| 【発明の名称】 |
スターリング機関 |
| 【発明者】 |
【氏名】田中 章三
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| 【要約】 |
【課題】製造が容易で低コストな構成の再生器を用いてガス漏れ損失を低減し、該再生器での熱交換効率を向上させたスターリング機関を提供することである。
【解決手段】スターリング機関の再生器１を、円筒ボビン３と、円筒ボビン３の外周面に巻回された樹脂フィルム２と、樹脂フィルム２の外周に設けられ縦方向にスリット５が形成された薄肉円筒４とを備え、樹脂フィルム２の一端が、円筒ボビン３の外周面に固着され、樹脂フィルム２の他端が、スリット５から外部へ引き出されてスリット５の端面に固着され、樹脂フィルム２の層間を作動ガスが流動する構成とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧縮空間と膨張空間との間に配設され両空間を往復する作動ガスの流路になるとともに、前記作動ガスから熱量を回収または放出する再生器を備えたスターリング機関において、前記再生器は、ボビンと、該ボビンの外周面に密着するように巻回された樹脂フィルムと、該樹脂フィルムの外周に密着するように設けられた筒とを備え、前記樹脂フィルムの層間を前記作動ガスが流動することを特徴とするスターリング機関。
【請求項２】 圧縮空間と膨張空間との間に配設され両空間を往復する作動ガスの流路になるとともに、前記作動ガスから熱量を回収または放出する再生器を備えたスターリング機関において、前記再生器は、ボビンと、該ボビンの外周面に巻回された樹脂フィルムと、該樹脂フィルムの外周に設けられ縦方向にスリットが形成された筒とを備え、前記樹脂フィルムの一端が、前記ボビンの外周面に固着され、前記樹脂フィルムの他端が、前記スリットから外部へ引き出されて前記スリットの端面または前記筒の外周面に固着され、前記樹脂フィルムの層間を前記作動ガスが流動することを特徴とするスターリング機関。
【請求項３】 圧縮空間と膨張空間との間のシリンダに内設され両空間を往復する作動ガスの流路になるとともに、前記作動ガスから熱量を回収または放出する再生器を備えたスターリング機関において、前記再生器は、ボビンと、該ボビンの外周面に巻回された樹脂フィルムと、該樹脂フィルムの外周に設けられ縦方向にスリットが形成された筒とを備え、前記樹脂フィルムの一端が、前記ボビンの外周面に固着され、前記樹脂フィルムの他端が、前記スリットから外部へ引き出されて前記スリットの端面または前記筒の外周面に固着され、前記筒が前記シリンダの内周面に圧着され、前記樹脂フィルムの層間を前記作動ガスが流動することを特徴とするスターリング機関。
【請求項４】 前記筒の外周面に２以上のＯリングを装着することにより、前記筒と前記シリンダとの隙間をなくしたことを特徴とする請求項３記載のスターリング機関。
【請求項５】 前記筒と前記シリンダとの間を接着剤で埋めることにより、前記筒と前記シリンダとの隙間をなくしたことを特徴とする請求項３記載のスターリング機関。
【請求項６】 前記筒の片端または両端に折り返し部を設け、該折り返し部を前記樹脂フィルム側へ折り返すことにより、前記樹脂フィルムを固定したことを特徴とする請求項１〜５何れかに記載のスターリング機関。
【請求項７】 前記筒が高断熱材により形成されたことを特徴とする請求項１〜６何れかに記載のスターリング機関。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、再生器での熱交換効率を向上させたスターリング機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のスターリング機関の再生器としては、例えば図６に示すように、表面に極小凹凸１１を形成した樹脂フィルム２を円筒ボビン３の外周に巻回し、樹脂フィルム２間に空隙を設けてなるものがある。この空隙は、樹脂フィルム２の層間に極小凹凸１１が存することにより生じる。図７は、この再生器１を挿設したフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の側断面図である。まず、このフリーピストン型スターリング冷凍機１４の構成および動作について説明する。
【０００３】図７に示すように、フリーピストン型スターリング冷凍機１４は、ヘリウム等の作動ガスが封入されたシリンダ６と、シリンダ６内を膨張空間２０と圧縮空間１９とに区画するディスプレーサ１７及びピストン１８と、ピストン１８を往復動させるためのリニアモータ２１と、膨張空間２０側に設けられ外部から熱を奪う吸熱器１２と、圧縮空間１９側に設けられ外部に熱を放出する放熱器１３とを備えている。
【０００４】なお、図７において、２２、２３はそれぞれディスプレーサ１７及びピストン１８を支持し、弾性力によってこれらのディスプレーサ１７及びピストン１８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、フリーピストン型スターリング冷凍機１４の外部との熱のやりとりを促進する役目を果たす。そして、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。
【０００５】上記の構成で、リニアモータ２１を駆動させると、それに伴いピストン１８がシリンダ６内部を上方に移動し、圧縮空間１９内の作動ガスが圧縮される。このとき、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。
【０００６】やがて、ピストン１８と所定の位相差を保って往復動するディスプレーサ１７が下方に移動し始め、圧縮空間１９内の作動ガスは再生器１を通じて膨張空間２０内へ送られる。その際、作動ガスのもつ熱量が再生器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。
【０００７】次にピストン１８が下方に移動し、膨張空間２０内の作動ガスが膨張する。このとき、作動ガスは降温するが、吸熱用熱交換器１６を介して吸熱器１２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。
【０００８】やがて、ディスプレーサ１７が上昇を始め、膨張空間２０内の作動ガスは再生器１を通じて再び圧縮空間１９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。この一連の逆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１２では外気から熱が吸収されるため、徐々に低温になる。
【０００９】このように圧縮空間１９と膨張空間２０との間で、作動ガスを再生器１を介して往復動させて吸熱器１２から冷熱を取り出すスターリング冷凍機では、再生器１内において、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、そのとき再生器１での蓄熱量が多いほど熱量の有効活用がなされるためスターリング冷凍機の性能向上につながる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した再生器１の構成では、円筒ボビン３の外周に巻回した樹脂フィルム２をフリーピストン型スターリング冷凍機１４に挿設する際に、樹脂フィルム２の外周面をシリンダ６の内周面に固定しないため、樹脂フィルム２の外周面とシリンダ６の内周面との間で作動ガス漏れが生じ易く、漏れた作動ガスは再生器１内で熱交換を行わずに圧縮空間１９と膨張空間２０との間を流動するため、熱損失が大きく、スターリング機関の性能低下要因となる。
【００１１】本発明は、上記の問題点に鑑み、製造が容易で低コストな構成の再生器を用いてガス漏れ損失を低減し、該再生器での熱交換効率を向上させたスターリング機関を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、第１の発明は、圧縮空間と膨張空間との間に配設され両空間を往復する作動ガスの流路になるとともに、前記作動ガスから熱量を回収または放出する再生器を備えたスターリング機関において、前記再生器は、ボビンと、該ボビンの外周面に密着するように巻回された樹脂フィルムと、該樹脂フィルムの外周に密着するように設けられた筒とを備え、前記樹脂フィルムの層間を前記作動ガスが流動する構成とする。
【００１３】第２の発明は、圧縮空間と膨張空間との間に配設され両空間を往復する作動ガスの流路になるとともに、前記作動ガスから熱量を回収または放出する再生器を備えたスターリング機関において、前記再生器は、ボビンと、該ボビンの外周面に巻回された樹脂フィルムと、該樹脂フィルムの外周に設けられ縦方向にスリットが形成された筒とを備え、前記樹脂フィルムの一端が、前記ボビンの外周面に固着され、前記樹脂フィルムの他端が、前記スリットから外部へ引き出されて前記スリットの端面または前記筒の外周面に固着され、前記樹脂フィルムの層間を前記作動ガスが流動する構成とする。
【００１４】第３の発明は、圧縮空間と膨張空間との間のシリンダに内設され両空間を往復する作動ガスの流路になるとともに、前記作動ガスから熱量を回収または放出する再生器を備えたスターリング機関において、前記再生器は、ボビンと、該ボビンの外周面に巻回された樹脂フィルムと、該樹脂フィルムの外周に設けられ縦方向にスリットが形成された筒とを備え、前記樹脂フィルムの一端が、前記ボビンの外周面に固着され、前記樹脂フィルムの他端が、前記スリットから外部へ引き出されて前記スリットの端面または前記筒の外周面に固着され、前記筒が前記シリンダの内周面に圧着され、前記樹脂フィルムの層間を前記作動ガスが流動する構成とする。
【００１５】第４の発明は、第３の発明において、前記筒の外周面に２以上のＯリングを装着することにより、前記筒と前記シリンダとの隙間をなくした構成とする。
【００１６】第５の発明は、第３の発明において、前記筒と前記シリンダとの間を接着剤で埋めることにより、前記筒と前記シリンダとの隙間をなくした構成とする。
【００１７】第６の発明は、第１から第５の発明において、前記筒の片端または両端に折り返し部を設け、該折り返し部を前記樹脂フィルム側へ折り返すことにより、前記樹脂フィルムを固定した構成とする。
【００１８】第７の発明は、第１から第６の発明において、前記筒が高断熱材により形成された構成とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下の実施形態においては、再生器１の構成以外は、図７に示した従来のフリーピストン型スターリング冷凍機１４と同様であるため、その共通の名称の部材については同符号を付し、重複する説明を省略する。そして、本発明におけるボビンとは、略円筒状または略円柱状であり、樹脂フィルムを巻回する芯となるものを指す。
【００２０】〈第１の実施形態〉図１に、第１の実施形態に用いる再生器１の製造過程の斜視図を示す。固定台２５を貫通した円筒ボビン３に、円筒ボビン３よりも径の大きい薄肉円筒４を被せ、薄肉円筒４は固定具２４によって、固定台２５に固定される。ここで、薄肉円筒４には縦方向にスリット５が設けられている。
【００２１】次に、樹脂フィルム２の一端をスリット５から挿入して円筒ボビン３の外周面に固着し、円筒ボビン３を矢印Ｆ１の方向へ回転させることで樹脂フィルム２は矢印Ｆ２のようにスリット５へ挿入され、円筒ボビン３の外周面に巻回される。そして、巻回された樹脂フィルム２が薄肉円筒４の内周面に到達したとき、円筒ボビン３の回転を停止し、樹脂フィルム２を切断し、その端部をスリット５の端面または薄肉円筒４の外周面に固着する。
【００２２】そして、固定台２５から一体化した薄肉円筒４、樹脂フィルム２、および円筒ボビン３を取り外し、余分な円筒ボビン３を切断して図２のような再生器１を得る。この再生器１を図７のシリンダ６の内周面に圧着することで、樹脂フィルム２の層間を作動ガスが流動するフリーピストン型スターリング冷凍機を得ることができる。
【００２３】この構成によれば、樹脂フィルム２が薄肉円筒４の内周面に到達するまで円筒ボビン３に巻回されているので、樹脂フィルム２と薄肉円筒４および円筒ボビン３との間に隙間を生じることがなく、作動ガス漏れが生じないため、再生器１内での熱交換効率が向上する。また、再生器１を図７のシリンダ６の内周面に圧着しているので、薄肉円筒４とシリンダ６との隙間を小さくできるため、再生器１外への作動ガス漏れが防止できる。
【００２４】なお、樹脂フィルム２の形状としては、図６に示した従来品の形状を採用することができる。また樹脂フィルム２の材料としては、比熱が大きく、熱伝導性が低く、耐熱性が高く、吸湿性が低いポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリイミドなどを用いることが好ましい。
【００２５】また、円筒ボビン３または薄肉円筒４への樹脂フィルム２の固着方法としては、特に限定はなく、例えば接着剤による接着や溶着などを用いることができる。
【００２６】また、円筒ボビン３を円柱ボビンとした再生器（不図示）をシリンダ６に外設してもよい。
【００２７】〈第２の実施形態〉フリーピストン型スターリング冷凍機の運転中は、圧縮加熱および膨張冷却された作動ガスが再生器１中を往復流動する。このとき、樹脂フィルム２と作動ガス間で熱交換による熱の授受が行われるが、薄肉円筒４の内周面付近を流動する作動ガスの熱量は薄肉円筒４を通じてシリンダ６へ熱伝導により伝播され散逸するためシリンダ６内の熱損失が生じ、冷凍機としての性能が低下する。
【００２８】そこで、実施形態２は、実施形態１において薄肉円筒４を高断熱材により形成してなるものである。前記高断熱材としては、例えばポリカーボネート等の樹脂、セラミックなどを用いることができる。
【００２９】このような構成によれば、再生器１内を流動する作動ガスの熱量は薄肉円筒４で遮断され、シリンダ６への熱伝導は生じないため、再生器１の蓄熱性が向上し、熱交換効率の向上に繋がる。
【００３０】〈第３の実施形態〉図３は、第３の実施形態に用いる再生器１の周辺部の側断面図である。第３の実施形態は、第１の実施形態において、再生器１の外周面、即ち薄肉円筒４の外周面にＯリング８、８’を装着し、薄肉円筒４とシリンダ６との間を密閉している。
【００３１】これにより、薄肉円筒４の外周面とシリンダ６の内周面との間からの作動ガス漏れを防止することができる。また、Ｏリング８、８’は再生器１の両端部にそれぞれ装着することで、薄肉円筒４とシリンダ６との間に空間層が形成されるため、作動ガスの熱量は空間層で遮断され、薄肉円筒４を通じてシリンダ６へ熱伝導により伝播され散逸することがなくなり、再生器１の蓄熱性が向上し、熱交換効率の向上に繋がる。
【００３２】なお、Ｏリング８、８’間に更に１つ以上のＯリングを装着することで、作動ガス漏れの防止効果を更に向上させることができ、また各Ｏリングに掛かる負荷も分散させることができる。
【００３３】〈第４の実施形態〉図４は、第４の実施形態に用いる再生器１の周辺部の側断面図である。第４の実施形態は、第１の実施形態において、再生器１とシリンダ６との間、即ち薄肉円筒４とシリンダ６との間を接着剤９で埋めることにより、再生器１とシリンダ６との隙間をなくしている。
【００３４】これにより、薄肉円筒４の外周面とシリンダ６の内周面との間からの作動ガス漏れを防止することができる。また、薄肉円筒４とシリンダ６との間に接着剤９の樹脂層が形成されるため、作動ガスの熱量は接着剤９の樹脂層で遮断され、薄肉円筒４を通じてシリンダ６へ熱伝導により伝播され散逸することがなくなり、再生器１の蓄熱性が向上し、熱交換効率の向上に繋がる。
【００３５】なお、接着剤９の塗布位置は、図４のように薄肉円筒４の外周面全面に塗布する他に、第３の実施形態のＯリングと同様に薄肉円筒４の外周面を１周覆うように複数の塗布位置を設けてもよい。これにより、作動ガスの熱量は接着剤の樹脂層と空間層とで遮断されることになる。
【００３６】〈第５の実施形態〉図５は、第５の実施形態に用いる再生器１の斜視図である。第５の実施形態は、第１の実施形態において、薄肉円筒４の片端または両端に突起した折り返し部１０（図５では４箇所）を設け、折り返し部１０を樹脂フィルム２側へ折り返すことにより、樹脂フィルム２の上下方向の移動を固定している。
【００３７】これにより、フリーピストン型スターリング冷凍機１４の運転中に、樹脂フィルム２の層間を流動する作動ガスにより樹脂フィルム２が上下方向に移動することがなくなり、作動ガスの無効仕事を減少することができ、熱交換効率が向上して冷凍機としての性能向上に繋がる。
【００３８】なお、折り返し部１０の数や形状には特に限定はなく、樹脂フィルム２の上下方向の移動を固定でき、作動ガスの流動を妨げない程度の面積であればよい。
【００３９】
【発明の効果】本発明によれば、再生器は、ボビンの外周面に密着するように樹脂フィルムが巻回され、さらに、樹脂フィルムの外周に密着するように筒を設けた構成としているので、樹脂フィルムと筒およびボビンとの間に隙間を生じることがなく、作動ガス漏れが生じないため、再生器内での熱交換効率を向上させたスターリング機関を得ることができる。
【００４０】また本発明によれば、再生器は、ボビンと、該ボビンの外周面に巻回された樹脂フィルムと、該樹脂フィルムの外周に設けられ縦方向にスリットが形成された筒とを備え、前記樹脂フィルムの一端が、前記ボビンの外周面に固着され、前記樹脂フィルムの他端が、前記スリットから外部へ引き出されて前記スリットの端面または前記筒の外周面に固着されているので、樹脂フィルムと筒およびボビンとの隙間を小さくできるため、再生器内での熱交換効率を向上させたスターリング機関を得ることができる。
【００４１】また本発明によれば、再生器をシリンダの内周面に圧着しているので、再生器とシリンダとの隙間を小さくできるため、再生器外への作動ガス漏れが防止できる。
【００４２】また本発明によれば、再生器の外周面にＯリングを装着し、再生器とシリンダとの隙間をなくすことで、再生器とシリンダとの間からの作動ガス漏れを防止することができ、また再生器とシリンダとの間に空間層が形成されるため、作動ガスの熱量は空間層で遮断され、筒を通じてシリンダへ熱伝導により伝播され散逸することがなくなり、再生器内での熱交換効率を向上させたスターリング機関を得ることができる。
【００４３】また本発明によれば、再生器とシリンダとの間を接着剤で埋め、再生器とシリンダとの隙間をなくすことで、再生器とシリンダとの間からの作動ガス漏れを防止することができ、また再生器とシリンダとの間に接着剤の樹脂層が形成されるため、作動ガスの熱量は樹脂層で遮断され、筒を通じてシリンダへ熱伝導により伝播され散逸することがなくなり、再生器内での熱交換効率を向上させたスターリング機関を得ることができる。
【００４４】また本発明によれば、筒の片端または両端に突起した折り返し部を設け、その折り返し部を樹脂フィルム側へ折り返すことにより、樹脂フィルムの上下方向の移動を固定することで、作動ガスの流動の際の無効仕事を減少することができ、熱交換効率を向上させたスターリング機関を得ることができる。
【００４５】また本発明によれば、スリットを有した筒を高断熱材により形成しているので、再生器内を流動する作動ガスの熱量は筒で遮断され、シリンダへの熱伝導は生じないため、再生器内での熱交換効率を向上させたスターリング機関を得ることができる。
【００４６】また本発明によれば、再生器は、ボビンと筒との間に樹脂フィルムを巻回した簡単な構成であるので、製造が容易で低コストなスターリング機関を得ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５０４９
【氏名又は名称】シャープ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１１月３０日（２０００．１１．３０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８５５０１
【弁理士】
【氏名又は名称】佐野 静夫
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６８５３８（Ｐ２００２−１６８５３８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月１４日（２００２．６．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３６４９５２（Ｐ２０００−３６４９５２） |
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