WO2003019086A1 - Regenerateur, et systeme de regeneration thermique pour gaz fluidise mettant en oeuvre un tel regenerateur - Google Patents

Description

明細書 再生器及びそれを用いた流動ガスの熱再生システム 技術分野 '

本発明は、 スターリング冷凍機などに用いられる再生器に関し、 また、 そ れを用いた流動ガスの熱再生システムに関するものである。

背景技術

従来、 スターリング冷凍機に用いられる再生器 1としては、 例えば、 図 8に示 すように、 樹脂フィルム 2の表面に微小な突起 2 aを設けたものを、 内側に空洞 が形成されるように円筒状に卷回してなるものがある。

図 9は、 この再生器 1を組み込んだフリー 'ビ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っレ、て説明する。 図 9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 1 0と圧縮空間 9と に区画するディスプレーサ 7及ぴピストン 5と、 ビストン 5を往復動させるため のリニアモータ 6と、膨張空間 1 0側に設けられ外部から熱を奪う吸熱器 1 4と、 圧縮空間 9側に設けられ外部に熱を放出する放熱器 1 3とを有している。

なお、 図 9において、 1 1、 1 2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及びビストン 5を往復動さ せる板パネである。また、 1 5は放熱用熱交換器、 1 6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 1 5と吸熱用熱交換器 1 6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 1 5を通じて放熱器 1 3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 1 0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 イルム 2に蓄熱され、 作動ガスは降温する。

膨張空間 1 0内に流入した高圧の作動ガスは、 ビス トン 5と所定の位相差を保 つ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 1 6を介して吸熱器 1 4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 1 0内の作動ガスは再生器 1を通過して、 再び圧縮空間 9側へ戾る。 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 1 4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 1 0との間で、 再生器 1を介して作動ガスの 熱エネルギーの再生を行なうが、 このとき、 再生器 1の蓄熱量が多いほど熱エネ ルギ一の再生効率が向上するため、 理想的なスターリングサイクルが得られ、 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、 上述した従来の再生器 1の構成では、 再生器 1自体が専ら熱伝 導率の低い樹脂フィルム 2で作られているため、 作動ガスから樹脂フィルム 2 へ の熱伝達が悪かった。 そのため、 再生器 1は充分に蓄熱を行えず、 熱エネルギー め再生効率があまり良くなかった。 その結果、 スターリング冷凍機の冷却性能が 落ちるという問題があった。 又、 再生器の端縁が変形して再生性能にパラツキが 生じ再生性能が安定しないという問題があった。 そこで、 本発明は、 熱エネルギ 一の再生効率が優れ且つ再生性能が安定した再生器を提供することを目的とする。

発明の開示

上記目的を達成するため本発明は、 帯状の樹脂ブイルムを卷回してなる円筒型 の再生器において、 再生器の少なくとも端縁から所定幅部分の榭脂フィルムを多 層構造にしたことを特徴とする。 これによると、 再生器の端縁の強度が増して変 形が生じにくくなるため、 再生器の性能が安定する。

また、本発明は、帯状の樹脂フィルムを円筒型に卷回してなる再生器において、 前記樹脂フィルムの表面に、 この樹脂フィルムよりも熱伝導率の高い層を形成し たことを特徴としている。 高温の作動ガスが再生器の一端面より流入すると、 作 動ガスの持つ熱は樹脂フィルムに蓄熱されるが、 樹脂フィルム上の熱伝導率の高 い層によって再生器の熱伝導性が高くなつているので、 樹脂フィルムへの蓄熱量 を多くすることができる。 そして、 低温の作動ガスが再生器の他端面から流入す ることにより、 樹脂フィルムに蓄熱された熱は作動ガスへ放熱されるが、 樹脂フ イルム上の熱伝導率の高い層によって再生器の熱伝導性が高く、 熱容量も大きく なっているので、 作動ガスへの放熱量を多くすることができる。 したがって、 熱 エネルギーの再生効率が良くなる。 .

また、 前記樹脂フィルムの表面に微小な突起を複数設けておくことで、 重なつ た樹脂フィルムの間には隙間ができる。 そのため、 この隙間を通って円筒軸方向 の高温端から低温端へ、 又はその逆向きに作動ガスが流れることになる。

また、'本発明の他の例の再生器は、 2枚の帯状の樹脂フィルムに、 これらの樹 脂フィルムよりも熱伝導率の高い層をラミネート加工したものを巻回したことを 特徴とする。 これにより、 熱伝導率の高い層が外部に露出しなくなる。

特に、 樹脂フィルム上の前記熱伝導率の高い層'を前記再生器の端縁から所定幅 部分に形成すると、 前記熱伝導率の高い層を全体に形成する場合よりもその面積 が小さくなり、 材料コス トの低減などが図られる。

前記熱伝導率の高い層は、 熱伝導率の高い成分を含む樹脂のインクとして樹脂 フィルム上に印刷加工することにより、 容易に形成できる。 この場合、 熱伝導性 の高い成分としては、 金、 銀、 銅、 アルミ、 カーボンの少なくとも 1つの微粒子 が適している。

本発明の再生器は、 往復するガスの流路となるドーナツ状の空間に配置するこ とにより、 熱エネルギーの再生効率の良い多様な流動ガスの熱再生システムを実 現できる。 特に、 本発明をフリーピストン型スターリング冷凍機に利用すること で、 優れた冷却能力が得られるようになる。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の第 1の実施形態に係る再生器の構造を示す斜視図である。 図 2は、 その再生器の拡大断面図である。 図 3は、 本発明の第 2の実施形態に係る再生器の構造を示す斜視図である。 図 4は、 本発明の第 3の実施形態に係る再生器の構造を示す斜視図である。 図 5は、 本発明の第 4の実施形態に係る再生器の構造を示す斜視図である。 図 6は、 本発明の第 5の実施形態に係る再生器の構造を示す斜視図である。 図 7は、 本発明の第 6の実施形態に係る再生器を示す拡大断面図である 図 8は、 従来の再生器の一例の構造を示す斜視図である。

図 9は、 フリーピス トン型スターリング冷凍機の一例を示す側面断面図で ある。 発明を実施するための最良の形態

本発明の第 1の実施の形態について図面を参照して説明する。 図 1は、 本 発明の第 1の実施^態に係る再生器の構造を示す斜視図であり、 図 2は、 そ の再生器の拡大断面図である。 図 1に示すよ うに、 再生器 1は、 帯状の樹脂 フィルム 2を円筒型に卷回してなっている。 なお、 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、 吸湿性が低いなど の諸条件を考慮して、 例えば、 ポリエチレンテレフタ レー ト （P E T ) 若し くは、 ポリイ ミ ドが適している。

樹脂フィルム 2の片面の全体には、 複数の微細な突起 2 aが規則正しく設 けられている。 なお、 この突起 2 a の形成方法には、 例えば、 印刷による'方 法、 エンボス加工による方法、 熱形成による方法などがある。 この突起 2 a によって.、 図 2に示すように、 重なった榭脂フィルム 2の間には隙間ができ ' る。 そのため、 この隙間を通って図 1の矢印 Aのよ うに、 円筒軸方向 （一点 鎮線 Bの方向） の高温端 1 Hから低温端 1 C へ、 又はそ.の逆向きに作動ガス が流れることになる。 '

榭脂フィルム 2の両面には、 この樹脂フィルム 2よ り も熱伝導性の高い成 分を含む樹脂層 3が薄膜と して形成されている。 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を単独、 又は混合したもの が適している。 これらの微粒子をポリエチレンなどの樹脂材に混合し、 イン クと して樹脂フィルム 2の両面に印刷加工することにより、 樹脂層 3をコー ティングする。

次に、 この再生器 1 を用いたスターリング冷凍機の熱エネルギーの再生作 用について説明する。 圧縮により高温になった作動ガスが高温端 1 Hよ り再 生器 1に流入すると、 作動ガスの持つ熱エネルギーは樹脂フィルム 2に蓄熱 される。 このとき、 榭脂フィルム 2上の樹脂層 3は、 熱伝導率が充分高いた め、 熱エネルギーはまず樹脂層 3に沿って伝わり、 次に樹脂フィルム 2の全 体に蓄熱される。 これによ り、 充分な蓄熱量が得られる。 逆に、 膨張により 低温になった作動ガスが低温端 1 Cから再生器 1 に流入すると、 蓄熱された 熱エネルギーが放熱される。 このとき、 熱エネルギーは樹脂層 3に沿って伝 わり、 榭脂フィルム 2の全体から作動ガスに放熱される。 これにより、 充分 な放熱量が得られる。 従って、 再生器 1の再生エネルギ一効率が向上する。 本発明の第 2の実施の形態について図面を参照して説明する。 図 3は、 本 発明の第 2の実施形態に係る再生器の構造を示す斜視図である。 図 3に示す ように、 榭脂フィルム 2の片面の全体には、 複数の微細な突起 2 aが規則正 しく設けられている。 この突起 2 a によって、 重なった樹脂フィルム 2の間 には隙間ができる。 そのため、 この隙間を通って矢印 Aのよ うに、 円筒軸方 向 （一点鎖線 Bの方向） の高温端 1 Hから低温端 1 Cへ、 又はその逆向きに 作動ガスが流れることになる。

図 3に示すよ うに、 榭脂フィルム 2の両面には、 この樹脂フィルム 2よ り も熱伝導性の高い成分を含む樹脂層 3が.、 円筒軸方向に所定の間隔を隔てて 縞模様状に形成されている。 樹脂フィルム 2上の樹脂層 3を形成しない部分 には、 あらかじめ、所定の間隔で縞模様状にマスキングをしておく。そして、 第 1の実施形態と同様にコーティングを行う。 最後に、 マスキングを洗い流 して剥がすことにより、樹脂層 3を形成する。なお、榭脂層 3の縞の間隔は、 ランダムであってもよい。

次に、 この再生器 1 を用いたスターリ ング冷凍機の熱エネルギーの再生作 用について説明する。 圧縮によ り高温になった作動ガスが高温端 1 Hより再 生器 1に流入すると、 作動ガスの持つ熱エネルギーは樹脂フィルム 2に蓄熱 される。 このとき、 樹脂フィルム 2上の樹脂層 3は、 熱伝導率が充分高いた め、 熱エネルギーはまず樹脂層 3の縞の 1つ 1つに伝わり、 次いで各縞から 樹脂フィルム 2に蓄熱される。 これによ り、充分な蓄熱量が得られる。逆に、 膨張によ り低温になった作動ガスが低温端 1 Cから再生器 1 に流入すると、 樹脂フィルム 2に蓄熱された熱エネルギーが放熱される。 このとき、 熱ヱネ ルギ一は樹脂フィルム 2から樹脂層 3の縞の 1つ 1つに伝わり、 作動ガスに 放熱される。 これによ り、 充分な放熱量が得られる。 従って、 再生器 1の再 生エネルギー効率が向上する。

この実施の形態では、 樹脂フィルム 2上の樹脂層 3を縞状に間隔を隔てて 形成したので、 樹脂層 3を介しての高温端 1 Hから低温端 1 Cへの熱伝導に よる熱損失を防止できる。 又、 樹脂フィル 2上の全体に樹脂層 3を形成する 場合よ りその面積が小さくなる分、 熱伝導性の高い成分の使用量が少なくて 済むため、 コス トダウンを図れる。 なお、 樹脂層 3の形成されない部分は比 較的熱伝導性が低いが、 樹脂層 3が縞状に形成されており、 作動ガスとの接 触面積が少なくなるよ うに樹脂層 3の縞の幅や間隔を定めることによ り、 熱 エネルギーの再生効率悪化を抑えることができる。

本発明の第 3の実施の形態について図面を参照して説明する。 図 4は、 本 発明の第 3の実施形態に係る再生器の構造を示す斜視図である。 図 4に示す ように、 榭脂フィルム 2の片面の全体には、 複数の微細な突起 2 aが規則正 しく設けられている。 この突起 2 aによって、 重なった樹脂フィルム 2の間 には隙間ができる。 そのため、 この隙間を通って矢印 Aのよ うに'、 円筒軸方 向 （一点鎖線 Bの方向） の髙温端 1 Hから低温端 1 C 又はその逆向きに 作動ガスが流れることになる。 特に、 再生器 1の高温端 1 H及ぴ低温端 1 C 周辺は、 熱エネルギーの再生に寄与する割合が高い。

図 4に示すよ うに、 樹脂フィルム 2の両面には、 この樹脂フィルム 2 より も熱伝導性の高い成分を含む樹脂層 3が、 再生器 1 の两端縁から所定幅部分 に第 2の実施形態と同様の加工によ り形成されている。

この実施の形態では、 榭脂フィルム 2上の樹脂層 3を再生器 1の両端縁か ら所定幅部分に形成したので、 全体に形成する場合よ りその面積が小さくな る。 その分、 熱伝導性の高い成分の使用量が少なく て済むため、 コス トダウ ンが図られる。 しかも、 この部分は熱エネルギーの再生に寄与する割合が高 いので、 再生器 1の性能が落ちるという こともほとんどない。

本発明の第 4の実施の形態について図面を参照して説明する。 図 5は、 本 発明の第 4の実施形態に係る再生器の構造を示す斜視図である。

図 5に示すように、 樹脂フィルム 2の両面には第 2の実施形態と同様の加 ェによ り、 この樹脂フィルム 2よ り も熱伝導性の高い成分を含む樹脂層 3が、 再生器 1 の両端縁から所定幅部分に円筒軸方向に所定の間隔を隔てて縞模 様状に形成されている。

この実施の形態では、 樹脂フィルム 2上の榭脂層 3を再生器 1の両端縁か ら所定幅部分に間隔を隔てて形成したので、 全体に形成する場合よ りその面 積が小さく なる。 その分、熱伝導性の高い成分の使用量が少なく て済むため、 コス トダウンが図られる。 しかも、 この部分は熱エネルギーの再生に寄与す る割合が高いので、 再生^: 1の性能が落ちるということもほとんどない。

なお、 上記の各実施の形態では、 樹脂フィルム 2の両面に樹脂層 3を形成 するものと して説明したが、 片面だけでももちろん構わない。 この場合は、 インクの使用量が減り、 コーティング工程も 1回で済むため、 コス トが大幅 に削減される。

本発明の第 5の実施の形態について図面を参照して説明する。 図 6は、 本 発明の第 5の実施形態に係る再生器の構造を示す斜視図である。

図 6に示すよ うに、 樹脂フィルム 2の両面には、 ポリエチレンなどの樹脂 膜 4が、 再生器 1の両端縁から所定幅部分に形成されている。 樹脂フィルム 2には、 あらかじめ、 その部分を除く 中央部にマスキングをしておく。 そし て、 榭脂材をィンク と して樹脂フィルム 2の両面に印刷加工することによ り、. コーティングを行う。 最後に、 マスキングを洗い流して剥がすことによ り、 樹脂膜 4を形成する。

この実施の形態によると、 樹脂膜 4を形成して樹脂フィルム 2の両側縁か ら所定幅部分、 即ち、 熱エネルギーの再生に寄与する割合が高い部分の厚み を厚く しているので、 蓄熱容量の增大による熱エネルギーの再生効率が良く なる上、 樹脂フィルム 2 を卷回した際にしわが発生しにく く なる。 よって、 再生器 1の性能が向上し安定する。

なお、 この実施の形態では、 榭脂フィルム 2の両面に樹脂膜 4を形成する ものと して説明したが、 片面だけでももちろん構わない。 この場合は、 イン クの使用量が減り、 コ^"ティング工程も 1回で済むため、 コス トが大幅に削 減される。

本発明の第 6の実施の形態について図面を参照して説明する。 図 7は、 本 発明の第 6の実施形態に係る再生器を示す拡大断面図である。 図 7に示すよ うに、 再生器 1 は、 2枚の帯状の樹脂フィルム 2 1， 2 2に、 後述する樹脂 層 3 をラ ミネー ト加工した複合樹脂フィルム 2 0を円筒型に巻回してなつ ている。 一方の樹脂フィルム' 2 1 の片面の全体には、 複数の微細な突起 2 a が規則正しく設けられている。 この突起 2 a によって、 図 7に示すよ うに、 重なった複合樹脂フィルム 2 0の間には隙間ができる。 そのため、 この隙間 を通って図 1の矢印 Aのように、 円筒軸方向の高温端 1 Hから低温端 1 Cへ、 又はその逆向きに作動ガスが流れることになる。

樹脂フィルム 2 2の片面には、 この樹脂ブイルム 2 2 よ り も熱伝導性の髙 い成分を含む樹脂層 3が薄膜と して形成されている。 樹脂フィルム 2 2の樹 脂層 3の形成面と、 榭脂フィルム 2 1の突起 2 aのない面とを密着させるよ うに、 2枚の樹脂フィルム 2 1 , 2 2を貼り合わせることにより、 樹脂層 3 のラミネ一 ト加工された複合樹脂フィルム 2 0が作製される。

この実施の形態による と、 樹脂層 3が外部に露出しないので、 温度変化、 圧力変動による脱落の恐れがなく 、 耐久性が大幅に向上する。 この場合、 ラ ミネー トする樹脂層 3を、 図 3のよ うに、 円筒軸方向に所定の間隔を隔てて 形成したり、 図 4のよ うに、再生器 1の両端縁から所定幅部分に形成したり、 図 5のよ うに、 再生器 1の両端縁から所定幅部分に円筒軸方向に所定の間隔 を隔てて形成することもできる。

ここでは、 樹脂層 3の形成方法と してすベてインクによる印刷と したが、 他の方法と して、 塗付、 蒸着、 メ ツキ、 薄膜テープ貼付けなどによっても構 わない。

なお、 上記と同様な構成を備えた再生器 1 を ドーナツ状の空間に配置し、 この空間をガスが往復流動するシステムと して構成することにより、 フリー ビス トン型スターリ ング冷凍機を代表例とする多様な流動ガスの熱再生シ ステムを実現できる。 産業上の利用可能性

以上説明したように本発明による と、 帯状の樹脂フィルムを円筒型に卷回 してなる再生器において、 前記榭脂フィルムの表面に、 この樹脂フィルムよ り も熱伝導率の高い層、 又は再生器の端縁から所定幅部分に樹脂膜を形成し ているので、 再生器の熱伝導性が高くなり且つ性能が安定する。 この再生器 を ドーナツ状空間に配置し、 流動ガスの熱再生システムを構成すると、 高温 の作動ガスが再生器の.一端面より流入することにより、 作動ガスの持つ熱は 榭脂フィルムに蓄熱されるが、 榭脂フィルム上の熱伝導率の高い層又は樹脂 膜によって再生器の熱伝導性が高く なっているので、 榭脂フィルムへの蓄熱 量を多くすることができる。 そして、 低温の作動ガスが再生器の他端面から 流入することにより、 樹脂フィルムに蓄熱された熱は作動ガスへ放熱される が、 樹脂フィルム上の熱伝導率の高い層又は樹脂膜によって再生器の熱伝導 性が高く、 熱容量も大きく なつているので、 作動ガスへの放熱量を多くする ことができる。 したがって、 熱エネルギーの再生効率が良く なる。

特に、 本発明の再生器をフリーピス トン型スターリ ング冷凍機に利用す,る ことで、 優れた冷却能力が得られるよ うになる。

Claims

請求の範囲

1 . 帯状の樹脂フィルムを卷回してなる円筒型の再生器において、 再生器 の少なく と も端縁から所定幅部分の榭脂フィルムを多層構造にしたことを 特徴とする再生器。

2 . 前記樹脂フィルムの表面に微小な突起が複数設けられていることを特 徴とする請求項 1に記載の再生器。

3 . 前記多層構造にする層の熱伝導率を前記榭脂フィルムより も高く した ことを特徴とする請求項 1 に記載の再生器。

4 . 前記熱伝導率の高い層は、 熱伝導率の高い成分を含む樹脂層であり、 その熱伝導率の高い成分は、 金、 銀、 銅、 アルミ、 カーボンの少なく とも 1 つの微粒子であることを特徴とする請求項 3に記載の再生器。

5 . 帯状の樹脂フィルムを卷回してなる円筒型の再生器において、 前記榭 脂フィルムの表面に、 前記樹脂フィルムよ り も熱伝導率の高い層を形成した ことを特徴とする再生器。 '

6 . 2枚の帯状の榭脂フィルム間に、 これらの樹脂フィルムより も熱伝導 率の高い層をラミネ一ト加工した帯状の樹脂フィルムを卷回 てなる円筒 型の再生器。

7 . 請求項 1〜 6のいずれかに記載の再生器を、 往復するガスの流路に配 設したことを特徴とする流動ガスの熱再生システム。