの流動状況を示す説明図である。

符号の説明

１ スターリング機関用再生器
２ 樹脂フィルム
３ リブ
３ａ 表リブ
３ｂ 裏リブ
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

Claims (1)

1. 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ことを特徴とするスターリング機関用再生器。

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