JPH08313083A

JPH08313083A - スターリング機関の再生熱交換器

Info

Publication number: JPH08313083A
Application number: JP14574795A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Kuwaki; 康之桑木; Takafumi Nakayama; 隆文中山
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 1996-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】両端面が開口した筒体22の内部に、作動ガス
の通過が可能な熱交換用の蓄冷材24を充填してなるスタ
ーリング機関の再生熱交換器に於いて、その熱交換性能
を改善する。【構成】筒体22の内部に焼結金属からなる蓄冷材24を
充填してなるディスプレーサにおいて、筒体22の内周面
と蓄冷材24の外周面に、互いに噛合して全周を伸びるね
じ面を形成し、或いは、蓄冷材の外周面をシール材によ
って覆う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動力の発生に用いるス
ターリングエンジンや、低温の発生に用いるスターリン
グ冷凍機などのスターリング機関に関し、特に、その再
生熱交換器の熱交換性能の改善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スターリングエンジンは、理論的に極め
て高い熱効率が得られること、石油以外にあらゆる種類
の熱源を用いることが出来ること、静粛で低公害である
こと等の利点から、従来より研究が進められている。
又、スターリングエンジンの逆サイクルであるスターリ
ング冷凍機についても、上記と同様の理由から、特に近
年はフロン等の有害な冷媒が不要である等の理由から、
大きな注目を浴びている。

【０００３】例えば図５は、ディスプレーサタイプのス
ターリング冷凍機を示している。本体ハウジング(１)に
は膨張シリンダー(２)と圧縮シリンダー(３)とが９０度
の角度差で取り付けられ、膨張シリンダー(２)に内蔵さ
れたディスプレーサ(６)と、圧縮シリンダー(３)に内蔵
された圧縮ピストン(７)は、共通のクランク機構(５)に
連結されて、互いに位相がずれた状態で往復駆動され
る。

【０００４】ディスプレーサ(６)は、図６に示す如く両
端が開口(18)(19)した筒体(17)の内部に、例えば焼結金
属からなる蓄冷材(14)が充填されており、筒体(17)の一
方の開口(18)から流入した作動ガスＧは蓄冷材(14)の内
部を通過し、他方の開口(19)から流出するまでの過程
で、蓄冷材(14)との熱交換が行なわれる。該ディスプレ
ーサ(６)は再生熱交換器としての機能を兼ね備えたもの
であって、その熱交換性能はスターリング冷凍機の成績
係数を大きく左右することになる。

【０００５】又、図５の如く膨張シリンダー(２)及び圧
縮シリンダー(３)は夫々オイルシール(８)(９)によって
クランク室(12)と仕切られており、膨張シリンダー(２)
の基端部と圧縮シリンダー(３)の先端部とは、連絡管
(４)によって互いに連通されている。クランク室(12)に
はオイル(10)が注入されている。

【０００６】図７は、横軸に時間Ｔ、縦軸にストローク
Ｓをとって、上記スターリング冷凍機の動作を表わした
ものである。スターリング冷凍機に於いては、ディスプ
レーサ(６)が図７の曲線Ｂ、Ｃの如く往復移動すると同
時に、圧縮ピストン(７)が図７の曲線Ｄの如く往復移動
することによって、膨張シリンダー(２)の膨張空間(11)
は、図７の直線Ａと曲線Ｂに挟まれた幅領域で容積変化
し、圧縮シリンダー(３)の圧縮空間(13)は、図７の曲線
Ｃと曲線Ｄに挟まれた幅領域で容積変化する。

【０００７】この結果、図７のの行程では、圧縮空間
(13)内のガスが圧縮され、連絡管(４)を経て膨張シリン
ダー(２)内へ流入する(等温圧縮)。このガスは図７の
の行程で、ディスプレーサ(６)内の蓄冷材(14)を通過
し、蓄冷材(14)と熱交換を行なって、温度低下する(定
積冷却)。蓄冷材(14)を通過したガスは図７のの行程
で、膨張シリンダー(２)の膨張空間(11)へ流入し、その
後、ディスプレーサ(６)の降下に伴って膨張する(等温
膨張)。次に、図７のの行程では、ディスプレーサ
(６)の上昇に伴って、膨張空間(11)内のガスが蓄冷材(1
4)を通過し、蓄冷材(14)と熱交換を行なって、温度上昇
した後、連絡管(４)を経て再び圧縮空間(13)へ流入する
(定積加熱)。この結果、膨張シリンダー(２)頭部に設け
たコールドヘッド(15)が冷却されるのである。

【０００８】ところで、ディスプレーサ(６)は、図６に
示す様に筒体(17)の内部に蓄冷材(14)を充填したもので
あるが、焼結金属からなる蓄冷材(14)は、上述の如く作
動ガスＧと熱交換を行なって、その際に生じる温度差
(例えば約２００℃)によって熱変形することになる。デ
ィスプレーサ(６)は膨張シリンダー(２)の内周面との間
で気密を保ち、且つスムーズに往復移動する必要がある
ので、蓄冷材(14)の熱変形に伴って、筒体(17)の外径が
変化することは避けねばならない。そこで、蓄冷材(14)
の自由な熱変形のために、図示の如く蓄冷材(14)と筒体
(17)の間には、ある程度の隙間(例えば０.５mm程度)を
設けることが行なわれている。

【０００９】又、蓄冷材(14)を焼結金属から形成する際
の加工精度には限度があり、組立の際に蓄冷材(14)を筒
体(17)の内部に装填するためには、両者の嵌合せはスキ
マ嵌めとせざるを得ない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、蓄冷材
(14)と筒体(17)の間に隙間が存在すると、筒体(17)の開
口(18)から蓄冷材(14)の内部へ流入した作動ガスが、矢
印の如く蓄冷材(14)の外周面から隙間空間へ漏出し、流
動抵抗の小さい隙間空間を直進して、蓄冷材(14)と殆ど
熱交換を行なうことなく、筒体(17)の開口(19)から流出
することになる。この結果、ディスプレーサ(６)によっ
て構成される再熱交換器の熱交換性能が低下し、これに
よってスターリング冷凍機の成績係数が大きく低下する
問題がある。又、この問題は、スターリング冷凍機に限
らず、再生熱交換器を具えたその他のスターリング機関
に於いても同様に発生する。

【００１１】本発明の目的は、再生熱交換器の熱交換性
能を改善することによって、スターリング機関の熱効率
を上げることである。

【００１２】

【課題を解決する為の手段】本発明に係るスターリング
機関の再生熱交換器は、両端が開口した筒体の内部に、
作動ガスの通過が可能な熱交換用の充填材を配置してな
り、筒体の内周面と充填材の外周面には、互いに噛合し
て全周を伸びる凹凸面が形成されていることを特徴とす
る。具体的構成において、上記凹凸面は、互いに噛合す
るねじ面である。

【００１３】又、本発明に係るスターリング機関の他の
再生熱交換器においては、充填材の外周面が、作動ガス
の漏出を防止するシール材によって覆われている。具体
的構成において、シール材は、充填材と略同一の熱膨張
率を有する材料から形成される。

【００１４】尚、何れの構成に於いても、筒体の内周面
と充填材の外周面の間には、充填材の熱膨張率に応じた
隙間が設けられている。

【００１５】

【作用】筒体の内周面と充填材の外周面に凹凸面を形成
した構成では、仮に充填材へ流入した作動ガスが、筒体
との間の隙間空間へ漏出したとしても、該隙間空間は、
凹凸面の噛み合いにより、筒軸方向に沿って屈曲した流
動抵抗の大きな流路となっているので、該隙間空間内の
作動ガスは乱流となり、充填材の表面と衝突することに
なる。又、流動抵抗の増大に伴って、該隙間空間のガス
圧力が、従来のストレートな隙間空間の場合よりも高く
なり、充填材から漏出する作動ガスの流量が減少する。
この結果、筒体の開口から充填材へ流入した殆どの作動
ガスが漏出することなく、充填材の内部を通過して、充
填材と充分に熱交換を行なうことになる。

【００１６】又、凹凸面をねじ面とした具体的構成で
は、ねじ面の噛み合いによって螺旋状の流路が形成さ
れ、該流路に沿って、作動ガスが流れることになる。該
ガス流路はねじピッチに応じて長いものとなり、作動ガ
スの流動抵抗は大きくなる。この結果、筒体の開口から
充填材へ流入した殆どの作動ガスが漏出することなく、
充填材の内部を通過して、充填材と充分に熱交換を行な
うことになる。

【００１７】充填材の外周面をシール材で覆った構成で
は、充填材の内部に流入した作動ガスは、シール材によ
りシールされて、筒体との隙間空間へ流出することはな
い。従って、筒体の開口から充填材へ流入した全ての作
動ガスが漏出することなく、充填材の内部を通過して、
充填材と充分に熱交換を行なうことになる。

【００１８】又、シール材を充填材と略同一の熱膨張率
を有する材料から形成した具体的構成では、温度変化に
よって充填材が膨張或いは収縮したとしても、シール材
も同様に膨張或いは収縮するので、シール材と充填材の
間に隙間が生じたり、シール材が熱応力で破損すること
はない。

【００１９】尚、何れの構成に於いても、筒体の内周面
と充填材の外周面の間には、充填材の熱膨張率に応じた
隙間空間が設けられているので、該隙間空間によって充
填材の熱変形が吸収される。従って、筒体が変形する虞
れはない。

【００２０】

【発明の効果】本発明に係るスターリング機関の再生熱
交換器によれば、作動ガスと充填材が充分に接触して熱
交換を行なうので、熱交換性能が良好であり、この結
果、スターリング機関の熱効率は高いものとなる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を図５に示すスターリング冷凍
機のディスプレーサに実施した２つの例につき、図面に
沿って詳述する。尚、該スターリング冷凍機の動作につ
いては従来と同一であるので、説明を省略する。

【００２２】第１実施例図１に示すディスプレーサ(21)は、樹脂製の筒体(22)の
内周面に内ねじ(23)を形成すると共に、ステンレス鋼、
鉛、或いは銅等の焼結金属からなる蓄冷材(24)の外周面
に外ねじ(25)を形成して、内ねじ(23)と外ねじ(25)を互
いに噛合させたものである。但し、内ねじ(23)と外ねじ
(25)は、相互の間に蓄冷材(24)の熱膨張に応じた適度の
隙間を設けるべく、ピッチ円直径などの諸元が決められ
ている。従って、筒体(22)の内部へ蓄冷材(24)をねじ込
むことによって、ディスプレーサ(21)の組立が可能であ
る。

【００２３】圧縮シリンダーの圧縮空間から膨張シリン
ダーへ送り込まれたヘリウムなどの作動ガスは、筒体(2
2)の一方の開口から蓄冷材(24)の内部へ流入し、その殆
どが蓄冷材(24)の内部を通過して、蓄冷材(24)と充分な
熱交換を行なった後、筒体(22)の他方の開口から膨張シ
リンダーの膨張空間へ流出する。

【００２４】ここで、極く一部の作動ガスは、筒体(22)
の内周面と蓄冷材(24)の外周面の間の隙間空間へ漏出す
ることになる。しかし、図２に示す如く、筒体(22)の内
ねじ(23)と蓄冷材(24)の外ねじ(25)の間には、ジグザグ
に屈曲する流路が形成されているので、該流路を筒軸方
向へ流れる作動ガスは、流れの向きが変化する度に渦を
巻くことになって、大きな圧力損失が生じる。

【００２５】又、漏出ガスの一部は、矢印の如くねじ山
に沿って螺旋状に流れることになる。この場合、螺旋状
のガス流路の全長Ｌは、蓄冷材(24)の直径をＤ、蓄冷材
(24)の高さをＨ、ねじピッチをｐとすると、Ｌ≒πＤＨ
／ｐとなる。これに対し、従来のディスプレーサにおい
ては、漏出ガスが筒体と蓄冷材の間の隙間を筒軸方向に
直進していたので、ガス流路の長さは蓄冷材(24)の高さ
Ｈとなる。従って、図２の本実施例の場合、従来のπＤ
／ｐ倍だけ流路が長くなり、これに応じて流動抵抗も増
大する。

【００２６】この結果、蓄冷材(24)の内部から隙間空間
へ漏出するガスの流量は極く僅かとなり、蓄冷材(24)へ
流入した殆どの作動ガスが蓄冷材(24)内を流れて、蓄冷
材(24)と充分な熱交換を行なうのである。

【００２７】第２実施例図３に示すディスプレーサ(27)に於いては、焼結金属か
らなる蓄冷材(29)の外周面を覆ってシール材(30)が設け
られている。シール材(30)は、蓄冷材(29)を構成する焼
結金属と同一金属、或いは熱膨張係数が略同一の材料か
ら形成され、図４に示す如く蓄冷材(29)の外周面と密着
して配置されている。

【００２８】例えばシール材(30)をステンレス鋼から形
成する場合、予めステンレス鋼製の薄肉パイプを作製
し、該薄肉パイプに焼結金属を充填し、この状態で焼結
金属に熱を加えて成形を施す方法が採用可能である。該
方法によれば、蓄冷材(29)の外周面とシール材(30)の内
周面が互いに融着することになる。

【００２９】又、シール材(30)を樹脂から形成する場合
は、蓄冷材(29)を焼結によって作製した後、該蓄冷材(2
9)の外周面に樹脂を塗布する方法が採用可能である。

【００３０】該ディスプレーサ(27)によれば、蓄冷材(2
9)の内部に流入した作動ガスは、シール材(30)によりシ
ールされて、筒体(28)との隙間空間へ流出することはな
い。従って、筒体(28)の開口から蓄冷材(29)の内部へ流
入した全ての作動ガスが漏出することなく、蓄冷材(29)
内部を通過して、蓄冷材(29)と充分に熱交換を行なうの
である。

【００３１】尚、シール材(30)は、蓄冷材(29)と略同一
の熱膨張率を有する材料から形成されているので、温度
変化によって蓄冷材(29)が膨張或いは収縮する際、シー
ル材(30)も同様に膨張或いは収縮するので、シール材(3
0)と蓄冷材(29)の間に隙間が生じたり、シール材(30)が
熱応力で破損することはない。

【００３２】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例え
ば、筒体(22)の内周面及び蓄冷材(24)の外周面に形成す
べき凹凸面は、ねじ面に限らず、蛇腹面や角溝の繰返し
パターンなど、大きな流動抵抗を生じる種々の形状が採
用可能である。又、本発明は、図５に示す如くディスプ
レーサに蓄冷材を内蔵したスターリング冷凍機に限ら
ず、再生熱交換器をディスプレーサとは別個に配置した
もの等、あらゆる種類のスターリング機関に実施できる
のは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例におけるディスプレーサの
一部破断斜視図である。

【図２】該ディスプレーサの要部を拡大した断面図であ
る。

【図３】本発明の第２実施例におけるディスプレーサの
一部破断斜視図である。

【図４】該ディスプレーサの要部を拡大した断面図であ
る。

【図５】本発明を実施すべきスターリング冷凍機の断面
図である。

【図６】従来のディスプレーサの断面図である。

【図７】スターリング冷凍サイクルの行程を説明する図
である。

【符号の説明】

(21) ディスプレーサ (22) 筒体 (23) 内ねじ (24) 蓄冷材 (25) 外ねじ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両端が開口した筒体の内部に、作動ガス
の通過が可能な熱交換用の充填材を配置してなるスター
リング機関の再生熱交換器に於いて、筒体の内周面と充
填材の外周面には、互いに噛合して全周を伸びる凹凸面
が形成されていることを特徴とするスターリング機関の
再生熱交換器。
【請求項２】凹凸面は、互いに噛合するねじ面である
請求項１に記載の再生熱交換器。
【請求項３】両端が開口した筒体の内部に、作動ガス
の通過が可能な充填材を配置してなるスターリング機関
の再生熱交換器に於いて、充填材の外周面は、作動ガス
の漏出を防止するシール材によって覆われていることを
特徴とするスターリング機関の再生熱交換器。
【請求項４】シール材は、充填材と略同一の熱膨張率
を有する材料から形成されている請求項３に記載の再生
熱交換器。
【請求項５】筒体の内周面と充填材の外周面の間に
は、充填材の熱膨張率に応じた隙間が設けられている請
求項１乃至請求項４の何れかに記載の再生熱交換器。