JP2000121189A - Split stirling refrigerator and method for designing split stirling refrigerator - Google Patents
Split stirling refrigerator and method for designing split stirling refrigeratorInfo
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- JP2000121189A JP2000121189A JP10289223A JP28922398A JP2000121189A JP 2000121189 A JP2000121189 A JP 2000121189A JP 10289223 A JP10289223 A JP 10289223A JP 28922398 A JP28922398 A JP 28922398A JP 2000121189 A JP2000121189 A JP 2000121189A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
Landscapes
- Compressor (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機とコールド
ヘッドとがキャピラリチューブで接続された構成のスタ
ーリングサイクルを利用した冷凍機であるスプリット式
スターリング冷凍機と、その設計方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a split type Stirling refrigerator which is a refrigerator using a Stirling cycle in which a compressor and a cold head are connected by a capillary tube, and a design method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】冷凍機の一種として、スターリングサイ
クル(逆スターリングサイクル、カークサイクルとも称
される)を利用したスターリング冷凍機と呼ばれる冷凍
機が知られている。スターリング冷凍機は、圧縮機とコ
ールドヘッドとがクランク機構で連結されたものと、連
結されていないものに大別され、冷却すべき対象物が振
動を嫌うものであった場合等には、後者の形態のスター
リング冷凍機(スプリット式スターリング冷凍機と呼ば
れている)が用いられている。2. Description of the Related Art As one type of refrigerator, a refrigerator called a Stirling refrigerator using a Stirling cycle (also called a reverse Stirling cycle or a Kirk cycle) is known. Stirling refrigerators are broadly divided into those in which a compressor and a cold head are connected by a crank mechanism and those in which they are not connected. (Referred to as a split-type Stirling refrigerator).
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】スプリット式スターリ
ング冷凍機には、大きなCOP(Coefficient Of Perfor
mance;冷凍能力/消費電力)値を有することが望まれ
る。しかしながら、従来、スプリット式スターリング冷
凍機の設計、製造は、半ば試行錯誤的な手順で行われて
いたため、そのCOP値は、最大でも2.3%程度の値
となっていた。A split type Stirling refrigerator has a large COP (Coefficient Of Perfor
mance (refrigeration capacity / power consumption) value is desired. However, conventionally, the design and manufacture of the split type Stirling refrigerator have been performed by a trial-and-error procedure, and the COP value has been at most about 2.3%.
【0004】そこで、本発明の課題は、より大きなCO
P値を有するスプリット式スターリング冷凍機を提供す
ることにある。Accordingly, an object of the present invention is to provide a larger CO
An object of the present invention is to provide a split type Stirling refrigerator having a P value.
【0005】また、本発明の他の課題は、より大きなC
OP値を有するスプリット式スターリング冷凍機を設計
できるスプリット式スターリング冷凍機の設計方法を提
供することにある。Another object of the present invention is to provide a larger C
An object of the present invention is to provide a design method of a split type Stirling refrigerator which can design a split type Stirling refrigerator having an OP value.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に鋭意研究を行った結果、本発明者らは、コールドヘッ
ドが備える熱交換器の重量とその熱交換器に取り付けら
れる機械バネのバネ定数とから算出される固有振動数
の、駆動周波数に対する比を、0.97〜1.3の範囲
内の値、特に、約1.1とすれば、大きなCOP値を有
するスプリット式スターリング冷凍機が得られることを
見出した。As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have found that the weight of the heat exchanger provided in the cold head and the mechanical spring attached to the heat exchanger If the ratio of the natural frequency calculated from the constant to the drive frequency is set to a value in the range of 0.97 to 1.3, particularly about 1.1, a split type Stirling refrigerator having a large COP value Was obtained.
【0007】なお、上記条件を満たすスプリット式スタ
ーリング冷凍機の設計は、駆動周波数をあらかじめ決定
しておき、“固有振動数/駆動周波数”が、0.97〜
1.3の範囲内の値となるように固有振動数を決定する
ようにしても、逆に、固有振動数を予め決定ししてお
き、その後、駆動周波数を決定するようにしても行うこ
とができる。また、熱交換器の固有振動数を所望の値と
するためには、熱交換器の重量を変化させても、その機
械バネのバネ定数を変化させても良い。ただし、駆動周
波数の調整、重量の調整は、煩雑な作業となることが多
いので、機械バネのバネ定数を調整することにより、上
記条件が満たされるようにすることが望ましい。In the design of the split type Stirling refrigerator which satisfies the above conditions, the driving frequency is determined in advance, and the "natural frequency / driving frequency" is 0.97 to
The natural frequency may be determined so as to have a value within the range of 1.3, or the natural frequency may be determined in advance, and then the driving frequency may be determined. Can be. Further, in order to set the natural frequency of the heat exchanger to a desired value, the weight of the heat exchanger may be changed or the spring constant of the mechanical spring may be changed. However, the adjustment of the driving frequency and the adjustment of the weight are often complicated operations, so that it is desirable to adjust the spring constant of the mechanical spring so that the above condition is satisfied.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して具体的に説明する。まず、図1を用いて、本
発明の一実施形態にかかるスプリット式スターリング冷
凍機の構成、動作の概要を説明する。Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. First, the configuration and operation of a split-type Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
【0009】図示したように、実施形態のスプリット式
スターリング冷凍機は、圧縮機11とコールドヘッド1
2とそれらを繋ぐキャピラリチューブ13とを備える。As shown in the figure, the split type Stirling refrigerator of the embodiment comprises a compressor 11 and a cold head 1.
2 and a capillary tube 13 connecting them.
【0010】圧縮機11は、ヨーク21と保圧容器22
と圧縮ピストン23とピストン制御スプリング24とを
含む。ヨーク21は、図示してあるように、圧縮ピスト
ン23のシリンダとして機能するような構造を有してお
り、圧縮ピストン23に対して固定された可動コイル2
5が挿入される環状の溝と、当該溝の外側内壁をなすよ
うに埋め込まれた永久磁石26とを備えている。The compressor 11 includes a yoke 21 and a pressure-holding vessel 22.
And a compression piston 23 and a piston control spring 24. As shown, the yoke 21 has a structure that functions as a cylinder of the compression piston 23, and the movable coil 2 fixed to the compression piston 23.
5 is provided with an annular groove into which is inserted, and a permanent magnet 26 embedded so as to form an outer inner wall of the groove.
【0011】保圧容器22は、ヨーク21に固定されて
おり、圧縮ピストン23が収容される空間であって、ヘ
リウムなどの不活性ガスが充填される空間である保圧空
間を形成している。また、図示は省略してあるが、保圧
容器22には、気密電源端子が設けられており、当該機
密電源端子を介して、可動コイル25は、外部電源と接
続される。ピストン制御スプリング24は、圧縮ピスト
ン23と保圧容器22とを連結するように(圧縮ピスト
ン23を中立点に保てるように)、圧縮ピストン23と
保圧容器22との間に設けられている。The pressure holding container 22 is fixed to the yoke 21 and forms a pressure holding space in which the compression piston 23 is accommodated and which is filled with an inert gas such as helium. . Although not shown, an airtight power supply terminal is provided in the pressure holding container 22, and the movable coil 25 is connected to an external power supply via the confidential power supply terminal. The piston control spring 24 is provided between the compression piston 23 and the pressure holding container 22 so as to connect the compression piston 23 and the pressure holding container 22 (to maintain the compression piston 23 at a neutral point).
【0012】コールドヘッド12は、その内部空間がシ
リンダとして機能するハウジング部31と、熱交換のた
めの蓄冷材(金網など)を収納したディスプレーサであ
るディスプレーサ蓄冷器32と、ディスプレーサ蓄冷器
32を中立点に保つためのディスプレーサ制御スプリン
グ33を備える。The cold head 12 has a housing 31 whose inner space functions as a cylinder, a displacer regenerator 32 which is a displacer containing a regenerator material (such as a wire mesh) for heat exchange, and a displacer regenerator 32 which is neutralized. A displacer control spring 33 is provided for keeping the point.
【0013】そして、このスプリット式スターリング冷
凍機は、気密電源端子を介して可動コイル25へ交番電
流を供給することによって、圧縮ピストン23が往復動
(図において左右方向の動き)をするように制御され
る。その結果として、圧縮空間28と膨張空間34と無
効空間とからなるシステム空間内で、等温圧縮、等容移
送,等温膨張、等容移送といった4行程からなるサイク
ルが繰り返され、コールドヘッド12に取り付けられ
た、例えば、赤外線検出素子などの熱負荷の冷却が行わ
れる。The split type Stirling refrigerator controls the compression piston 23 to reciprocate (moving in the left-right direction in the figure) by supplying an alternating current to the movable coil 25 via a hermetic power supply terminal. Is done. As a result, in the system space consisting of the compression space 28, the expansion space 34, and the ineffective space, a cycle consisting of four strokes of isothermal compression, equal volume transfer, isothermal expansion, and equal volume transfer is repeated and attached to the cold head 12. For example, the cooling of the thermal load such as the infrared detecting element is performed.
【0014】要するに、実施形態のスプリット式スター
リング冷凍機の基本的な構造、動作は、従来の、リニア
モータを利用した圧縮機を搭載したスプリット式スター
リング冷凍機のそれらと同じものとなっている。ただ
し、実施形態のスプリット式スターリング冷凍機は、コ
ールドヘッドが備えるディスプレーサ蓄冷器32(熱交
換器)の重量とそれに取り付けられるディスプレーサ制
御スプリング33(機械バネ)のバネ定数とから算出さ
れる固有振動数の、圧縮機11の駆動周波数(通常、5
0又は60Hz)に対する比が、0.97〜1.3の範
囲内に収まるように設計、製造される。In short, the basic structure and operation of the split-type Stirling refrigerator according to the embodiment are the same as those of the conventional split-type Stirling refrigerator equipped with a compressor using a linear motor. However, the split type Stirling refrigerator of the embodiment has a natural frequency calculated from the weight of the displacer regenerator 32 (heat exchanger) provided in the cold head and the spring constant of the displacer control spring 33 (mechanical spring) attached thereto. Of the compressor 11 (usually 5
(0 or 60 Hz) is designed and manufactured so as to fall within a range of 0.97 to 1.3.
【0015】このような条件を課した設計に基づき製造
されたスプリット式スターリング冷凍機は、従来よりも
大きなCOP値を示すものとなる。以下、このことを、
異なるバネ定数を有する機械バネをディスプレーサ制御
スプリング33として用いた(コールドヘッド機械振動
数を変えた)幾つかのスプリット式スターリング冷凍機
のCOPの測定結果を示した図である図2を用いて、具
体的に説明する。A split-type Stirling refrigerator manufactured based on a design that imposes such conditions exhibits a larger COP value than before. In the following,
FIG. 2 is a diagram showing the COP measurement results of several split-type Stirling refrigerators using mechanical springs having different spring constants as the displacer control spring 33 (changing the cold head mechanical frequency). This will be specifically described.
【0016】図示したように、スプリット式スターリン
グ冷凍機のCOP値は、駆動周波数に対するコールドヘ
ッド機械振動数比がおよそ1.1以下であるときには、
当該比の増大に伴い増大し、断面積比がおよそ1.1以
上であるときには、断面積比の増大に伴い減少する。そ
して、前述したように、従来のスプリット式スターリン
グ冷凍機のCOP値は、最大でも2.3%(図中に点線
で示してある)であるので、この図から、周波数比が
0.97〜1.3の範囲内の値となるように設計すれ
ば、従来のスプリット式スターリング冷凍機よりも大き
なCOP値を有するスプリット式スターリング冷凍機が
得られることが分かる。また、特に、周波数比がおよそ
1.1となるようにすれば、きわめて大きなCOP値を
有するスプリット式スターリング冷凍機が得られること
も分かる。As shown in the drawing, the COP value of the split type Stirling refrigerator is calculated when the ratio of the cold head mechanical frequency to the driving frequency is about 1.1 or less.
It increases with an increase in the ratio, and decreases with an increase in the cross-sectional area ratio when the cross-sectional area ratio is about 1.1 or more. As described above, the COP value of the conventional split-type Stirling refrigerator is at most 2.3% (indicated by a dotted line in the figure). It can be seen that if the value is designed to fall within the range of 1.3, a split Stirling refrigerator having a larger COP value than the conventional split Stirling refrigerator can be obtained. In addition, it can be seen that a split type Stirling refrigerator having an extremely large COP value can be obtained particularly when the frequency ratio is set to about 1.1.
【0017】なお、実施形態として説明したスプリット
式スターリング冷凍機は、リニアモータを利用したもの
であったが、上記技術は、回転モータを利用したスプリ
ット式スターリング冷凍機にも適用することができる。Although the split-type Stirling refrigerator described as the embodiment uses a linear motor, the above technology can be applied to a split-type Stirling refrigerator using a rotary motor.
【0018】[0018]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明のスプリ
ット式スターリング冷凍機は、大きなCOP値を有する
ので、本発明によれば、消費電力がより少ない、あるい
は、冷却能力がより高いスプリット式スターリング冷凍
機が得られることになる。また、本発明によるスプリッ
ト式スターリング冷凍機の設計方法によれば、そのよう
なスプリット式スターリング冷凍機を容易に設計できる
ことになる。As described above, the split type Stirling refrigerator according to the present invention has a large COP value. Therefore, according to the present invention, the split type Stirling refrigerator has a smaller power consumption or a higher cooling capacity. A Stirling refrigerator will be obtained. Further, according to the method of designing a split-type Stirling refrigerator according to the present invention, such a split-type Stirling refrigerator can be easily designed.
【図1】本発明の一実施形態にかかるスプリット式スタ
ーリング冷凍機の構成を説明するための断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a split-type Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
【図2】コールドヘッド機械振動数の、駆動周波数に対
する比が異なるスプリット式スターリング冷凍機のCO
P値の測定結果を示したグラフである。FIG. 2 shows the CO of a split type Stirling refrigerator having different ratios of the mechanical frequency of the cold head to the driving frequency.
It is the graph which showed the measurement result of P value.
11 圧縮機 12 コールドヘッド 13 キャピラリチューブ 21 ヨーク 22 保圧容器 23 圧縮ピストン 24 ピストン制御スプリング 25 可動コイル 26 永久磁石 28 圧縮空間 31 ハウジング部 32 ディスプレーサ蓄冷器(熱交換器) 33 ディスプレーサ制御スプリング(機械バネ) 34 膨張空間 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Compressor 12 Cold head 13 Capillary tube 21 Yoke 22 Pressure holding container 23 Compression piston 24 Piston control spring 25 Moving coil 26 Permanent magnet 28 Compression space 31 Housing part 32 Displacer regenerator (heat exchanger) 33 Displacer control spring (mechanical spring) ) 34 Expansion space
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 年雄 東京都田無市谷戸町2丁目1番1号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内 (72)発明者 田口 芳人 東京都田無市谷戸町2丁目1番1号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Toshio Uchida 2-1-1 Tanidocho, Tanashi-shi, Tokyo Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Inside Tanashi Factory (72) Inventor Yoshito Taguchi 2-chome, Yatocho, Tanashi-shi, Tokyo No. 1-1 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Tanashi Factory
Claims (3)
チューブで接続されたスプリット式スターリング冷凍機
において、 前記コールドヘッドが備える熱交換器の重量とその熱交
換器に取り付けられる機械バネのバネ定数とから算出さ
れる固有振動数の、前記圧縮機の駆動周波数に対する比
が、0.97〜1.3の範囲内の値となっていることを
特徴とするスプリット式スターリング冷凍機。1. A split type Stirling refrigerator in which a compressor and a cold head are connected by a capillary tube, wherein a weight of a heat exchanger provided in the cold head and a spring constant of a mechanical spring attached to the heat exchanger are determined. The ratio of the calculated natural frequency to the drive frequency of the compressor is a value within a range of 0.97 to 1.3.
徴とする請求項1記載のスプリット式スターリング冷凍
機。2. The split-type Stirling refrigerator according to claim 1, wherein the ratio is approximately 1.1.
チューブで接続されたスプリット式スターリング冷凍機
の設計方法において、 前記コールドヘッドが備える熱交換器の重量とその熱交
換器に取り付けられる機械バネのバネ定数とから算出さ
れる固有振動数の、前記圧縮機の駆動周波数に対する比
が、0.97〜1.3の範囲内の値となるように設計す
ることを特徴とするスプリット式スターリング冷凍機の
設計方法。3. A design method of a split type Stirling refrigerator in which a compressor and a cold head are connected by a capillary tube, wherein a weight of a heat exchanger provided in the cold head and a spring of a mechanical spring attached to the heat exchanger are provided. The ratio of the natural frequency calculated from the constant to the drive frequency of the compressor is designed to be a value within the range of 0.97 to 1.3. Design method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10289223A JP2000121189A (en) | 1998-10-12 | 1998-10-12 | Split stirling refrigerator and method for designing split stirling refrigerator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10289223A JP2000121189A (en) | 1998-10-12 | 1998-10-12 | Split stirling refrigerator and method for designing split stirling refrigerator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000121189A true JP2000121189A (en) | 2000-04-28 |
Family
ID=17740392
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP10289223A Pending JP2000121189A (en) | 1998-10-12 | 1998-10-12 | Split stirling refrigerator and method for designing split stirling refrigerator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000121189A (en) |
-
1998
- 1998-10-12 JP JP10289223A patent/JP2000121189A/en active Pending
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040316 |