(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング機関の圧縮空間と膨張空間とを連通する通路上に配された蓄熱体により、前記通路内を往復運動する作動ガスの保有する熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動ガスに供給するスターリング機関の再生器において、平板状の基台上に複数の板状部材を等間隔に立設して形成した前記蓄熱体を、前記板状部材が外側に向けて放射状になるように前記基台を環状にして配置したことを特徴とするスターリング機関の再生器。
【請求項２】
前記板状部材の先端が前記通路内壁に接するとともに、前記板状部材の断面形状を曲線状に変形させ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の再生器。
【請求項３】
前記板状部材の厚みは根本と先端とが同一または先端ほど細くしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスターリング機関の再生器。
【請求項４】
前記板状部材の側壁に作動ガスの進行方向と平行な溝または突起を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいづれかに記載のスターリング機関の再生器。
【請求項５】
前記蓄熱体は直列に配されて材質の異なる第１、第２の蓄熱体から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいづれかに記載のスターリング機関の再生器。
【請求項６】
第１の蓄熱体を金属材料で形成し、第２の蓄熱体を樹脂材料で形成するとともに、第１の蓄熱体を前記圧縮空間側に配置したことを特徴とする請求項５に記載のスターリング機関の再生器。
【請求項７】
前記蓄熱体は直列に配されて前記板状部材の間隔の異なる第１、第２の蓄熱体から成り、該間隔の広い方を前記圧縮空間側に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいづれかに記載のスターリング機関の再生器。
【請求項８】
前記蓄熱体の表面を蓄熱性材料によりコーティングしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいづれかに記載のスターリング機関の再生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスターリングサイクルや逆スターリングサイクルを利用したスターリング機関に用いられる再生器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリングエンジン、スターリング冷凍機、ヴィルミエヒートポンプなどのスターリングサイクルや逆スターリングサイクルを利用したスターリング機関の概略構造を、図７の概略断面図に示すようなスターリング冷凍機を参照して説明する。先端が冠状のコールドヘッド１は外側シリンダー２と外嵌して外側シリンダー２の前端部を密閉し、外側シリンダー２の内側には内側シリンダー３が同軸に配されている。
【０００３】
内側シリンダー３の内部にはディスプレーサ４と圧縮ピストン５が軸方向に移動可能なように並べて嵌入され、圧縮ピストン５の駆動部５ａがリニアモータ７によって駆動されて圧縮ピストン５が往復運動可能になっている。圧縮ピストン５は後端で板バネ８と一体化され、ディスプレーサ４は圧縮ピストン５の中心を貫通するロッド部４ａを介して板バネ６と一体化されている。板バネ６と板バネ８とはボルト１３により連結されており、圧縮ピストン５が往復運動するとディスプレーサ４はその慣性力によって圧縮ピストン５に対して所定の位相差を有して往復運動を行うようになっている。
【０００４】
内側シリンダー３の略中央部におけるディスプレーサ４と圧縮ピストン５との間には圧縮空間９が形成され、内側シリンダー３の前端部には膨張空間１０が形成されている。内側シリンダー３の前部３ａと後部３ｂとの間には圧縮空間９と連通する開口部３ｃが設けられ、内側シリンダー３とコールドヘッド１との間には膨張空間１０と連通する隙間１４が設けられている。
【０００５】
内側シリンダー３の外壁と外側シリンダー２の内壁との間は開口部３ｃ及び隙間１４を介して圧縮空間９と膨張空間１０とを連通させる通路１２を形成しており、圧縮空間９、膨張空間１０及び通路１２内にはヘリウムなどの作動ガスが充填されている。そして、通路１２内には作動ガスの熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動ガスに供給するような蓄熱体を配した再生器１１が設けられている。
【０００６】
このようなスターリング冷凍機は、リニアモータ７によって圧縮ピストン５が往復運動すると所定の位相差でディスプレーサ４が往復運動して圧縮空間９と膨張空間１０の間を作動ガスが移動して逆スターリングサイクルが行われる。そして、圧縮空間９で作動ガスが圧縮されることによって発生した熱は通路１２の熱交換部１２ａを介して大気中へ放出され、更に作動ガスは再生器１１に熱を蓄積して膨張空間１０へ移動する。
【０００７】
再生器１１により冷却された作動ガスは膨張空間１０で膨張することによって更に冷却され、コールドヘッド１を介して冷却対象との間で熱交換を行う。そして、作動ガスが通路１２を通じて圧縮空間９へ移動する際に再生器１１に蓄えられた熱を奪って再生器１１を冷却する。この動作を繰り返して冷凍が行われる。
【０００８】
このようなスターリング機関において、再生器１１内に配される蓄熱体の形状及び製造方法には種々の提案がなされている。特開平２−１４３０５８号公報では金属製の金網を多数重ねて蓄熱体を形成して再生器内に配置する方法が開示されている。特開平７−１５１４０２号公報及び特開平７−２６０３８０号公報に開示された再生器は、金属細線を編んだものを圧縮成形して蓄熱体を得るようになっている。また、実開平４−１２９０６７号公報及び特開平６−２４９０６６号公報に開示された再生器は、多数の細管及び中実棒を密に束ねて長手方向を作動ガスの進行方向と平行に再生器内に充填するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平２−１４３０５８号公報、特開平７−１５１４０２号公報及び特開平７−２６０３８０号公報に開示された蓄熱体は、作動ガスの流路の断面積を断面内及び長手方向において均一に形成するのが困難であるため、作動ガスの圧力が再生器内で不均一になるとともに個体差が生じる。その結果、再生器の圧力損失が大きくなって蓄熱効率を低下させるとともに、再生器の圧力損失に個体差が生じて性能のばらつきが大きくなる問題があった。
【００１０】
また、実開平４−１２９０６７号公報及び特開平６−２４９０６６号公報に開示された蓄熱体は直径が約０．２ｍｍ程度の細い多数の細管または中実棒を平行かつ密に再生器内に充填することが困難であり製造コストが高くなる欠点があった。また、細管または中実棒の部分的な変形により圧力損失が大きくなり、再生器の蓄熱効率を低下させるとともに、性能にばらつきが生じる問題があった。
【００１１】
本発明は、蓄熱効率を向上させることのできるスターリング機関の再生器を提供するとともに、蓄熱効率に個体差のない再生器を低コストで簡単に得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請求項１に記載された発明は、スターリング機関の圧縮空間と膨張空間とを連通する通路上に配された蓄熱体により、前記通路内を往復運動する作動ガスの保有する熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動ガスに供給するスターリング機関の再生器において、平板状の基台上に複数の板状部材を等間隔に立設して一体に形成した前記蓄熱体を、前記板状部材が外側に向けて放射状になるように前記基台を環状にして配置したことを特徴としている。
【００１３】
この構成によると、蓄熱体は、平板状の基台を環状に変形して板状部材の長手方向が作動ガスの進行方向に沿うように再生器内に挿入される。作動ガスは放射状に配された複数の板状部材の間の空間を通って、圧縮空間から膨張空間へ移動する際に熱を板状部材及び基台に吸収蓄積され、膨張空間から圧縮空間へ移動する際に蓄積された熱を板状部材及び基台から奪って蓄熱体を冷却する。
【００１４】
また請求項２に記載された発明は、請求項１に記載されたスターリング機関の再生器において、前記板状部材の先端が前記通路内壁に接するとともに、前記板状部材の断面形状を曲線状に変形させたことを特徴としている。
【００１５】
この構成によると、蓄熱体は、平板状の基台を環状に変形し、環状にされる基台の半径と再生器の内半径との差よりも板状部材の高さが高くなるように形成され、板状部材が弧を成して先端が再生器の内壁に接するように再生器内に挿入される。作動ガスは放射状に配された複数の板状部材の間の空間を通って、圧縮空間から膨張空間へ移動する際に熱を板状部材及び基台に吸収蓄積され、膨張空間から圧縮空間へ移動する際に蓄積された熱を板状部材及び基台から奪って蓄熱体を冷却する。
【００１６】
また請求項３に記載された発明は、請求項１または請求項２に記載されたスターリング機関の再生器において、前記板状部材の厚みは根本と先端とが同一または先端ほど細くしたことを特徴としている。この構成によると、板状部材の厚みは一定または再生器の外周に向かうに従って細くなっている。そして、蓄熱体に蓄えられた熱の再生器の外周方向への移動を抑制している。
【００１７】
また請求項４に記載された発明は、請求項１乃至請求項３のいづれかに記載されたスターリング機関の再生器において、前記板状部材の側壁に作動ガスの進行方向と平行な溝または突起を形成したことを特徴としている。
【００１８】
この構成によると、蓄熱体は、平板状の基台を環状に変形して板状部材の長手方向が作動ガスの進行方向に沿うように再生器内に挿入される。作動ガスは放射状に配された複数の板状部材の間の空間を通って、圧縮空間から膨張空間へ移動する際には側壁面、溝部または突起部を介して板状部材及び基台に熱を吸収蓄積され、膨張空間から圧縮空間へ移動する際には側壁面、溝部または突起部を介して蓄積された熱を板状部材及び基台から奪って蓄熱体を冷却する。
【００１９】
また請求項５に記載された発明は、請求項１乃至請求項４のいづれかに記載されたスターリング機関の再生器において、前記蓄熱体は直列に配されて材質の異なる第１、第２の蓄熱体から成ることを特徴としている。
【００２０】
この構成によると、第１、第２の蓄熱体は、平板状の基台を環状に変形して板状部材の長手方向が作動ガスの進行方向に沿うように再生器内に直列に挿入される。作動ガスは放射状に配された第１、第２の蓄熱体の複数の板状部材の間の空間を通って、圧縮空間から膨張空間へ移動する際に熱を板状部材及び基台に吸収蓄積され、膨張空間から圧縮空間へ移動する際に蓄積された熱を板状部材及び基台から奪って第１、第２の蓄熱体を冷却する。
【００２１】
また請求項６に記載された発明は、請求項５に記載されたスターリング機関の再生器において、第１の蓄熱体を金属材料で形成し、第２の蓄熱体を樹脂材料で形成するとともに、第１の蓄熱体を前記圧縮空間側に配置したことを特徴としている。
【００２２】
この構成によると、第１、第２の蓄熱体は、平板状の基台を環状に変形して板状部材の長手方向が作動ガスの進行方向に沿うように再生器内に直列に挿入される。作動ガスは放射状に配された複数の板状部材の間の空間を通って、圧縮空間から膨張空間へ移動する際には、金属材料から成る第１の蓄熱体の板状部材及び基台に熱を吸収蓄積された後、樹脂材料から成る第２の蓄熱体の板状部材及び基台に熱を吸収蓄積される。そして、膨張空間から圧縮空間へ移動する際には、樹脂材料から成る第２の蓄熱体の板状部材及び基台から熱を奪った後、金属材料から成る第１の蓄熱体の板状部材及び基台から熱を奪う。
【００２３】
また請求項７に記載された発明は、請求項１乃至請求項４のいづれかに記載されたスターリング機関の再生器において、前記蓄熱体は直列に配されて前記板状部材の間隔の異なる第１、第２の蓄熱体から成り、該間隔の広い方を前記圧縮空間側に配置したことを特徴としている。
【００２４】
この構成によると、第１、第２の蓄熱体は、平板状の基台を環状に変形して板状部材の長手方向が作動ガスの進行方向に沿うように再生器内に直列に挿入される。作動ガスは放射状に配された複数の板状部材の間の空間を通って、圧縮空間から膨張空間へ移動する際には、第１の蓄熱体の間隔の広い板状部材及び基台に熱を吸収蓄積された後、第２の蓄熱体の間隔の狭い板状部材及び基台に熱を吸収蓄積される。そして、膨張空間から圧縮空間へ移動する際には、第２の蓄熱体の間隔の狭い板状部材及び基台から熱を奪った後、第１の蓄熱体の間隔の広い板状部材及び基台から熱を奪う。
【００２５】
また請求項８に記載された発明は、請求項１乃至請求項７のいづれかに記載されたスターリング機関の再生器において、前記蓄熱体の表面を蓄熱性材料によりコーティングしたことを特徴としている。
【００２６】
この構成によると、蓄熱体は、平板状の基台を環状に変形して板状部材の長手方向が作動ガスの進行方向に沿うように再生器内に挿入される。作動ガスは放射状に配された複数の板状部材の間の空間を通って、圧縮空間から膨張空間へ移動する際にコーティングされた蓄熱性材料を介して板状部材及び基台に熱を吸収蓄積され、膨張空間から圧縮空間へ移動する際にコーティングされた蓄熱性材料を介して板状部材及び基台から熱を奪う。ここで蓄熱性材料は無機質材料、黒色耐熱性塗料、放射率及び吸収率を最適に調整された選択吸収膜等を指す。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図を参照して説明する。図１、図２は本発明の実施形態のスターリング機関の再生器を示す概略断面図及び概略斜視図である。前述の図７に示すスターリング機関の内側シリンダー２と外側シリンダー３との間に形成された作動ガスが通る通路１２内に蓄熱体２１が配されて再生器１１を形成している。
【００２８】
蓄熱体２１は内側シリンダー２の外壁３ｄに沿って環状を成す基台２１ａ上に多数のフィン２１ｂが放射状に形成されており、各フィン２１ｂ，・・・・の間は作動ガスが通る流体通路１２’になっている。そして、作動ガスは流体通路１２’を通って圧縮空間９から膨張空間１０（図７参照）へ移動する際に、基台２１ａ及びフィン２１ｂと接触して作動ガスが保持する熱を蓄熱体２１に蓄積するとともに、膨張空間１０から圧縮空間９へ移動する際に基台２１ａ及びフィン２１ｂと接触して蓄積された熱を蓄熱体２１から吸収する。
【００２９】
このような蓄熱体２１は図３、図４の断面図及び斜視図に示すように、平板状の基台２１ａ上に板状のフィン２１ｂが等間隔に立設する櫛歯状に押出成形加工によって形成し、この基台２１ａを図１のように環状に丸めて通路１２内に挿入することで得ることができる。
【００３０】
フィン２１ａの厚みｔは０．１ｍｍから１ｍｍの範囲とし、フィン２１ｂの間隔ｗは０．１ｍｍから２ｍｍの範囲とすると、作動ガスとの大きな接触面積を確保するとともに圧力損失を抑制することができ、高い蓄熱効率を得ることができる。更にフィン２１ａの厚みｔ及び間隔ｗを０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲にするとより蓄熱効率を向上させることができるので望ましい。
【００３１】
蓄熱体２１は金属材料や樹脂材料を押出成形加工によって形成することができるので、厚みの薄いフィン２１ｂを簡単に等間隔かつ平行に精度良く形成することが可能で、長さＬについても押出成形加工した長尺の蓄熱体２１を切断することによって簡単に所望の長さＬにすることが可能である。従って、再生器１１の製造コストを削減することができるとともに、再生器１１の断面内及び長さ方向共に作動ガスの圧力が均一になり、作動ガスの流量に個体差が生じることなくばらつきの少ない再生器１１を得ることができる。
【００３２】
更に、フィン２１ｂの断面形状は、前述の図３に示すように根本部分と先端部分の厚みｔを同一にするか、あるいは図５に示すように先端ほど細くすることによって、再生器１１内で蓄熱体２１は放射状に設置されることから、蓄熱体２１の密度が再生器１１内の外周部ほど小さくなる。従って、外側シリンダ２から大気中へ放熱する熱リークを低減することができ、更に蓄熱効率を向上させることができる。
【００３３】
本実施形態では、基台２１ａを含む蓄熱体２１の高さｈは、外側シリンダ２の内径Ｒ１（図１参照）と、環状にした際の基台２１ａの内径Ｒ２（本実施形態では内側シリンダ３の外形と等しい。）との差よりも大きくすることで、図１のようにフィン２１ｂは外側シリンダ２の内壁２ａに接するとともに、弧状に撓んで再生器１１内に設置されている。
【００３４】
このようにすると、限られた径の外側シリンダ２内に表面積の大きなフィン２１ｂを設置することが可能で、フィン２１ｂの作動ガスとの接触面積を大きくして蓄熱効率を向上させることができる。更に、図６の断面図に示すようにフィン２１ｂの側壁２１ｅに溝２１ｃや突起２１ｄを設けると作動ガスとの接触面積がより大きくなるので望ましい。
【００３５】
また、蓄熱体２１は、比熱の大きな無機質材料や、放射率の小さい黒色耐熱塗料、放射率及び吸収率を最適に調整した選択吸収膜などの蓄熱性材料を表面にコーティングしてもよく、熱容量を向上させて蓄熱効率を向上させることが可能である。
【００３６】
次に、先に述べたように蓄熱体２１は簡単に所望の長さＬに形成することができるので、再生器１１内に２種類の蓄熱体２１を所望の長さで直列に配置することが簡単にできる。
【００３７】
高温となる再生器１１の圧縮空間９（図７参照）側に金属材料から成る蓄熱体を配置し、低温となる再生器１１の膨張空間１０側に樹脂材料から成る蓄熱体を配置すると、高温側で樹脂材料を使用した際の熱変形を防止することができるとともに、金属材料よりも比熱の大きな樹脂材料により蓄熱効率を向上させることができるようになる。金属材料及び樹脂材料は比熱の大きなステンレス、ハステロイ、銅、アルミニウム等及びポリエステル、ナイロン、ウレタン等が望ましく、再生器１１の圧縮空間９側には耐熱性の樹脂材料により形成した蓄熱体を設置してもよい。
【００３８】
また、高温となる再生器１１の圧縮空間９側に配置する蓄熱体のフィン２１ｂの間隔ｗ（図３参照）を膨張空間１０側に配置する蓄熱体のフィン２１ｂの間隔ｗよりも大きくしてもよい。このようにすると、ヘリウムなど作動ガスが高温になって粘性が大きくなることによって生じる圧力損失の増大を防止し蓄熱効率を向上させることができる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、蓄熱体は押出成形加工によって形成することができるので、厚みの薄いフィンを簡単に等間隔かつ平行に精度良く形成することが可能で、長さについても押出成形加工した長尺の蓄熱体を切断することによって簡単に所望の長さにすることが可能である。従って、再生器の製造コストを削減することができるとともに、再生器の断面内及び長さ方向の作動ガスの圧力が均一になり、作動ガスの流量に個体差が生じることなくばらつきの少ない再生器を得ることができる。
【００４０】
請求項２の発明によると、フィンは外側シリンダの内壁に接するとともに、弧状に撓んで再生器内に設置されるように高さを高く形成されるので、外径の限られた再生器内に表面積の大きなフィンを設置することができるようになり、作動ガスとの接触面積が大きくなって蓄熱効率を向上させることができる。
【００４１】
請求項３の発明によると、フィンの断面形状は、根本部分と先端部分の厚みを同一にするか、あるいは先端ほど細くすることによって、再生器内で蓄熱体は放射状に設置されることから、蓄熱体の密度が再生器内の外周部ほど小さくなる。従って、再生器の外壁から大気中へ放熱する熱リークを低減することができ、蓄熱効率を向上させることができる。
【００４２】
請求項４の発明によると、フィンの側壁に溝や突起を設けると蓄熱体と作動ガスとの接触面積がより大きくなるので蓄熱効率を向上させることができる。
【００４３】
請求項５の発明によると、高温となる再生器の圧縮空間側に耐熱材料から成る蓄熱体を配置し、低温となる再生器の膨張空間側に比熱の大きな材料から成る蓄熱体を配置すると、高温側での熱変形を防止することができるとともに、比熱の大きな材料により蓄熱効率を向上させることができるようになる。
【００４４】
請求項６の発明によると、高温となる再生器の圧縮空間側に金属材料から成る蓄熱体を配置し、低温となる再生器の膨張空間側に樹脂材料から成る蓄熱体を配置すると、高温側で樹脂材料を使用した際の熱変形を防止することができるとともに、金属材料よりも比熱の大きな樹脂材料により蓄熱効率を向上させることができるようになる。
【００４５】
請求項７の発明によると、高温となる再生器の圧縮空間側に配置する蓄熱体のフィンの間隔を膨張空間側に配置する蓄熱体のフィンの間隔よりも大きくして、ヘリウムなどの作動ガスが高温になって粘性が大きくなることによって生じる圧力損失の増大を防止し蓄熱効率を向上させることができる。
【００４６】
請求項８の発明によると、蓄熱体は比熱の大きな無機質材料や、放射率の小さい黒色耐熱塗料、放射率及び吸収率を最適に調整した選択吸収膜などの蓄熱性材料によって表面をコーティングしているので、熱容量を向上させて蓄熱効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明にかかる再生器の概略断面図である。
【図２】    本発明にかかる再生器の概略斜視図である。
【図３】    本発明にかかる再生器内に配される蓄熱体の概略断面図である。
【図４】    本発明にかかる再生器内に配される蓄熱体の概略斜視図である。
【図５】    本発明にかかる再生器内に配される蓄熱体の他の実施態様の概略断面図である。
【図６】    本発明にかかる再生器内に配される蓄熱体の更に他の実施態様の概略断面図である。
【図７】    従来のスターリング冷凍機を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１    コールドヘッド
２    外側シリンダー
３    内側シリンダー
４    ディスプレーサ
５    圧縮ピストン
７    リニアモータ
９    圧縮空間
１０    膨張空間
１１    再生器
１２    通路
２１    蓄熱体
２１ａ  基台
２１ｂ  フィン
【図１】
0003686955.tif 000002
【図２】
0003686955.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003686955.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003686955.tif 000008