最初に、本発明再生器の使用対象である� ��ターリング機関の構造を図1に基づき説明す る。

 スターリング機関1は冷凍機として用いら れるフリーピストンタイプのものであり、そ の組立の中心となるのはシリンダ10、11であ� �。シリンダ10、11の軸線は同一直線上に並ぶ� ��シリンダ10にはピストン12が挿入され、シリ ンダ11にはディスプレーサ13が挿入される。� �ストン12及びディスプレーサ13は、スターリ� ��グ機関1の運転中、ガスベアリングの仕組み によりシリンダ10、11の内壁に接触すること� �く往復運動する。ピストン12とディスプレー サ13は所定の位相差を備えて動く。

 ピストン12の一方の端にはカップ状のマ� �ネットホルダ14が固定される。ディスプレー サ13の一方の端からはディスプレーサ軸15が� �出する。ディスプレーサ軸15はピストン12及� ��マグネットホルダ14を軸線方向に自由にス� �イドできるように貫通する。

 シリンダ10はピストン12の動作領域にあた る部分の外側にリニアモータ20を保持する。� ��ニアモータ20は、コイル21を備えた外側ヨー ク22と、シリンダ10の外周面に接するように� �けられた内側ヨーク23と、外側ヨーク22と内� ��ヨーク23の間の環状空間に挿入されたリン� �状のマグネット24と、外側ヨーク22を囲む管� ��25と、外側ヨーク22、内側ヨーク23、及び管� ��25を所定の位置関係に保持する合成樹脂製� �ンドブラケット26、27とを備える。マグネッ� ��24はマグネットホルダ14に固定されている。

 マグネットホルダ14のハブの部分にはス� �リング30の中心部が固定される。ディスプレ ーサ軸15にはスプリング31の中心部が固定さ� �る。スプリング30、31の外周部はエンドブラ� ��ット27に固定される。スプリング30、31の外� ��部同士の間にはスペーサ32が配置されてお� �、これによりスプリング30、31は一定の距離� ��保つ。スプリング30、31は円板形の素材にス パイラル状の切り込みを入れたものであり、 ディスプレーサ13をピストン12に対し所定の� �相差(一般的には約90゜の位相差)をもたせて� ��振させる役割を果たす。

 シリンダ11のうち、ディスプレーサ13の動 作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘ ッド40と低温側伝熱ヘッド41が配置される。� �温側伝熱ヘッド40はリング状、低温側伝熱ヘ ッド41はキャップ状であって、いずれも銅や� ��合金など熱伝導の良い金属からなる。高温� ��伝熱ヘッド40の内周面にはリング状の高温� �内部熱交換器42が装着され、低温側伝熱ヘッ ド41の内周面には同じくリング状の低温側内� ��熱交換器43が装着される。高温側内部熱交� �器42と低温側内部熱交換器43はそれぞれ通気� ��を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を� ��温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41に伝 える。高温側内部熱交換器42と低温側内部熱� ��換器43は、例えば銅や銅合金の薄板をコル� �ート加工し、圧縮する等して形成すること� �できる。

 高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41 はこのように高温側内部熱交換器42と低温側� ��部熱交換器43を介在させた形でシリンダ11の 外側に支持される。そして高温側伝熱ヘッド 40にはシリンダ10及び圧力容器50が連結される 。

 高温側伝熱ヘッド40、シリンダ10、11、ピ� ��トン12、ディスプレーサ13、ディスプレーサ 軸15、及び高温側内部熱交換器42で囲まれる� �状の空間は圧縮空間45となる。低温側伝熱ヘ ッド41、シリンダ11、ディスプレーサ13、及び 低温側内部熱交換器43で囲まれる空間は膨張� ��間46となる。

 高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交� �器43の間には再生器70が配置される。再生器7 0の構造は後で詳述する。再生器70の外側を再 生器チューブ48が包み、高温側伝熱ヘッド40� �低温側伝熱ヘッド41の間に気密通路を構成す る。再生器チューブ48は、例えばステンレス� ��で形成することができる。

 リニアモータ20、シリンダ10、及びピスト ン12を覆う筒状の圧力容器が胴体部50を形成� �る。胴体部50の内部は背圧空間51となる。

 胴体部50の構造は次のようになっている� �すなわち胴体部50は、高温側伝熱ヘッド40に� ��合されるリング状部52と、このリング状部52 に接合されるキャップ状部53とに2分割されて いる。リング状部52、キャップ状部53ともス� �ンレス鋼製である。リング状部52の一端はテ ーパ状に絞り込まれ、高温側伝熱ヘッド40に� ��ウ付けされる。キャップ状部53はパイプの� �面に鏡板53aを溶接した構造である。

 リング状部52の他端と、これに向かい合� �キャップ状部53の開口端には、フランジ形状 部54、55が設けられる。フランジ形状部54、55� ��いずれもステンレス鋼製のリングをリング� ��部52とキャップ状部53に溶接して形成される ものであり、最終的にはフランジ形状部54、5 5を溶接して密閉状態の胴体部50を形成する。

 胴体部50には、リニアモータ20に電力を供 給するための端子部28と、内部に作動ガスを� ��入するためのパイプ50aが配置される。これ� ��はいずれもキャップ状部53の外周面から放� �方向に突出するように設けられる。

 胴体部50には振動抑制装置60が取り付けら れる。振動抑制装置60は、胴体部50に固定さ� �るベース61と、ベース61に支持される板状の� ��プリング62と、スプリング62に支持されるバ ランスウェイト63とから成る。

 スターリング機関1は次のように動作する 。リニアモータ20のコイル21に交流電流を供� �すると外側ヨーク22と内側ヨーク23の間にマ� ��ネット24を貫通する磁界が発生し、マグネ� �ト24は軸方向に往復する。ピストン系(ピス� �ン12、マグネットホルダ14、マグネット24、� �びスプリング30)の総質量と、スプリング30の バネ定数とにより定まる共振周波数に一致す る周波数の電力を供給することにより、ピス トン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始 する。

 ディスプレーサ系(ディスプレーサ13、デ� ��スプレーサ軸15、及びスプリング31)にあっ� �は、その総質量と、スプリング31のバネ定数 とにより定まる共振周波数がピストン12の駆� ��周波数に共振するよう設定する。

 ピストン12の往復運動により、圧縮空間45 では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の 変化に伴って、ディスプレーサ13も往復運動� ��行う。このとき、圧縮空間45と膨脹空間46と の間の流動抵抗等により、ディスプレーサ13� ��ピストン12との間には位相差が生じる。こ� �ようにしてフリーピストン構造のディスプ� �ーサ13はピストン12と所定の位相差を有して� ��期して振動する。

 上記の動作により、圧縮空間45と膨脹空� �46との間に逆スターリングサイクルが形成さ れる。圧縮空間では作動ガスの温度が上昇し 、膨脹空間46では作動ガスの温度が低下する� ��このため、圧縮空間45の温度は上昇し、膨� �空間46の温度は下降する。

 運転中に圧縮空間45と膨張空間46の間を移 動する作動ガスは、高温側内部熱交換器42と� ��温側内部熱交換器43を通過する際に、その� �する熱を高温側内部熱交換器42と低温側内部 熱交換器43を通じて高温側伝熱ヘッド40と低� �側伝熱ヘッド41に伝える。圧縮空間45から再� ��器70へ流れ込む作動ガスは高温であるため� �温側伝熱ヘッド40は加熱され、高温側伝熱ヘ ッド40はウォームヘッドとなる。膨張空間46� �ら再生器70へ流れ込む作動ガスは低温である ため低温側伝熱ヘッド41は冷却され、低温側� ��熱ヘッド41はコールドヘッドとなる。高温� �伝熱ヘッド40より熱を大気へ放散し、低温側 伝熱ヘッド41で特定空間の温度を下げること� ��より、スターリング機関1は冷凍機関として の機能を果たす。

 再生器70は、圧縮空間45と膨張空間46の熱� ��相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを� ��す働きをする。圧縮空間45から高温側内部� �交換器42を経て再生器70に入った高温の作動� ��スは、再生器70を通過するときにその熱を� �生器70に与え、温度が下がった状態で膨張空 間46に流入する。膨張空間46から低温側内部� �交換器43を経て再生器70に入った低温の作動� ��スは、再生器70を通過するときに再生器70か ら熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空 間45に流入する。すなわち再生器70は蓄熱手� �としての役割を果たす。

 ピストン12とディスプレーサ13が往復運動 し、作動ガスが移動すると、スターリング機 関1に振動が生じる。振動抑制装置60がこの振 動を抑える。

 続いて再生器70の構成を図2、3に基づき説 明する。

 再生器70の組立の基礎となるのは円筒形� �巻芯71である。巻芯71はシリンダ11の外周面� �対ししまりばめとなる内径を有する。巻芯71 の材料は、作動ガスのもたらす温熱又は冷熱 に耐えて長期間使用できるものであれば何で もよいが、強度、断熱性、製造コスト等を総 合判断すれば、合成樹脂を選択するのが現実 的である。巻芯71は必須のものではなく、シ� ��ンダ11に直接樹脂フィルムを巻回する構成� �可能である。

 巻芯71の外周面に樹脂フィルムを巻回し� �樹脂フィルム巻回積層体を形成する。樹脂� �ィルムとしてはPEN(polyethylene naphthalate:ポリ� �チレンナフタレート)のフィルムを採用した� ��PENフィルム72を巻回して樹脂フィルム巻回� �層体73を形成するにあたり、PENフィルム72の� ��間に作動ガスを通す間隙を確保する必要が� ��る。そのため、PENフィルム72の表面には片� �に突起74を点在させる。

 突起74を形成するにあたっては様々な手� �が採用可能である。図4に突起形成装置の一� ��を示す。図4の突起形成装置100は、フィルム フィーダ101から繰り出したPENフィルム72にニ� ��ドルニードルプレス機110で突起を形成し、� ��起形成後の樹脂フィルムをフィルムワイン� ��102で巻き取る。フィルムフィーダ101からフ� ��ルムワインダ102までの各所には送りローラ1 03、104、105が配置され、PENフィルム72に所定� �間欠送りを与える。送りローラ103、104、105� �それぞれ2本一組でPENフィルム72を上下から� �む。

 ニードルプレス機110は、PENフィルム72を� �から支えるプラテン111と、プラテン111に支� �られたPENフィルム72に対し所定タイミングで 上方より接近するラム112を備える。ラム112の 下面からは複数のニードルピン113が突出する 。ニードルピン113はPENフィルム72の送り方向� ��直交する方向に一列に並ぶ。プラテン111に� ��ニードルピン113に対応する位置に孔が設け� ��れており、ニードルピン113が降下するとそ� ��孔の中にPENフィルム72が押し込まれ、突起74 が形成されることになる。

 送りローラ104と送りローラ105の間にはレ� ��リングブロック115が配置される。レベリン� ��ブロック115は上ブロック115aと下ブロック115 bを所定間隔で向かい合わせに配置したもの� �あり、突起形成後のPENフィルム72を上ブロッ ク115aと下ブロック115bの間に通して突起74を� �定の高さに揃える。樹脂フィルム巻回積層� �73のフィルム間距離を均一にするため、この ような処理を行う。

 フィルムワインダ102に巻き取られたPENフ� ��ルム72は、その後の工程で図示しない巻き� �り装置により巻芯71に巻かれて樹脂フィルム 巻回積層体73となり、図2の再生器70が形成さ� ��る。

 再生器70を形成する際、フィルム厚をtとし� ��フィルム間距離をdとし、圧力損失をδpとし たとき、これら三者の間に、Kを係数として
        δp=K・f(t、d)
の関係が一般に成立する。係数Kは作動ガス� �粘性、再生器70の容積、作動ガスの流量、作 動ガスとフィルムとの摩擦力などによって決 まる。従って、圧力損失pが一定ならばフィ� �ム厚tとフィルム間距離dはほぼ一義的に求め られる。   

 上記構造の再生器において、厚さの異なるP ENフィルム(例えば帝人デュポンフィルム株式 会社製PENフィルム:商品名ネオテックス)を用� ��て複数の試作品を製作し、それらを図1に示 す構造のスターリング機関に組み付けて冷凍 能力を評価した結果を図5に示す。評価に使� �したスターリング機関は、作動ガスがHe、平 均ガス圧が約3.2MPa、ピストンの最大掃気容積 約10cm ³ 、スターリング機関の最大冷凍能力は約300w(- 23℃時)クラスのものである。再生器のPENフィ ルム外径は68mm、内径は54mm、作動ガス流れ方� ��の幅は55mmである。用いたPENフィルムは入手 可能な厚さのもの、すなわち50μm、38μm、25μm 、20μm、及び16μmの厚さのものである。   

 PENフィルムを用いた再生器を搭載したス� ��ーリング機関の冷凍能力COPをグラフにプロ� ��トしたところ、図5のようになった。性能は 、樹脂フィルム厚50μmの再生器を搭載したス� ��ーリング機関の冷凍能力COPを100としたとき� ��それ以外の種類の再生器を搭載したスター� ��ング機関の冷凍能力COPがどのような数値を� ��すかにより評価した。図5に見られるように 、PENフィルム厚を20μmと25μmとすることによ� �明らかに高い性能を示し、かつ明確なピー� �を持つことが判明した。すなわち20μmから25� �mの間ではトレードオフの関係であった蓄熱� ��と伝熱性のバランスがとれ、再生器として� ��高の性能が得られる。

 樹脂フィルム巻回積層体のフィルム間距� ��の平均値は87μm~90μmとした。フィルム間距� �に幅があるが、これは、ピストン12とディス プレーサ13の位相角度を最適とするための措� ��である。

 従って、図5より、スターリング機関の冷 凍能力を最大限に引き出すためには、再生器 の樹脂フィルム巻回積層体を形成するPENフィ ルムの厚さを20μm近傍から25μm近傍とするこ� �が好ましいと判断できる。20μmから25μmまで� ��範囲であれば高い冷凍能力COPを確実に享受� ��きる。

 またPENフィルム厚が20μm未満の場合、次� �ような製造上の問題も発生する。すなわちPE Nフィルムがここまで薄いと、再生器にした� �合の外径精度が悪くなり、再生器チューブ� �再生器外面との間に隙間ができたり、フィ� �ムの剛性が劣化しフィルム層間のばらつき� �大きくなったりするため、作動ガスと再生� �間の熱交換が有効に行えなくなる。PENフィ� �ム厚が20μm以上あれば、そのような問題は起 きにくい。

 また、PENフィルムを採用したことにより� ��ニードルプレスで突起を形成する上で好ま� ��い効果が得られた。これを図6、7に基づき� �明する。

 図4の装置で樹脂フィルムにニードルプレ スを施した場合、図6の(a)(b)(c)に示すような� �起形状が生じる。(a)(b)(c)の各図において、� �段は突起の平面形状、下段は突起の断面形� �を示す。なお図6は概略形状を概念的に示す� ��のであり、現実の形状がこの通りになって� ��るということではない。

 (a)では外形がほぼ円錐(円錐台)形で、頂� �に穴が抜けた突起αが形成されており、これ が理想形状である。(b)の突起αは、形状は円� ��形であるが、斜面の一部に亀裂βが入って� �り、円錐形を維持する力が(a)に比べて弱く� �好ましくない。(c)の突起αは、所定の円錐形 に至る前に大きく亀裂βが入り、十分な高さ� ��得ることなく隆起が終わってしまっている� ��これは最も避けるべきである。

 上記a、b、cの形状の発生頻度は、樹脂の� ��類によって異なる。それをPEN、PET(ポリエチ レンテレフタレート)、PS(ポリスチレン)、ナ� ��ロン、ポリイミドにつき調べた結果が図7の 表である。評価は、突起形状の発生頻度を「 最も発生頻度の高い形状」と「頻度は少ない が発生する形状」の2段階に分け、定性的に� �定することにより行った。

 図7の評価結果によると、PENでは形状aの� �生頻度が最も高く、時々形状bが発生する。P ETでは形状bの発生頻度が最も高く、時々形状 aが発生する。PSとナイロンではほぼ全面的に 形状bとなる。ポリイミドではほぼ全面的に� �状cとなる。

 PENは他の樹脂に比べ理想的な形状となる� ��度が高く、突起高さのばらつきが少ない。� ��のためフィルム間距離が安定し、総合評価� ��高くなる。PET、PS、ナイロンの総合評価は� �ちる。ポリイミドについては否定的な評価� �なる。

 以上本発明の実施形態につき説明したが� ��この他、発明の主旨を逸脱しない範囲でさ� ��に種々の変更を加えて実施することが可能� ��ある。