JPH04129067U - スターリング機関の再生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ビルマイヤサイクルやスターリングサイクル
のヒートポンプ装置に使用される再生器として、最適仕
様への調整や製造が容易な再生器を得る。 【構成】 ハウジング（１）内に収容される蓄冷材
（８）を、多数の中実棒（１０），（１０），…をハウ
ジング（１）の中心線に沿って並設したものとし、中実
棒（１０），（１０）間の隙間をガス流路（１４）とす
る。同様の構造の複数の蓄冷材ユニット（９），
（９），…を間隔をあけてハウジング（１）内に積層配
置し、ユニット（９），（９）間の空間（１３）でガス
を流れ方向と直交方向に拡散させる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、ビルマイヤサイクルやスターリングサイクル等のスターリング機 関において、作動ガスの熱エネルギーを蓄える蓄冷式熱交換器からなる再生器に 関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来より、この種ビルマイヤサイクルのヒートポンプ装置は例えば特開平１− １３７１６４号公報等に開示されているように知られている。この装置は、図５ に示すように、端部が互いに交差するようにケース（２０）にて一体に接合され た高温シリンダ（２１）及び低温シリンダ（２２）を有し、高温シリンダ（２１ ）内には高温ディスプレーサ（２３）が、また低温シリンダ（２２）内には低温 ディスプレーサ（２４）がそれぞれ往復動可能に嵌装されている。上記ケース（ ２０）には図外の起動用モータに駆動連結されたクランク軸（２５）が支持され 、このクランク軸（２５）の高温クランク部（２５ａ）と高温ディスプレーサ（ ２３）とはロッド（２６）及びリンク（２７）により、またクランク軸（２５） の低温クランク部（図示せず）と低温ディスプレーサ（２４）とはロッド（２８ ）及びリンク（２９）によりそれぞれ連結されており、この連結により、両ディ スプレーサ（２３），（２４）は所定の位相差（例えば９０°）で往復動するよ うになっている。

【０００３】 高温シリンダ（２１）内は高温ディスプレーサ（２３）により上側の高温空間 （３０）と下側の高温側中温空間（３１）とに区画され、低温シリンダ（２２） 内は低温ディスプレーサ（２４）により外側（クランク軸（２５）と反対側）の 低温空間（３３）と内側の低温側中温空間（３２）とに区画されている。高温シ リンダ（２１）の中温空間（３１）と低温シリンダ（２２）の中温空間（３２） とは中温部接続管（３４）により接続され、これら高温、低温及び中温空間（３ ０），（３３），（３１），（３２）にはヘリウム等の作動ガスが充填されてい る。

【０００４】 上記中温空間（３１）は高温空間（３０）に高温連通路（３５）により、また 中温空間（３２）は低温空間（３３）に低温連通路（３６）によりそれぞれ連通 されている。上記高温連通路（３５）には熱交換器からなるヒータ（３７）と、 高温再生器（３８）と、冷却水と熱交換する中温部高温側熱交換器（３９）とが 配設される。一方、低温連通路（３６）には冷却水と熱交換する熱交換器からな るクーラ（４０）と、低温再生器（４１）と、冷却水と熱交換する中温部低温側 熱交換器（４２）とが配設されている。

【０００５】 さらに、上記高温空間（３０）内ないしヒータ（３７）内の作動ガスを加熱す るバーナ（４３）が設けられている。

【０００６】 このヒートポンプサイクルでは、ガスの温度（Ｔ）とエントロピー（Ｓ）との 関係を示すＴ−Ｓ線図は図６に示すようになる。すなわち、高温側サイクルでは 、ガスは行程１→２でヒータ（３７）から吸熱して等温膨張し、次の行程２→３ では熱を高温再生器（３８）に与えて等積冷却される。さらに、行程３→４で、 中温部高温側熱交換器（３９）を介して放熱して等温圧縮し、行程４→１では、 上記高温再生器（３８）に与えた熱により等積加熱される。一方、低温側サイク ルでは、ガスは行程１′→２′で熱を低温再生器（４１）に与えて等積冷却され 、行程２′→３′ではクーラ（４０）から吸熱して等温膨張し、次の行程３′→ ４′では、上記低温再生器（４１）に与えた熱により等積加熱され、行程４′→ １′で、中温部低温側熱交換器（４２）を介して放熱して等温圧縮する。

【０００７】 一方、スターリングサイクルのヒートポンプ装置は、例えば図７に示すように 、内部にディスプレーサ（５１）及びパワーピストン（５２）がそれぞれ往復動 可能に嵌装されたシリンダ（５０）を有する。シリンダ（５０）内の空間は、デ ィスプレーサ（５１）とシリンダ（５０）底部との間に形成される膨張空間（５ ３）と、ディスプレーサ（５１）とパワーピストン（５２）との間に形成される 圧縮空間（５４）とに区画され、これら空間（５３），（５４）にはヘリウム等 の作動ガスが充填されている。上記パワーピストン（５２）は、ロッド（５５） 及びリンク（５６）を介してケース（５７）に支持したクランク軸（５８）の第 １クランクアーム（５８ａ）に連結されている。ディスプレーサ（５１）は、上 記パワーピストン（５２）の中心孔（５２ａ）をロッドシール（５９）を介して 気密状に摺動可能に貫通するロッド（６０）、及びリンク（６１）を介して上記 クランク軸（５８）の第２クランクアーム（５８ｂ）に連結されている。クラン ク軸（５８）は駆動用モータ（図示せず）に駆動連結され、その第１及び第２ク ランクアーム（５８ａ），（５８ｂ）は所定角度だけ変位しており、このことに より、ディスプレーサ（５１）及びパーピストン（５２）を所定の位相差でもっ て往復動させるようになっている。上記膨張空間（５３）と圧縮空間（５４）と は連通路（６２）により連通され、この連通路（６２）には、膨張空間（５３） から順に、熱交換器からなるクーラ（６３）と、再生器（６４）と、熱交換器か らなるヒータ（６５）とが配設されている。

【０００８】 そして、このサイクルでは、Ｔ−Ｓ線図は図８に示すようになる。すなわち、 サイクルの行程１→２は等温圧縮行程であり、ガスはヒータ（６５）から放熱し て等温圧縮し、次の行程２→３では熱を再生器（６４）に与えて等積冷却される 。さらに、行程３→４で、クーラ（６３）を介して吸熱して等温膨張し、行程４ →１では、上記再生器（６４）に与えた熱により等積加熱される。

【０００９】 このようなスターリング機関において、ビルマイヤサイクルのヒートポンプ装 置の高温再生器（３８）及び低温再生器（４１）、或いはスターリングサイクル のヒートポンプ装置における再生器（６４）は、いずれも内部に蓄冷材を収容し た蓄冷型熱交換器からなり、吸収行程では、内部を流れる作動ガスの寒冷を蓄冷 材に蓄え、再生行程では、上記蓄冷材に蓄えていた寒冷を作動ガスに与えて該ガ スを冷却する役割を有する。

【００１０】 この再生器は、従来、ハウジング内に数百枚の金属製メッシュ（金網）を積層 配置したものが一般に使用されている。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】

しかし、この従来の再生器では、多数枚のメッシュを積層するため、その製造 が難しくて製造コストが高くなるとともに、メッシュの線径と開口率とを最適に 設定することが難しく、所要の伝熱面と死容積との調整が困難で、機関の出力を 向上させるのに限度があった。

【００１２】 本考案は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目的は、再生器の構造を変 えることで、製造及び調整が容易でスターリング機関に好適な再生器を提供する ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

上記の目的の達成のため、この考案では、再生器を中実棒で構成し、その中実 棒間の隙間をガス流路とする。

【００１４】 具体的には、請求項１の考案では、図４に示す如く、スターリング機関に配設 され、作動ガスとの間で熱を授受する再生器として、端部にガス入出口（６）， （７）が開口するハウジング（１）と、該ハウジング（１）内に収容された蓄冷 材（８′）とを備えてなるものとする。

【００１５】 そして、上記蓄冷材（８′）は、ハウジング（１）内にハウジング（１）の中 心線に沿って平行に並設されかつ各々の隙間が上記ガス入出口（６），（７）同 士を連通するガス流路（１４）とされた多数の中実棒（１０′），（１０′）， …からなることを特徴とする。

【００１６】 請求項２の考案では、上記蓄冷材（８）は、図１〜図３に示すように、ハウジ ング（１）の中心線に沿って平行に並設された多数の中実棒（１０），（１０） ，…からなる複数の蓄冷材ユニット（９），（９），…をハウジング（１）の中 心線に沿って所定の空間（１３）をあけて積層配置してなるものとし、上記各蓄 冷材ユニット（９）における中実棒（１０），（１０）間の隙間ないし蓄冷材ユ ニット（９），（９）間の空間（１３）が上記ガス入出口（６），（７）同士を 連通するガス流路（１４）とされたことを特徴とする。

【００１７】

【作用】

請求項１の考案では、再生器におけるハウジング（１）内に収容された蓄冷材 （８′）は、ハウジング（１）内にハウジング（１）の中心線に沿って平行に並 設された多数の中実棒（１０′），（１０′），…からなり、中実棒（１０′） ，（１０′）間の隙間がガス流路（１４）とされているので、ガス入出口（６） ，（７）の一方からハウジング（１）内に出入する作動ガスは中実棒（１０′） ，（１０′）間の隙間のガス流路（１４）を通って他方のガス入出口（６），（ ７）に流れ、その間に、中実棒（１０′）と熱交換して中実棒（１０′）への授 熱又は中実棒（１０′）からの受熱を行う。このとき、蓄冷材（８′）は多数の 中実棒（１０′），（１０′），…からなるので、従来のメッシュ構造に比べ、 ハウジング（１）内に中実棒（１０′），（１０′），…を嵌装するだけで済み 、製造が容易になるとともに、中実棒（１０′）の径や長さ、本数等を変えるこ とで、目的の仕様に最適状態で調整でき、スターリング機関の性能を向上させる ことができる。

【００１８】 請求項２の考案では、蓄冷材（８）は、ハウジング（１）内で積層された複数 の蓄冷材ユニット（９），（９），…により構成され、蓄冷材ユニット（９）， （９）間には空間（１３）が設けられているので、各蓄冷材ユニット（９）にお ける中実棒（１０），（１０）間のガス流路（１４）を流れる作動ガスは蓄冷材 ユニット（９），（９）間の空間（１３）で中実棒（１０）の方向つまりガス流 れ方向とは直交する方向に拡散することとなり、その分、ガスの流れ方向の熱伝 導を抑制して、熱交換性能を向上させることができる。

【００１９】

【実施例】 以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明する。尚、ビルマイヤサイクル又 はスターリングサイクルのヒートポンプ装置についてはそれぞれ図５及び図７に より説明したので、図５及び図７と同じ部分については同じ符号を付してその詳 細な説明は省略する。

【００２０】 （実施例１） 図１〜図３は本考案の実施例１に係る再生器を示す。この再生器は、図５に示 すビルマイヤサイクルヒートポンプ装置や図６に示すスターリングサイクルヒー トポンプ装置において、そのシリンダ（２１），（２２），（５０）周りに配設 されて、作動ガスの熱エネルギーを蓄える再生器（３８），（４１），（６４） として使用される。

【００２１】 これらの図に示すように、再生器は二重円筒状のハウジング（１）を有する。 このハウジング（１）は、上記シリンダ（２１），（２２），（５０）よりも大 径の内壁（２）と、該内壁（２）よりも大径の外壁（３）とを同心状に配置し、 両壁（２），（３）の上下端部を円環状のフランジ（４），（５）により一体に 結合したもので、上記各フランジ（４），（５）にはそれぞれガス入出口（６） ，（７）が開口されている。

【００２２】 上記ハウジング（１）の内部には作動ガスと熱を授受する蓄冷材（８）が収容 されている。この蓄冷材（８）は複数（図では４つ）の環状の蓄冷材ユニット（ ９），（９），…をハウジング（１）内でその中心線方向に沿って所定の空間（ １３）をあけて積層配置してなる。つまり、蓄冷材ユニット（９），（９），… の各々は、長さ及び径が同一で円形断面を有する例えば銅製の多数の中実棒（１ ０），（１０），…をハウジング（１）の中心線に沿って平行に並べて一体接合 したもので、各蓄冷材ユニット（９）はハウジング（１）に対し内壁（２）の外 面側及び外壁（３）の内面側にそれぞれ配置した環状のスペーサ（１１），（１ ２）を介して積層されており、このスペーサ（１１），（１２）の厚さ分だけ、 蓄冷材ユニット（９），（９）間に空間（１３）が形成されている。そして、上 記各蓄冷材ユニット（９）における中実棒（１０），（１０）間の隙間ないし蓄 冷材ユニット（９），（９）間の空間（１３）がガス流路（１４）とされ、この ガス流路（１４）により上記ハウジング（１）上下端のガス入出口（６），（７ ）同士が連通されている。

【００２３】 したがって、上記実施例においては、例えば上側ガス入出口（６）からハウジ ング（１）内に流入した作動ガスは各蓄冷材ユニット（９）における中実棒（１ ０），（１０）間の隙間及び蓄冷材ユニット（９），（９）間の空間（１３）か らなるガス流路（１４）を通って下側ガス入出口（７）に流れ、その間に中実棒 （１０），（１０），…と熱交換して中実棒（１０），（１０），…へ熱を授け 、ガス自身は冷却される。また、逆に、下側ガス入出口（７）からハウジング（ １）内に流入した作動ガスは上記ガス流路（１４）を通って上側ガス入出口（７ ）に戻り、その間に中実棒（１０），（１０），…との熱交換により中実棒（１ ０），（１０），…から熱を受けて昇温し、中実棒（１０），（１０），…は冷 却される。

【００２４】 このとき、蓄冷材（８）は複数の蓄冷材ユニット（９），（９），…を積層配 置したもので、各蓄冷材ユニット（９）は多数の平行な中実棒（１０），（１０ ），…からなるので、従来のメッシュ構造の再生器に比べ、ハウジング（１）内 に中実棒（１０），（１０），…を持った蓄冷材ユニット（９），（９），…を 嵌装するだけで済み、容易に製造して製造コストを下げることができる。

【００２５】 しかも、このような構造では、各蓄冷材ユニット（９）における中実棒（１０ ），（１０），…の径や長さ、本数等を変えることで、再生器を目的の仕様に最 適状態で調整でき、スターリング機関の性能を向上させることができる。

【００２６】 また、蓄冷材ユニット（９），（９）間には空間（１３）が設けられているの で、作動ガスは、各蓄冷材ユニット（９）における中実棒（１０），（１０）間 のガス流路（１４）を流れる際は中実棒（１０）に沿って流れるが、この中実棒 （１０），（１０）間から空間（１３）に出ると、該空間（１３）で中実棒（１ ０）の方向つまりガス流れ方向と直交する方向に拡散し、その後、次の蓄冷材ユ ニット（９）の中実棒（１０），（１０）間のガス流路（１４）に流入する。こ の繰返しにより、作動ガスの流れにその基本的な流れと略直交する方向の要素が 生じ、このことにより、ガスの流れ方向の熱伝導を抑制して、熱交換性能を向上 させることができる。

【００２７】 （実施例２） 図４は本考案の実施例２を示す（尚、図１〜図３と同じ部分については同じ符 号を付してその詳細な説明は省略する）。この実施例では、ハウジング（１）内 に収容する蓄冷材（８）をユニット化せず、長さの長い多数の中実棒（１０′） ，（１０′），…を直接嵌挿したものである。この実施例でも、作動ガスの流れ 方向の熱伝導を抑制できるという効果を除き、実施例１と同様の作用効果が得ら れる。

【００２８】 尚、上記各実施例では、中実棒（１０），（１０′）の径を同じとしたが、異 径のものを使用してもよい。また、中実棒（１０），（１０′）を断面円形状と したが、その他の断面形状を採用しても差し支えない。

【００２９】 さらに、上記各実施例では、ハウジング（１）を内外壁（２），（３）からな る二重円筒状のものとしたが、必要に応じて円筒状のものとし、その内部に蓄冷 材を嵌装するようにすることもできる。

【００３０】

【考案の効果】

以上説明したように、請求項１の考案によれば、スターリング機関における再 生器として、ハウジング内に多数の中実棒を並設してなる蓄冷材を配置し、中実 棒間の隙間をガス流路としたことにより、ハウジング内に中実棒を嵌装するだけ で製造できるので、製造の容易化が図れるとともに、目的の仕様への調整が容易 で、スターリング機関の性能向上を図ることができる。

【００３１】 請求項２の考案によると、蓄冷材を、各々多数の中実棒を並設した複数のユニ ットで構成し、これらのユニットを空間をあけてハウジング内に積層配置したこ とにより、上記請求項１の考案と同様の作用効果が得られることに加え、各蓄冷 材ユニットにおける中実棒間のガス流路を流れる作動ガスを蓄冷材ユニット間の 空間で中実棒と直交する方向に拡散してガスの流れ方向の熱伝導を抑制でき、熱 交換性能をさらに一層向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例１に係る再生器の横断面図であ
る。

【図２】図１のII部分の拡大図である。

【図３】図１のIII ―III 線断面図である。

【図４】実施例２に係る図３相当図である。

【図５】ビルマイヤサイクルのヒートポンプ装置の断面
図である。

【図６】ビルマイヤサイクルのＴ−Ｓ線図である。

【図７】スターリングサイクルのヒートポンプ装置の断
面図である。

【図８】スターリングサイクルのＴ−Ｓ線図である。

【符号の説明】

（１）…ハウジング （６），（７）…ガス入出口 （８），（８′）…蓄冷材 （９）…蓄冷材ユニット （１０），（１０′）…中実棒 （１３）…空間 （１４）…ガス流路 （２１），（２２）…シリンダ （３８），（４１），（６４）…再生器

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 スターリング機関に配設され、作動ガス
   との間で熱を授受する再生器であって、端部にガス入出
   口（６），（７）が開口するハウジング（１）と、該ハ
   ウジング（１）内に収容された蓄冷材（８′）とを備え
   てなり、上記蓄冷材（８′）は、ハウジング（１）内に
   ハウジング（１）中心線に沿って平行に並設されかつ各
   々の隙間が上記ガス入出口（６），（７）同士を連通す
   るガス流路（１４）とされた多数の中実棒（１０′），
   （１０′），…からなることを特徴とするスターリング
   機関の再生器。
2. 【請求項２】 スターリング機関に配設され、作動ガス
   との間で熱を授受する再生器であって、端部にガス入出
   口（６），（７）が開口するハウジング（１）と、該ハ
   ウジング（１）内に収容された蓄冷材（８）とを備え、
   上記蓄冷材（８）は、ハウジング（１）の中心線に沿っ
   て平行に並設された多数の中実棒（１０），（１０），
   …からなる複数の蓄冷材ユニット（９），（９），…を
   ハウジング（１）の中心線に沿って所定の空間（１３）
   をあけて積層配置してなり、上記各蓄冷材ユニット
   （９）における中実棒（１０），（１０）間の隙間ない
   し蓄冷材ユニット（９），（９）間の空間（１３）が上
   記ガス入出口（６），（７）同士を連通するガス流路
   （１４）とされたことを特徴とするスターリング機関の
   再生器。