JP2001241795A - Structure of gas operating space of pulse tube type stirling refrigerating machine and pulse tube type stirling refrigerating machine using the same - Google Patents

Structure of gas operating space of pulse tube type stirling refrigerating machine and pulse tube type stirling refrigerating machine using the same

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JP2001241795A
JP2001241795A JP2000092416A JP2000092416A JP2001241795A JP 2001241795 A JP2001241795 A JP 2001241795A JP 2000092416 A JP2000092416 A JP 2000092416A JP 2000092416 A JP2000092416 A JP 2000092416A JP 2001241795 A JP2001241795 A JP 2001241795A
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pulse tube
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tube type
compression
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Yoshihiro Ishizaki
嘉宏 石崎
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ECTI KK
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EKUTEII KK
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    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
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    • F25B2309/1426Pulse tubes with basic schematic including at the pulse tube warm end a so called warm end expander

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive and highly efficient refrigerating machine with low noise and vibration, components thereof and particularly a configuration and a structure of a gas operating space in a cryogenic refrigerating machine currently put to practical use. SOLUTION: In a structure of a gas operating space of a pulse tube type Stirling refrigerating machine and a pulse tube type Stirling refrigerating machine using the structure of the gas operating space, a single or a plurality of radiatots, a cold storage device, a cold head, a pulse tube, a rectifier or the like are connected between a gas compression space comprising two or four fixed pistons having inner parts cooled and two or four movable cylinders including expansible bellows and a gas expansion space comprising two or four fixed pistons and two or four movable cylinders. The movable cylindrs are driven by a linear motor to generate low temperature.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、パルス管式スター
リング冷凍機のガス作動空間、詳しくは作動ガスの圧縮
空間部および膨張空間部の構造並びにそれを使用したパ
ルス管式スターリング冷凍機に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas working space of a pulse tube type Stirling refrigerator, and more particularly, to a structure of a compression space portion and an expansion space portion of a working gas and a pulse tube type Stirling refrigerator using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】本発明の対象であるこの方式について
は、本出願人による、特許第2706980号「パルス
管式冷凍機」、特許第2824946号「断熱型パルス
管式冷凍機」、特許第2943030号「パルス管式ス
ターリング冷凍機」および特開平9−170552「対
向ピストン形圧縮機」、並びに本出願人の技術論文であ
る、1)Y.ISHIZAKI & E.ISHIZA
KI「Experimental Performan
ce of Modified Pulse Tube
Refrigerator below 80K d
own 23K」Internatinal Cryo
cooler Conference,Nov.171
9(Santa Fe)1992、2)Y.ISHIZ
AKI &E.ISHIZAKI「PROTO TYP
EOF PULSE TUBE REFRIGERAT
OR FOR PRACTICAL USE」Cryo
genic Engineering Confere
nce,July 12〜16(Albuquerqu
e)1993、で知られており、低温生成に関する原理
的な詳細や一段サイクルでも23.5K(約マイナス2
49.5℃)を生成できることなどが開示されている。
2. Description of the Related Art Regarding this method, which is the object of the present invention, Japanese Patent No. 2706980 "Pulse tube refrigerator", Japanese Patent No. 2824946 "Adiabatic pulse tube refrigerator", and Patent No. 2943030 by the present applicant. No. "Pulse tube type Stirling refrigerator" and Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-170552 "Opposed piston type compressor", and the technical paper of the present applicant, 1) Y. ISHIZAKI & E. ISHIZA
KI "Experimental Performance"
ce of Modified Pulse Tube
Refrigerator below 80K d
own 23K "International Cryo
cooler Conference, Nov. 171
9 (Santa Fe) 1992, 2) Y. ISHIZ
AKI & E. ISHIZAKI "PROTO TYP
EOF PULSE TUBE REFRIGERAT
OR FOR PRACTICAL USE "Cryo
genetic Engineering Confere
nce, July 12-16 (Albuquerqu
e) 1993, which is 23.5K (about minus 2
49.5 ° C.).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在実
用化されている、極低温用冷凍機においては、より高効
率であり、より低騒音・振動、より廉価であることが大
きく要求されており、これを満足する冷凍機およびそれ
を構成する構成要素、特にガス作動空間の構成、構造が
期待されている。
However, in the cryogenic refrigerator currently in practical use, there is a great demand for higher efficiency, lower noise / vibration, and lower cost. A refrigerator that satisfies this and a constituent element thereof, particularly a configuration and a structure of a gas working space are expected.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明は(1)内部が冷却される2個、または4個
の固定ピストンおよび2個、または4個の伸縮するベロ
ーズを含む可動シリンダーで構成されるガスの圧縮空間
部と、2個、または4個の固定ピストンとその2個、ま
たは4個の可動シリンダーから構成されるガスの膨張空
間部との間に、単数、または複数の放熱器、蓄冷器、コ
ールドヘッド、パルス管、整流器等を接続し、可動シリ
ンダーをリニアーモーターで駆動させて低温生成するこ
とを特徴とするパルス管式スターリング冷凍機のガス作
動空間の構造により解決しようとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides (1) a movable type including two or four fixed pistons whose inside is cooled and two or four telescopic bellows. One or more gas compression spaces between the gas compression space composed of cylinders and the gas expansion space composed of two or four fixed pistons and their two or four movable cylinders The radiator, regenerator, cold head, pulse tube, rectifier, etc. are connected, and the movable cylinder is driven by a linear motor to generate low temperature. What you want to do.

【0005】また、単数または複数のガスの膨張空間部
の容積変化を圧縮空間部よりも早い位相差でリニアーモ
ータで駆動して、単数または複数のコールドヘッドで低
温生成することにより、また、大きいガスの圧縮空間部
の固定ピストン内をガスや液体等で冷却してガスの圧縮
熱を除くよう小さなポンプ、ヒートパイプ、サーモサイ
ホンの少なくとも1つを用いて圧縮熱を外部に放熱する
ような構造を有するパルス管式スターリング冷凍機のガ
ス作動空間の構造により、更に、可動シリンダーの左右
の動きでクランクケース内で発生するガス圧の変化を利
用し、そのガスをクランクケースに設置した吐出弁より
外部に導いて放熱し、さらにガスの膨張空間部の可動シ
リンダーに接触させるよう導いてこれを冷却し、このガ
スを圧縮空間部のクランクケースに設置した吸入弁より
クランクケース内に戻して可動シリンダーその他の部品
類を冷却するよう構成したパルス管式スターリング冷凍
機のガス作動空間の構造により解決を図らんとするもの
である。
[0005] Further, the volume change of the expansion space of one or more gases is driven by a linear motor with a phase difference earlier than that of the compression space, and a low temperature is generated by one or more cold heads. A structure that dissipates the heat of compression to the outside using at least one of a small pump, heat pipe, and thermosiphon to cool the inside of the fixed piston in the gas compression space with gas or liquid and remove the heat of gas compression. With the structure of the gas working space of the pulse tube type Stirling refrigerator having the above, further, utilizing the change of gas pressure generated in the crankcase by the left and right movement of the movable cylinder, the gas is discharged from the discharge valve installed in the crankcase. It leads outside to dissipate heat, and then leads to contact with the movable cylinder in the gas expansion space, cools it, and transfers this gas to the compression space. Back from the suction valve installed in crankcase in the crankcase is intended to do attempted to solve the structure of a gas working space configuration the pulse tube type Stirling refrigerator to cool the moving cylinders and other components such.

【0006】また、異なる直径または同一直径のベロー
ズや円筒型の可動シリンダーにより、複数のガスの圧縮
空間部や膨張空間部、あるいは複数のガスの圧縮空間部
と膨張空間部とを形成し、これらを複数個組み合わせて
構成したことを特徴とし、更に可動板と固定ピストン内
や、可動板とクランクケースとの間に、往復動する可動
板の水平方向の中心軸がずれて固定ピストンに接触しな
いよう近接スイッチ、位置センサー、軸受を設置して、
コンピュータを内包するエレクトロス系で運転制御する
ようにしたことを特徴とするパルス管式スターリング冷
凍機のガス作動空間の構造により解決しようとするもの
である。
Further, a plurality of gas compression spaces and expansion spaces, or a plurality of gas compression spaces and expansion spaces are formed by bellows or cylindrical movable cylinders having different or identical diameters. In addition, the horizontal center axis of the reciprocating movable plate is displaced between the movable plate and the fixed piston or between the movable plate and the crankcase, and does not contact the fixed piston. Install proximity switches, position sensors, bearings,
It is an object of the present invention to solve the problem by a structure of a gas working space of a pulse tube type Stirling refrigerator characterized in that the operation is controlled by an electro-system including a computer.

【0007】更にまた、ガスの圧縮空間部のガス口や、
ガスの圧縮空間部と小さなガス膨張空間部のクランクケ
ースのガス口に吸入弁と吐出弁をそれぞれ設置してなる
ことを特徴とするパルス管式スターリング冷凍機のガス
作動空間の構造により、また、前記ガス作動空間の構造
を使用したことを特徴とするパルス管式スターリング冷
凍機により解決せんとするものである。
Further, a gas port in a gas compression space portion,
Due to the structure of the gas working space of the pulse tube type Stirling refrigerator, wherein a suction valve and a discharge valve are respectively installed at the gas ports of the crankcase of the gas compression space and the small gas expansion space, A pulse tube type Stirling refrigerator characterized by using the structure of the gas working space is to be solved.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】本発明は、パルス管式スターリン
グ冷凍機のガスの圧縮空間部および膨張空間部を大小8
個の固定ピストン、または4の固定ピストンと、大小8
個の、または4個の可動シリンダー(伸縮するベローズ
と円筒を含む)に取り付けたリニアーモーターのロータ
ーとクランクケースに取り付けたステーターとで駆動し
てガスの圧縮空間部と膨張空間部とを形成し、それらを
左右対称に配置して内部を冷却する固定ピストンのガス
の圧縮空間部と小さなガスの膨張空間部との間に、放熱
器、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、弁等を接続し
て、ガスの膨張空間部の容積変化をガスの圧縮空間部よ
りも40度±30度のはやい位相差で行って単数、また
は複数のコールドヘッド部において低温度の生成を単純
な機器構成・構造で、低機械振動、低騒音、高効率(高
い成績係数)で行うようにしたパルス管式スターリング
冷凍機のガスの圧縮空間部および膨張空間部の構造を有
する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention relates to a gas compression space and an expansion space of a pulse tube type Stirling refrigerator.
Fixed pistons or 4 fixed pistons and 8 large and small
One or four movable cylinders (including telescopic bellows and cylinders) are driven by a rotor of a linear motor and a stator attached to a crankcase to form a gas compression space and an expansion space. A radiator, regenerator, cold head, pulse tube, valve, etc. are connected between the fixed piston gas compression space and the small gas expansion space to cool the inside by arranging them symmetrically. The volume change of the gas expansion space is performed at a phase difference of 40 ° ± 30 ° faster than that of the gas compression space to generate low temperature in one or more cold heads with a simple device configuration / structure. The pulse tube type Stirling refrigerator has a structure of a gas compression space portion and an expansion space portion which is designed to perform with low mechanical vibration, low noise, and high efficiency (high coefficient of performance).

【0009】本発明の詳細に付き以下に述べる。第1図
はパルス管式スターリング冷凍機の要素と作動流体(以
下、ガスという)の流路系であり、このガスにはヘリウ
ム、水素、アルゴン、窒素、空気その他のガスや混合ガ
スが用いられ、そのガスの平均圧力は、約1Mpa〜
2.5MPa(10気圧〜25気圧)である。ガスの圧
縮空間部1はピストン2とシリンダー3により形成さ
れ、図示しないピストン駆動機構によりピストンロッド
4で上下駆動させると、ガスは圧縮比、2程度で変動す
る。この1とは放熱器5、断熱された蓄冷器6、コール
ドヘッド7、パルス管8からほぼ常温にある小さなガス
の10に配管を介して接続される。9はピストンリング
である。10はシリンダー11、小さなピストン12、
ピストンリング9からなり、4とはある位相差αをつけ
てロッド13で駆動され容積可変が行われるが、膨張空
間部の容積可変を圧縮空間部よりも10度から90度早
く行う。(リニアーモーターの駆動制御系で圧縮空間部
と膨張空間部との位相差制御が不可能なときには、パル
ス管8と膨張空間部10との間に、キャピラリー、ニー
ドル弁、吸入・吐出弁等から構成される流量・位相制御
機構が必要である。)
The details of the present invention will be described below. FIG. 1 shows a flow path system for components of a pulse tube type Stirling refrigerator and a working fluid (hereinafter, referred to as gas). This gas includes helium, hydrogen, argon, nitrogen, air and other gases and mixed gases. The average pressure of the gas is about 1 Mpa
2.5 MPa (10 to 25 atm). A gas compression space 1 is formed by a piston 2 and a cylinder 3. When the piston is driven up and down by a piston drive mechanism (not shown), the gas fluctuates at a compression ratio of about 2. This 1 is connected from a radiator 5, an insulated regenerator 6, a cold head 7, and a pulse tube 8 to a small gas 10 at almost normal temperature via a pipe. 9 is a piston ring. 10 is a cylinder 11, a small piston 12,
The piston ring 9 is driven by the rod 13 with a certain phase difference α from that of the piston ring 9 to change the volume. The volume of the expansion space is changed 10 to 90 degrees earlier than the compression space. (When the phase difference control between the compression space portion and the expansion space portion is impossible by the drive control system of the linear motor, a capillary, a needle valve, a suction / discharge valve, etc. are provided between the pulse tube 8 and the expansion space portion 10. A configured flow / phase control mechanism is required.)

【0010】実施例では、最適な位相角αは所要冷凍温
度T、周波数f、ガスの平均動作圧力Pm、装置内部の
死容積、圧縮空間部および膨張空間部と放熱器およびパ
ルス管までのガス配管の長さL、圧縮空間部の容積Vc
と膨張空間部Veとの容積比β、等で大きく異なる。実
験によるα曲線とβおよびCOP(成績係数)の関係を
第7図(a)、(b)に示す。
In the embodiment, the optimum phase angle α is the required freezing temperature T, the frequency f, the average operating pressure Pm of the gas, the dead volume inside the device, the compression space and the expansion space, the gas from the radiator and the pulse tube. Pipe length L, volume Vc of compression space
And the volume ratio β of the expansion space Ve. FIGS. 7 (a) and 7 (b) show the relationship between the α curve and β and COP (coefficient of performance) by the experiment.

【0011】この実験では、T=80K、α=約40
度、f=3.83、作動ガス(He)の平均動作圧力P
m=1.5MPa、圧縮空間部Vcと膨張空間部Veと
の容積比β=Vc/Ve=8.09、圧縮機から蓄冷
器、およびパルス管と膨張空間部との配管のそれぞれの
長さL=100cm、最適なαは36度でCOPは0.
035であった。すなわち、80Kで冷凍出力10W得
るのに約286Wの消費動力(モーター等の電力)を必
要とする。この実験では圧縮空間部と膨張空間部の容積
可変をピストン・クランクシャフト方式で行ったため機
械損失が大きくCOPは低かった。最低到達温度はα約
20度で23.5Kが得られた。但し、 COP(Coeficient of Perform
ance)=冷凍出力(W)/消費動力(W) COP=10W/286W=0.035
In this experiment, T = 80K, α = about 40
Degree, f = 3.83, average operating pressure P of working gas (He)
m = 1.5 MPa, volume ratio β = Vc / Ve = 8.09 between the compression space Vc and the expansion space Ve, and the length of each of the pipes from the compressor to the regenerator and the pulse tube and the expansion space L = 100 cm, optimal α is 36 degrees and COP is 0.
035. That is, in order to obtain a refrigeration output of 10 W at 80 K, power consumption (electric power of a motor or the like) of about 286 W is required. In this experiment, since the volume of the compression space and the expansion space was varied by the piston / crankshaft method, mechanical loss was large and COP was low. The minimum temperature reached 23.5K at α of about 20 degrees. However, COP (Coefficient of Perform)
anc) = Refrigeration output (W) / Power consumption (W) COP = 10W / 286W = 0.035

【0012】本発明は、このパルス管式スターリング冷
凍機のガスの圧縮空間部およびほぼ常温にある膨張空間
部の構成・構造に関するものであり、スターリング冷凍
機のように低温度で可動するディスプレーサや膨張ピス
トンを必要としない方式である。基本構造は出願人の特
開平9−170552の対向ピストン形圧縮機におい
て、2個の凸型可動ピストンと2個の凸型固定ピスト
ン、および1個の固定シリンダーにより3つのガス圧縮
空間部を形成して良好な動バランスを得ることを特徴と
して低振動・低騒音・高効率の圧縮機の構造に改良した
ものである。
The present invention relates to the structure and structure of a gas compression space and an expansion space at almost normal temperature of the pulse tube type Stirling refrigerator, and a displacer which operates at a low temperature like a Stirling refrigerator. This method does not require an expansion piston. The basic structure is that in the opposed-piston type compressor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-170552 of the applicant, three gas compression spaces are formed by two convex movable pistons, two convex fixed pistons, and one fixed cylinder. The compressor is characterized by obtaining a good dynamic balance by improving the structure of the compressor with low vibration, low noise and high efficiency.

【0013】第2図は本発明のパルス管式スターリング
冷凍機のガスの圧縮空間部の横方向の切断面構造であ
り、第1図の2、3、4で構成されるガスの圧縮空間部
1を同位相で容積可変する圧縮空間部2個を設置し、そ
れを1個の圧縮空間部としてリニアーモータで駆動する
構造である。多数の放熱フィン(図示しない)が付けら
れたクランクケース15の中心の主フランジ部16に
は、ピストン内部から冷却される固定ピストン17−
1、17−2が付けられ、その内部は冷却体、例えばア
ルコール、水、不凍液、その他の液体や、或いは作動ガ
スと同種のガスを、冷却体入り口18、冷却体分岐口1
9−1、19−2、冷却体吸入口20−1、20−2と
入れ、固定ピストンの内部を冷却して冷却体出口21よ
り外部にでる。この冷却体は図示しない放熱器、ポンプ
等の冷却系で循環させて外部で放熱する。クランクケー
ス15内のガスと熱交換器で共用しての放熱も可能であ
る。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the gas compression space of the pulse tube type Stirling refrigerator according to the present invention. This is a structure in which two compression spaces are provided, each of which has a variable volume in the same phase as one, and is driven by a linear motor as one compression space. A fixed piston 17-cooled from the inside of the piston is provided on a main flange portion 16 at the center of the crankcase 15 to which a number of radiation fins (not shown) are attached.
1 and 17-2, the inside of which is filled with a cooling body, for example, alcohol, water, antifreeze, other liquid, or a gas similar to the working gas, to the cooling body inlet 18, the cooling body branch 1
9-1 and 19-2 and the cooling body suction ports 20-1 and 20-2 are put in, and the inside of the fixed piston is cooled and goes out from the cooling body outlet 21 to the outside. This cooling body is circulated by a cooling system such as a radiator or a pump (not shown) to radiate heat outside. It is also possible to dissipate heat shared with the gas in the crankcase 15 and the heat exchanger.

【0014】このため固定ピストン17−1、17−2
のガスの圧縮空間部22−1、22−1に対する外表面
は、常に冷やされている。であるからリニアーモータの
ローター23−1、23−2(磁石型、またはコイル型
でもよい)が可動板26−1、26−1に付けられたベ
ローズ24−1、24−2とステーター25−1、25
−2で駆動され圧縮されて、ガス口27−1、27−2
よりガス口29に出てくるガスの温度は、あまり高くは
ならない。従って、等温圧縮効率が高く、室温が293
Kのとき、ガス口29では約320Kである。第1図の
29の位置に相当し、放熱器5の熱負荷は小さくて済
む。
For this reason, the fixed pistons 17-1 and 17-2
The outer surface of the gas with respect to the compression space portions 22-1, 22-1 is always cooled. Therefore, the rotors 23-1 and 23-2 (magnet type or coil type) of the linear motor are provided with bellows 24-1 and 24-2 attached to the movable plates 26-1 and 26-1, and a stator 25-. 1, 25
-2 and compressed by the gas ports 27-1 and 27-2
The temperature of the gas coming out of the gas port 29 will not be too high. Therefore, the isothermal compression efficiency is high and the room temperature is 293.
At the time of K, it is about 320K at the gas port 29. This corresponds to the position 29 in FIG. 1, and the heat load of the radiator 5 can be small.

【0015】可動板26−1、26−2、ベローズ24
−1,24−2の左右の動きによってクランクケース1
5の内部15−1、15−2のガスの圧力は微小変動す
る。この動圧を利用してこのガスを、ガス口47−1、
47−2、吐出弁31よりクランクケースの外部に導き
放熱し冷却して平フランジ32−1、32−2に設置さ
れる30−1、30−2の吸入弁よりクランクケース内
15−1、15−2に戻す。このためクランクケース1
5内にあるベローズ24−1、24−2、可動板、リニ
アーモータの部品等は常に冷却される。図示しないが、
この冷却・放熱系の設置は、伸縮するベローズ類の耐久
性やリニアーモータの効率の向上にもつながる。作動流
体と同一のガスを使用する。クランクケース内15−
1、15−2のガスは外部に放熱後に、第3図の膨張空
間部のクランクケース内で冷却してから30−1、30
−2の吸入弁に入れる場合がある。
Movable plates 26-1, 26-2, bellows 24
Crankcase 1 by left and right movement of -1, 24-2
The pressure of the gas inside 15-1, 15-2 slightly fluctuates. Using this dynamic pressure, this gas is supplied to the gas port 47-1,
47-2, the heat is guided from the discharge valve 31 to the outside of the crankcase, radiated and cooled, and the suction valves 30-1 and 30-2 installed on the flat flanges 32-1 and 32-2 are 15-1 in the crankcase from the suction valves. Return to 15-2. For this reason, crankcase 1
The bellows 24-1 and 24-2, the movable plate, the components of the linear motor, and the like, which are inside 5, are always cooled. Although not shown,
The installation of the cooling / radiating system leads to the improvement of the durability of the expanding and contracting bellows and the efficiency of the linear motor. Use the same gas as the working fluid. 15- in the crankcase
After the gases 1 and 15-2 are radiated to the outside, they are cooled in the crankcase in the expansion space shown in FIG.
-2 suction valve.

【0016】なお、第2図(a)での圧縮空間部22−
1、22−2は可動板26−1、26−2がそれぞれ下
死点にあるから最大容積を示し、また(b)図では、上
死点を示して最小容積となる。また、図示しないが、可
動板26−1,26−2と主フランジ部16および平フ
ランジ32−1、32−2との間には、可動板に付けら
れその位置を検出制御する棒状のフェライト、鉄、68
−1、68−2やコイル69−1、69−2等のセンサ
ー類や、可動板をスムースに動作させる圧縮や引っ張り
状態でセットされるスプリング70−1、70−2や、
図示しないが、そのダンピングを調整するダンパーがあ
る。さらに可動シリンダーが左右に往復動するとき固定
ピストンの中心がずれて接触しないようにベアリング等
が設置され、71−1、71−2はその一方法で、可動
板の位置を規制するスプリング機能をもつ燐青銅、ステ
ンレス等の材料による風損が起きないよう多数の穴があ
き、波形状の1枚、あるいは複数のダイアフラムであ
り、可動板26−1,26−2にはネジ72−1、71
−2と図示しないがビスでクランクケースに固定され
る。これらは、後述するすべての構成・構造に適用され
る。
The compression space 22- in FIG.
Numerals 1 and 22-2 indicate the maximum volumes because the movable plates 26-1 and 26-2 are at the bottom dead center, respectively, and in FIG. Although not shown, between the movable plates 26-1 and 26-2 and the main flange portion 16 and the flat flanges 32-1 and 32-2, a rod-shaped ferrite attached to the movable plate and detecting and controlling the position thereof is provided. , Iron, 68
-1, 68-2, coils 69-1, 69-2, etc., and springs 70-1, 70-2 set in a compressed or tensioned state for smoothly operating the movable plate,
Although not shown, there is a damper for adjusting the damping. Furthermore, when the movable cylinder reciprocates left and right, bearings and the like are installed so that the center of the fixed piston does not deviate and come into contact with the movable piston, and one of the methods 71-1, 71-2 has a spring function for regulating the position of the movable plate. A large number of holes are formed to prevent windage loss due to phosphor bronze, stainless steel, etc., and one or a plurality of corrugated diaphragms are provided. The movable plates 26-1 and 26-2 have screws 72-1. 71
It is fixed to the crankcase with screws (not shown). These are applied to all configurations and structures described later.

【0017】この方式のガスの圧縮空間部の構造は、ガ
スの圧縮行程ではそれぞれの可動板26−1、26−2
がクランクケース15の中心となる主フランジ16に向
かって動き、膨張・等容行程ではそれぞれ反対の平フラ
ンジ32−1、32−2の方向に動くため、機械振動の
発生は極めて少ない。
The structure of the gas compression space portion of this system is such that the movable plates 26-1 and 26-2 are provided during the gas compression process.
Move toward the main flange 16, which is the center of the crankcase 15, and move in the directions of the opposite flat flanges 32-1 and 32-2 during the expansion / equal volume stroke, so that the occurrence of mechanical vibration is extremely small.

【0018】第3図は第1図の11、12、13から構
成される膨張空間部10を、同位相で容積可変する膨張
空間部を2個(33−1、33−2)設置し、これにリ
ニアーモーター(ステータ34−1、34−2、ロータ
ー35−1,35−2)を付加して駆動し、1個の膨張
空間部を構成する構造である。構造的には第2図のガス
の圧縮空間部の構成・構造とほぼ同じである。膨張空間
部33−1、33−2で容積可変されるガスは、ガス口
36−1、36−2よりガスの出入口37に通じる。3
7は、第1図の37の位置に相当しパルス管8とは配管
を介して接続する。
FIG. 3 shows two expansion spaces (33-1, 33-2) of the expansion space 10 composed of 11, 12, and 13 shown in FIG. The linear motors (stators 34-1 and 34-2, rotors 35-1 and 35-2) are additionally provided and driven to form one expansion space. The structure is substantially the same as the configuration and structure of the gas compression space shown in FIG. The gas whose volume is variable in the expansion spaces 33-1 and 33-2 passes through the gas ports 36-1 and 36-2 to the gas inlet / outlet 37. Three
Reference numeral 7 corresponds to a position 37 in FIG. 1 and is connected to the pulse tube 8 via a pipe.

【0019】可動板39−1、39−2にはローター3
5−1、35−2とベローズ38−1、38−2が付け
られる。なお、可動板39−1、39−2とクランクケ
ース44の中心部43および平フランジ39−1、39
−2、および固定ピストンとの間には、膨張空間部でガ
スの吸入・膨張などの行程をスムースに、また死容積を
少なくしたり固定ピストンとの衝突防止のため、可動板
の精密な位置制御をスプリング40−1、40−2を初
め、第2図の圧縮部の構成・構造と同様に、図示しない
位置センサーやダンパーの調整器等が設置されている。
The rotor 3 is attached to the movable plates 39-1 and 39-2.
5-1 and 35-2 and bellows 38-1 and 38-2 are attached. The movable plates 39-1 and 39-2, the central portion 43 of the crankcase 44, and the flat flanges 39-1 and 39-1
-2, and between the fixed piston, the precise position of the movable plate in order to reduce the dead volume and prevent collision with the fixed piston, in order to reduce the dead volume and prevent collision with the fixed piston in the expansion space. Control is provided with a position sensor, a damper adjuster, and the like (not shown) as well as the springs 40-1 and 40-2, as well as the configuration and structure of the compression unit in FIG.

【0020】41−1、41−2は、膨張空間部33−
1、33−2でのガスの膨張時の温度降下でベローズ3
8−1、38−2の過冷却を防ぐため、第2図に示した
圧縮空間部のクランクケース15内で温度の高くなった
ガスを放熱(大気、または液体に)後に吸入してクラン
クケース内45−1,45−2のベローズ等を加温し、
吐出弁42より30−1、30−2の吸入弁に戻す。す
なわち、この循環ガスは圧縮空間部を構成するクランク
ケース内のベローズ、リニヤーモータ等を冷却し、温度
の高くなったガスを熱交換器を介して水等の液体や大気
に放熱し、そのあと膨張空間部で冷却し、圧縮空間部の
クランクケース内に戻すよう構成され、これが連続的に
行われる。
Reference numerals 41-1 and 41-2 denote expansion space portions 33-.
Bellows 3 due to temperature drop during expansion of gas at 1, 33-2
In order to prevent overcooling of the crankcases 8-1 and 38-2, the gas whose temperature has increased in the crankcase 15 in the compression space shown in FIG. Heat bellows 45-1 and 45-2,
The discharge valve 42 returns to the suction valves 30-1 and 30-2. In other words, this circulating gas cools the bellows, linear motor, etc. in the crankcase that constitutes the compression space, radiates the hot gas to a liquid such as water or the atmosphere through a heat exchanger, and then expands. It is configured to cool in the space and return it into the crankcase of the compression space, which is done continuously.

【0021】なお、コールドヘッド7(第1図)で、冷
凍出力を80Kで数十Wの冷凍機の場合には、運転条件
によっては膨張空間部の構造全体の過冷却(273K以
下)を防ぐため、固定ピストン46−1、46−2を第
2図の固定ピストンのように内部をくり抜いて加熱する
ようにした方が、ベローズ38−1、38−2の耐久性
上好ましい。(a)では膨張空間部33−1、33−2
は同位相で下死点(最大容積)を示し、(b)では上死
点(最小容積)を示す。
In the case of a refrigerator with a cold head 7 (FIG. 1) and a refrigeration output of 80 K and several tens of watts, depending on the operating conditions, the entire structure of the expansion space is prevented from being supercooled (273 K or less). Therefore, it is preferable from the viewpoint of durability of the bellows 38-1 and 38-2 that the fixed pistons 46-1 and 46-2 be hollowed out and heated like the fixed pistons in FIG. In (a), the expansion spaces 33-1 and 33-2 are used.
Indicates the bottom dead center (maximum volume) in the same phase, and (b) indicates the top dead center (minimum volume).

【0022】低温生成は、圧縮空間部と膨張空間部の可
動板26−1、26−2、39−1、39−2にそれぞ
れ2個づつ付けられたリニアーモータのロータ23−
1、23−2、39−1、39−2と、図示しない可動
板の位置制御および周波数制御用のコンピュータを内包
するエレクトロニックス回路系で駆動する。封入される
作動流体は主にヘリウムガスで、圧力は1Mp〜2.5
Mpa(約10〜25気圧)の範囲である。膨張空間部
33−1、33−2は圧縮空間部22−1、22−2の
可変容積の変化よりも位相角αを、10度から90度進
めるようにしてエレクトロニックス系で駆動する。
The low temperature is generated by two linear motor rotors 23-2 attached to the movable plates 26-1, 26-2, 39-1 and 39-2 in the compression space portion and the expansion space portion, respectively.
1, 23-2, 39-1, and 39-2, and an electronic circuit system including a computer (not shown) for position control and frequency control of the movable plate. The working fluid to be enclosed is mainly helium gas, and the pressure is 1 Mp to 2.5.
Mpa (about 10-25 atm). The expansion spaces 33-1 and 33-2 are driven by an electronic system such that the phase angle α is advanced from 10 degrees to 90 degrees more than the change in the variable volume of the compression spaces 22-1 and 22-2.

【0023】第7図に実験値を示すが、先にのべたがα
は所要冷凍温度によって異なり、所要温度が低くなるに
従って小さくなる。圧力も1MPa以下で、βも8〜1
2がよい。
FIG. 7 shows the experimental values.
Depends on the required freezing temperature, and decreases as the required temperature decreases. Pressure is 1MPa or less, β is 8 ~ 1
2 is better.

【0024】第1図で、第2図の膨張空間部のガス口2
9から理論的には等温圧縮されたガスは放熱器5で放熱
し、等容的に蓄冷器6で冷やされコールドヘッド7、パ
ルス管8、ガスの出入口37より膨張部33−1、33
−2に入り、等温的に膨張する。次にこの低温になった
ガスは逆向きの流れとなって等容的に圧縮空間部に戻
る。この行程を繰り返して低温生成を行い、コールドヘ
ッド7で被冷却材を冷却する。冷凍出力はガスの圧力お
よび圧縮空間部と膨張空間部の容積、並びに運転周波数
で決まる。
In FIG. 1, the gas port 2 in the expansion space shown in FIG.
9, the gas which is theoretically isothermally compressed is radiated by the radiator 5, and is cooled isosterically by the regenerator 6, and is expanded from the cold head 7, the pulse tube 8, and the gas inlet / outlet 37 through the expansion portions 33-1 and 33.
-2 and expands isothermally. Next, the low temperature gas flows in the opposite direction and returns to the compression space portion in an equal volume. This process is repeated to generate a low temperature, and the cold head 7 cools the material to be cooled. The refrigeration output is determined by the gas pressure, the volume of the compression space and the expansion space, and the operating frequency.

【0025】最適な位相角αは所要冷凍温度T、周波数
f、ガスの平均動作圧力Pm、装置内部の死容積、圧縮
空間部および膨張空間部と放熱器およびパルス管までの
ガス配管の長さL、圧縮空間部の容積V、圧縮空間部と
膨張空間部との容積比β、等で大きく異なる。実験によ
るα曲線とβおよびCOPの関係を第7図(a)、
(b)に示したが、実験では、COPは80Kで0.0
35であった。
The optimum phase angle α is the required refrigeration temperature T, frequency f, average operating pressure of gas Pm, dead volume inside the apparatus, length of the gas pipe from the compression space and expansion space, the radiator and the pulse tube. L, the volume V of the compression space, the volume ratio β between the compression space and the expansion space, and the like. FIG. 7 (a) shows the relationship between the α curve and β and COP by experiment.
As shown in (b), in the experiment, the COP was 0.0K at 80K.
35.

【0026】本発明の2個の圧縮空間部と2個の膨張空
間部の容積の可変を、それぞれリニアーモータ駆動によ
る行う方式では、固定ピストンが内部から冷却されるか
らガスの圧縮行程における等温圧縮効率が高くなり、可
動部品数が少なく低重量のため、電磁気的・機械的な効
率の向上からCOPは0.04以上が期待できる。
In the system of the present invention, in which the volumes of the two compression spaces and the two expansion spaces are varied by driving the linear motor, respectively, the fixed piston is cooled from the inside, so that the isothermal compression in the gas compression process is performed. Since the efficiency is high, the number of moving parts is small, and the weight is low, a COP of 0.04 or more can be expected from the improvement of electromagnetic and mechanical efficiency.

【0027】第4図はスターリング型パルス管冷凍機を
2系統複合させた流路図である。左は第1図と同じであ
り、放熱器48、蓄冷器49、コールドヘッド50、パ
ルス管51の形状、構造、熱負荷容量のそれぞれを同一
とすれば、コールドヘッド7と50では、7での冷凍出
力の2倍以上が得られ、機械効率の向上からCOPも高
くなる。また6の蓄冷容量を増やしパルス管8の長さを
長くして、コールドヘッド50の冷凍を6と8、および
図示しない熱輻射防止板の冷却に用いれば、例えばコー
ルドヘッド50では80K、コールドヘッド7では9K
〜15Kを得ることが容易である。
FIG. 4 is a flow diagram of a two-system Stirling type pulse tube refrigerator. The left is the same as FIG. 1. If the shape, structure, and heat load capacity of the radiator 48, the regenerator 49, the cold head 50, and the pulse tube 51 are the same, the cold heads 7 and 50 have a value of 7. Is obtained, and the COP is increased due to the improvement in mechanical efficiency. Further, if the cold storage capacity of 6 is increased and the length of the pulse tube 8 is lengthened, and the refrigeration of the cold head 50 is used for cooling 6 and 8 and a heat radiation preventing plate (not shown), for example, the cold head 50 has 80K, 9 for 9K
It is easy to obtain ~ 15K.

【0028】第3図、第4図の圧縮空間部と膨張空間部
の容積がそれぞれ2倍となり、運転条件を同一にして比
較すると、より高効率となって80KのCOPは0.0
5に近づこう。
3 and 4, the volumes of the compression space portion and the expansion space portion are each doubled, and when compared under the same operating conditions, the efficiency becomes higher and the COP at 80K becomes 0.0
Let's approach 5.

【0029】第5図、第6図は第4図の流路系におい
て、8個の固定ピストンと8個の可動シリンダーを用い
て、4個の圧縮空間部と4個の膨張空間部を構成する複
動型のパルス管式スターリング冷凍機のガスの圧縮空間
部および膨張空間部の構成と構造である。圧縮空間部2
2−1、22−2の最大容積は膨張空間部33−1、3
3−2の数倍(約4〜9倍)大きい。
FIGS. 5 and 6 show the flow path system shown in FIG. 4, in which eight fixed pistons and eight movable cylinders are used to form four compression spaces and four expansion spaces. 1 is a configuration and structure of a gas compression space portion and an expansion space portion of a double-acting pulse tube type Stirling refrigerator. Compression space 2
The maximum volumes of 2-1 and 22-2 are the expansion spaces 33-1 and 3-1, respectively.
It is several times (about 4 to 9 times) larger than 3-2.

【0030】第5図は第2図の圧縮部22−1,22−
2を形成する可動板26−1、26−2の反対側にも可
動シリンダー51−1、51−2を付加し、固定ピスト
ン52−1、52−2を設置して圧縮空間部53−1、
53−2を形成し、そのガスはガス口54−1、54−
2につながり、双方は第4図の放熱器48で一本化され
る。第5図の(a)では圧縮空間部22−1,22−2
は最大容積であり、その反対側の圧縮空間部53−1、
53−2では最小容積となる。(b)図は可動板26−
1、26−2が主フランジ16の方向に動いたときの右
半分を示すが、圧縮空間部53−1、53−2は最大容
積となる。
FIG. 5 shows the compression units 22-1 and 22 shown in FIG.
The movable cylinders 51-1 and 51-2 are also added to the opposite sides of the movable plates 26-1 and 26-2 forming the second unit 2, and the fixed pistons 52-1 and 52-2 are installed to set the compression space 53-1. ,
53-2, and the gas is supplied to gas ports 54-1 and 54-.
2, and both are unified by the radiator 48 of FIG. In FIG. 5A, the compression spaces 22-1 and 22-2 are used.
Is the maximum volume, and the compression space 53-1 on the opposite side,
53-2 is the minimum volume. (B) The figure shows the movable plate 26-
The right half when 1, 26-2 moves in the direction of the main flange 16 is shown, but the compression spaces 53-1 and 53-2 have the maximum volumes.

【0031】可動板26−1、26−2にそれぞれ1個
付けられたリニアーモーターのローター23−1、23
−2とステーター25−1、25−2とにより、それぞ
れの圧縮空間部53−1、53−2、22−1、23−
2の容積が可変され、駆動方式は第2図の方式と同じで
ある。クランクケース内15−1、15−2にある部品
類は、吸入弁30−1、30−2よりの冷えたガスによ
り冷却され、吐出弁31よりクランクケース15の外部
に出て大気や冷却流体等に放熱したり、あるいは膨張空
間部のクランクケース内で冷やされ循環する。
The rotors 23-1 and 23 of the linear motor attached to the movable plates 26-1 and 26-2, respectively.
-2 and the stators 25-1, 25-2, the respective compression spaces 53-1, 53-2, 22-1, 23-
2, the drive system is the same as the system of FIG. Parts in the crankcases 15-1 and 15-2 are cooled by the cooled gas from the suction valves 30-1 and 30-2, and then come out of the crankcase 15 from the discharge valve 31 to the atmosphere or the cooling fluid. Etc., or is cooled and circulated in the crankcase in the expansion space.

【0032】また、固定ピストン17−1、17−2、
52−、52−2の内部は同一の冷却流体が18、19
−1、19−2と18−1、19−3および18−2、
19−4から入り、固定ピストン内を冷却して、20−
1、20−2から21、22−3から21−1、22−
4から21−2と出る。これら21、21−1、21−
2からの流体は一流路にまとめられ、大気や冷却流体、
例えば水に放熱して冷却され小ポンプで循環される。ま
た、これらの冷却方法は、膨張空間部内のコールドを利
用したりする第2図の圧縮空間部の冷却方法と同じであ
る。
The fixed pistons 17-1 and 17-2,
The same cooling fluid 18 and 19 are provided inside 52-and 52-2.
-1, 19-2 and 18-1, 19-3 and 18-2,
Enter from 19-4, cool the inside of the fixed piston,
1, 20-2 to 21, 22-3 to 21-1, 22-
Exit from 4 to 21-2. These 21, 21-1, 21-
Fluids from 2 are combined into one flow path, air, cooling fluid,
For example, heat is radiated to water and cooled and circulated by a small pump. Further, these cooling methods are the same as the cooling method of the compression space portion shown in FIG. 2 utilizing cold in the expansion space portion.

【0033】第6図は第3図の膨張空間部の構成・構造
において、2個の膨張空間部33−1、33−2の他
に、ローター35−1、35−2を付けた可動板39−
1、39−2の反対側には可動シリンダー56−1、5
6−2と固定ピストン57−1、57−2を設置して同
位相で容積可変する膨張空間部56−1、56−2の2
個を形成する構成・構造である。本構造では180度の
位相で可変容積する2個の膨張空間部となり、先に説明
した第5図の圧縮部とペアで駆動して低温生成をする。
FIG. 6 shows the construction and structure of the expansion space shown in FIG. 3, in which a movable plate is provided with rotors 35-1 and 35-2 in addition to the two expansion spaces 33-1 and 33-2. 39-
Movable cylinders 56-1, 5
6-2, and expansion pistons 56-1 and 56-2, in which the fixed pistons 57-1 and 57-2 are installed and the volume is variable in phase.
This is the configuration and structure for forming the individual. In this structure, there are two expansion spaces that are variable in volume with a phase of 180 degrees, and are driven in pairs with the compression unit of FIG. 5 described above to generate low temperature.

【0034】膨張空間部33−1、33−2はガス口3
7に、膨張空間部56−1、56−2はガス口55−1
と55−2が一緒になって、第4図のパルス管51に導
通する。運転は第4図の流路系に、第5図の圧縮空間部
よりのガス口29、54−1、54−2および、第6図
の膨張空間部よりのガス口55−1、55−2を接続
し、図示しないエレクトロニクス系でそれぞれリニアー
モータで駆動し、膨張空間部の容積の可変が圧縮空間部
より速く行われるようにする。10度〜90度速く、低
温生成の効率が最大になる位相角度のパラメーターは数
多く存在する。
The expansion spaces 33-1 and 33-2 are provided with the gas ports 3
7, the expansion space portions 56-1 and 56-2 are provided with gas ports 55-1.
And 55-2 together conduct the pulse tube 51 of FIG. The operation is performed by adding gas ports 29, 54-1 and 54-2 from the compression space section in FIG. 5 and gas ports 55-1 and 55- from the expansion space section in FIG. 2 are connected to each other and driven by linear motors in an electronic system (not shown) so that the volume of the expansion space can be changed faster than that of the compression space. There are many phase angle parameters that are 10 to 90 degrees faster and maximize the efficiency of low temperature production.

【0035】なお、可動板39−1、39−2とフラン
ジ58−1、58−2およびは主フランジとの間には、
膨張空間部の死容積を少なくしたり、膨張空間容積の可
変がスムースに行われるようスプリング40−1、40
−2を初め、図示しないが可動板の位置センサー、近接
スイッチ、可動板の固定ピストンとの衝突防止機構等が
設置されている。これらの機構は第2、第3、第5、第
6図の装置にもそれぞれ内蔵されていて、図示しないコ
ンピュータを内包するエレクトロニクス駆動系で、最適
な可動板の位置制御、運転周波数などの制御が行われ
る。
The movable plates 39-1 and 39-2 and the flanges 58-1 and 58-2 and the main flange are provided between the movable plates 39-1 and 39-2 and the main flanges.
The springs 40-1 and 40-40 reduce the dead volume of the expansion space and smoothly change the volume of the expansion space.
Although not shown, a position sensor for the movable plate, a proximity switch, a mechanism for preventing the movable plate from colliding with the fixed piston, and the like are provided. These mechanisms are also incorporated in the devices shown in FIGS. 2, 3, 5 and 6, respectively, and are an electronic drive system including a computer (not shown) for controlling the position of the movable plate and controlling the operating frequency. Is performed.

【0036】また、45−1、45−2のクランクケー
ス内のガスが冷えすぎる(273K以下)の場合には、
吐出弁42よりのガスを、第5図の固定ピストン17−
1、17−2、52−1、52−2の内部を冷却して温
度が高くなった流体と図示しない熱交換器を介して温度
を高くし、吸入弁41−1、42−2より戻して適温に
する。
If the gas in the crankcases of 45-1 and 45-2 is too cold (273K or less),
The gas from the discharge valve 42 is supplied to the fixed piston 17- in FIG.
1, 17-2, 52-1 and 52-2 are cooled, and the temperature of the fluid is increased through a heat exchanger (not shown) and returned from the suction valves 41-1 and 42-2. To a suitable temperature.

【0037】この方法は第3図の膨張空間部の場合でも
同様であり、もしもこの方法でも過冷却の場合には、第
2図、第5図のガスの圧縮空間部の固定ピストンと同様
に、ピストン内部を加熱する構造にすることも可能であ
る。また、第1図、第4図の29、54−1および54
−2とには、圧縮空間部のクランクケース内との間には
図示しないが、コールドヘッド、蓄冷器等の主流路系の
圧力調整と流体汚染を防ぐため、フイルターを含む小さ
な吸入弁・吐出弁・ニードル弁等からなる流体制御機構
が接続されている。
This method is the same in the case of the expansion space shown in FIG. 3, and in the case of supercooling also in this method, similarly to the fixed piston in the gas compression space shown in FIGS. 2 and 5, FIG. It is also possible to adopt a structure in which the inside of the piston is heated. Also, 29, 54-1 and 54 in FIGS.
-2, although not shown between the compression space portion and the inside of the crankcase, a small suction valve including a filter and a discharge port for preventing pressure and fluid contamination of the main flow path system such as a cold head and a regenerator. A fluid control mechanism including a valve and a needle valve is connected.

【0038】第7図はガスの圧縮部と膨張空間部が通常
のピストン・シリンダーによる実験値5)であり、本発
明のガスの圧縮空間部および膨張空間部の構成と構造を
採用して実用化すれば、COPはさらに高くなり、最低
到達温度もより低くなることは明らかである。
FIG. 7 shows the experimental values of the gas compression section and the expansion space section using an ordinary piston / cylinder 5). The structure and structure of the gas compression space section and the expansion space section of the present invention are practically used. Obviously, the COP will be higher and the lowest temperature will be lower.

【0039】第8図(a)には、大小4個の固定ピスト
ンで大小2個の圧縮空間部を設けた構成・構造の切断面
の右半分を示す。可動板59−1と固定ピストン71−
1との間には24−1の大きなガスの圧縮空間部を形成
し、その背面の固定ピストン62−1との間では小さな
空間部22−1を構成する。b)図はベローズの可動シ
リンダーのかわりに、可動板63−1の両側に、大小2
つの円筒のシリンダー64−1、65−1がリニアーモ
ーターのロータ23−1と共に付けられた実施例の右半
分を示す。
FIG. 8 (a) shows a right half of a cut surface of a structure and a structure in which four large and small fixed pistons are provided with two large and small compression spaces. Movable plate 59-1 and fixed piston 71-
1, a large gas compression space part 24-1 is formed, and a small space part 22-1 is formed with the fixed piston 62-1 on the back surface thereof. b) The figure shows large and small 2 on both sides of the movable plate 63-1 instead of the movable cylinder of the bellows.
The right half of the embodiment in which two cylindrical cylinders 64-1 and 65-1 are attached together with the linear motor rotor 23-1 is shown.

【0040】66はピストンリングであるが、大小の円
筒シリンダーとの摩擦で摩耗粉を出し、その分解生成ガ
スも発生して冷凍機の性能を徐々に劣化させるため、長
期間の運転には支障をきたす。このため固定ピストンと
可動シリンダーが非接触で性能が安定している、固定ピ
ストンに、あるいは大小の固定ピストンと円筒シリンダ
ーにはラビリンスシールを施す。他の黒丸は全て固定し
たシール用Oリングである。24−1、24−2、45
−1、45−2等の吸入弁や31、42等の吸入弁に
は、図示しないが、放熱器、小ポンプ等へ配管し接続さ
れる。なお、ガス口69およびガス口68−1と図示し
ないが左部の68−2に吐出弁と吸入弁をそれぞれ設置
すれば、出願人の特許4)と同様に、2段圧縮型の無潤
滑圧縮機が構成できることが明らかである。
Reference numeral 66 denotes a piston ring, which generates wear powder due to friction with the large and small cylindrical cylinders, generates decomposition gas, and gradually deteriorates the performance of the refrigerator, which hinders long-term operation. Cause. For this reason, a labyrinth seal is applied to the fixed piston, or the large and small fixed piston and the cylindrical cylinder, in which the performance is stable because the fixed piston and the movable cylinder do not contact each other. All other black circles are fixed O-rings for sealing. 24-1, 24-2, 45
Although not shown, the suction valves such as -1, 45-2 and 31 and 42 are connected to a radiator, a small pump or the like by piping. In addition, if a discharge valve and a suction valve are respectively installed in the gas port 69 and the gas port 68-1 and not shown but in the left 68-2, as in the case of the applicant's patent 4), the two-stage compression type non-lubricating It is clear that a compressor can be constructed.

【0041】本発明の構造の耐久性に関しては、運転周
波数を4Hzとすると約4年間の連続運転に耐えること
がわかった。最近のベローズの製造技術の進歩は著し
く、耐久性は運転条件に異なるが伸縮回数に5×108
回の実験値があり、本発明においては、運転周波数を4
Hzとするとベローズの1年間の伸縮回数は、4Hz×
3600/sec×24Hr×365/year=1.
26×10回となり、寿命として5×10回とする
と約4年間の耐久性があることがわかった。なお、運転
周波数が2Hzになれば、約8年の耐久性が得られるこ
とになる。
Regarding the durability of the structure of the present invention, it was found that when the operating frequency was 4 Hz, the structure could endure continuous operation for about 4 years. Recent advances in bellows manufacturing technology have been remarkable.
In the present invention, the operating frequency is set to 4
Hz, the bellows expands and contracts in one year is 4Hz ×
3600 / sec × 24Hr × 365 / year = 1.
It was 26 × 10 8 times, and when the life was 5 × 10 8 times, it was found that the durability was about 4 years. If the operating frequency becomes 2 Hz, durability of about 8 years can be obtained.

【0042】以上のごとく、本発明のパルス管式スター
リング冷凍機のガスの圧縮空間部および膨張空間部の構
造には、a)、b)、c)の3形式が可能であり、それ
ぞれに特長がある。その駆動・制御用のコンピューター
を含むエレクトロニクス系は3形式とも別途必要であ
る。
As described above, the structure of the gas compression space portion and the expansion space portion of the pulse tube type Stirling refrigerator of the present invention can be of three types a), b) and c). There is. An electronics system including a drive and control computer is required separately for all three types.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明の効果を以下に述べる。 a)2個の圧縮空間部と2個の膨張空間部を一組にした
冷凍サイクルの構造により、50K領域までの広い用途
に使用でき、冷凍温度に対し冷凍機効率を最大にするよ
うな最適な運転条件の設定が容易である。(第1図、第
2図、第3図) b)4個の圧縮空間部と4個の膨張空間部で2組の冷凍
サイクルを複合させた構造は、複動型のため極低振動、
高出力、高効率であり、10K領域までの低温生成が可
能である。(第4図、第5図、第6図) c)2個の圧縮空間部と2個の膨張空間部を一組にした
a)の冷凍サイクルの構造を二組用いた複合サイクルの
構成により、より高出力、高効率が期待できる。(第2
図および第3図と第4図) d)4個の圧縮空間部と4個の膨張空間部による2組の
冷凍サイクルb)に、a)とを複合させた構造の冷凍サ
イクルの構成は、より安定した高出力、高効率を期待し
得る。
The effects of the present invention will be described below. a) The structure of the refrigeration cycle, in which two compression spaces and two expansion spaces are combined, enables it to be used for a wide range of applications up to the 50K range, and is optimal for maximizing refrigerator efficiency with respect to refrigeration temperature. Easy setting of operating conditions. (FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3) b) The structure in which two sets of refrigeration cycles are combined with four compression spaces and four expansion spaces is a double-acting type, so that extremely low vibration is achieved.
It has high output and high efficiency, and can generate low temperature up to 10K region. (FIGS. 4, 5, and 6) c) By a combined cycle configuration using two sets of the refrigeration cycle structure of a) in which two compression space parts and two expansion space parts are made into one set. Higher output and higher efficiency can be expected. (Second
FIG. 3, FIG. 3 and FIG. 4) d) The configuration of the refrigeration cycle having a structure in which two sets of refrigeration cycles b) with four compression spaces and four expansion spaces are combined with a) is as follows. More stable high output and high efficiency can be expected.

【0044】e)第8図(a)のように、大小4個の固
定ピストンで大小2個の圧縮空間部を設けた構造を2段
型の無潤滑圧縮機にしてJ−Tサイクルを構成し、a)
〜d)のいずれかと組み合わせた、多様な組み合わせに
よる冷凍機の製造が可能となり、また、作動流体もa)
とe)とを、所要の冷凍温度と冷凍出力に応じてそれぞ
れ同種、あるいはAir、Ar、N、Ne、H、H
eや混合気体などの異種のガスを使用することが可能で
ある。 f)本発明の圧縮空間部と膨張空間部の構造は、単純な
構造で部品数が少なく、同一の部品が多いため軽量コン
パクトな冷凍機が低価格で提供できる。 g)可動板の両面に大きな圧縮空間部と小さな膨張空間
部の形成も可能であるから、単数、あるいは複数組から
構成される冷凍機や無潤滑圧縮機が低価格で提供でき
る。
E) As shown in FIG. 8 (a), a J-T cycle is constituted by a two-stage type non-lubricated compressor having a structure in which four large and small fixed pistons and two large and small compression spaces are provided. A)
-D) can be manufactured in various combinations in combination with any one of the above-mentioned items (a) to (d).
And e) are the same or Air, Ar, N 2 , Ne, H 2 , and H, respectively, according to the required refrigeration temperature and refrigeration output.
It is possible to use different gases such as e and a mixed gas. f) The structure of the compression space portion and the expansion space portion of the present invention has a simple structure and a small number of parts, and since there are many identical parts, a lightweight and compact refrigerator can be provided at low cost. g) Since a large compression space portion and a small expansion space portion can be formed on both surfaces of the movable plate, a refrigerator or a lubrication-free compressor composed of one or more sets can be provided at low cost.

【0045】以下、本発明のパルス管式スターリング冷
凍機のガスの圧縮空間部および膨張空間部の構成と構造
の特徴をさらに整理すると、 (1)2個、または4個の圧縮空間部および膨張空間部
の構成・構造は、それぞれが装置の中心部に対して左右
対称に配置され、それぞれのガスの行程の変化が装置の
中心に対して同一、あるいは外方向に同一に行われるた
め、これによる機械振動の発生は極めて少ない。 (2)ガス膨張行程における膨張仕事(理想的には等温
膨張仕事)がリニアーモータのロータが付けられた可動
版24−1、24−2に対して行われるから、動力が回
収されリニアーモーターの消費動力が少なくて済み、効
率の高いパルス管式スターリング冷凍機が提供できる。
The structure and structure of the gas compression space and the expansion space of the pulse tube type Stirling refrigerator according to the present invention are further summarized as follows: (1) Two or four compression spaces and expansions The configuration and structure of the space are symmetrically arranged with respect to the center of the device, and the changes in the gas strokes are the same with respect to the center of the device or the same in the outward direction. The occurrence of mechanical vibrations is extremely small. (2) Since expansion work (ideally, isothermal expansion work) in the gas expansion process is performed on the movable plates 24-1 and 24-2 to which the linear motor rotor is attached, power is recovered and the linear motor A pulse tube type Stirling refrigerator with low power consumption and high efficiency can be provided.

【0046】(3)装置の中心に対して左右対称に配置
される二組、または4組の部品類は、同一形状で重量も
同一なため、動バランスが取りやすく、このため機械振
動の発生は極めて少ない。 (4)部品数が少なく、かつ共通部品も多いから組み立
てが容易で、軽量コンパクト、低重量、低価格の冷凍機
が製造でき、信頼性の向上も期待できる。 (5)固定ピストンと可動シリンダー(ベローズ)が非
接触であり、通常のピストン・シリンダーのような摺動
がないため摩擦によるゴミや不純ガスの発生もなく、作
動流体であるガスを汚染させて冷凍性能を劣化させるこ
とはない。 (6)発生熱で高温度になるクランクケース内は、リニ
アーモーターで駆動される可動板と可動シリンダーの往
復動で発生するクランクケース内のガスの動圧を利用し
て、吐出弁よりクランクケース外で放熱・冷却して吸入
弁よりクランクケース内に導入する循環冷却方式が採用
されるので、ベローズその他の部品類は冷やされ耐久性
が向上する。
(3) Two or four sets of parts arranged symmetrically with respect to the center of the apparatus have the same shape and the same weight, so that dynamic balance can be easily maintained, and therefore, mechanical vibration is generated. Is extremely small. (4) Since the number of parts is small and there are many common parts, it is easy to assemble, and a lightweight, compact, low-weight, low-cost refrigerator can be manufactured, and improvement in reliability can be expected. (5) The fixed piston and the movable cylinder (bellows) are not in contact with each other, and there is no sliding like a normal piston / cylinder. It does not degrade the refrigeration performance. (6) The inside of the crankcase, which becomes high in temperature due to the generated heat, uses the dynamic pressure of the gas in the crankcase generated by the reciprocating motion of the movable plate and the movable cylinder driven by the linear motor, and uses the dynamic pressure of the gas in the crankcase. Since a circulating cooling system in which heat is radiated and cooled outside and introduced into the crankcase from the suction valve is adopted, bellows and other parts are cooled and durability is improved.

【0047】(7)ガスの圧縮空間部の固定ピストンの
外表面は、内部から循環する冷却系で常に冷却されてい
るから、ガスの圧縮行程における等温圧縮効率が高くな
り、本圧縮空間部の構造を採用するパルス管式スターリ
ング冷凍機の効率は高くなる。 (8)それぞれのガス口に吐出弁と吸入弁を設置すれば
複動型や2段圧縮型の無潤滑圧縮機となり、出願人の特
許4)の「対向ピストン形圧縮機」と同様に、低振動、
高効率で耐久性のある圧縮機縮機が提供できる。
(7) Since the outer surface of the fixed piston in the gas compression space is always cooled by the cooling system circulating from the inside, the isothermal compression efficiency in the gas compression process increases, and The efficiency of the pulse tube type Stirling refrigerator employing the structure is increased. (8) If a discharge valve and a suction valve are installed at each gas port, a double-acting or two-stage compression type non-lubricated compressor is obtained. As with the “opposed piston type compressor” of the applicant's patent 4), Low vibration,
A highly efficient and durable compressor can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明のパルス管式スターリング冷凍機の構
成要素と作動流体の流路系を示す図である。ガスの圧縮
空間部および膨張空間部の構成と構造
FIG. 1 is a diagram showing components of a pulse tube type Stirling refrigerator of the present invention and a flow path system of a working fluid. Configuration and structure of gas compression space and expansion space

【図2】 本発明のパルス管式スターリング冷凍機のガ
ス圧縮空間部の横方向の切断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a gas compression space of the pulse tube type Stirling refrigerator of the present invention in a lateral direction.

【図3】 本発明のパルス管式スターリング冷凍機のガ
ス膨張空間部の切断面図である
FIG. 3 is a sectional view of a gas expansion space of the pulse tube type Stirling refrigerator of the present invention.

【図4】 本発明のパルス管式スターリング冷凍機を2
系統複合させた流路系を示す図である。
FIG. 4 shows a pulse tube type Stirling refrigerator according to the present invention.
It is a figure which shows the flow-path system which combined system.

【図5】 各4個の圧縮空間部と膨張空間部を有する本
発明のパルス管式スターリング冷凍機の1例の切断面図
である。
FIG. 5 is a cutaway view of one example of a pulse tube Stirling refrigerator of the present invention having four compression spaces and four expansion spaces.

【図6】 各4個の圧縮空間部と膨張空間部を有する本
発明のパルス管式スターリング冷凍機の他の例の切断面
図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of another example of the pulse tube Stirling refrigerator of the present invention having four compression spaces and four expansion spaces.

【図7】 本発明のパルス管式スターリング冷凍機によ
る実験結果を示す図である。
FIG. 7 is a view showing an experimental result by a pulse tube type Stirling refrigerator of the present invention.

【図8】 大小2個の圧縮空間部を有し、リニアーモー
タを用いた本発明のパルス管式スターリング冷凍機の第
3の例の切断面図である。
FIG. 8 is a sectional view of a third example of a pulse tube type Stirling refrigerator of the present invention having two large and small compression spaces and using a linear motor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 圧縮空間部、2 ピストン、3 シリンダー、4
ピストンロッド、5放熱器、蓄冷器、7コールドヘッ
ド、8パルス管、9ピストンリング、10作動ガス、1
1 シリンダー、12ピストン、13 ピストンロッ
ド、15 クランクケース、16 主フランジ部、17
−1、17−2 固定ピストン、18冷却体入り口、1
9−1、19−2 冷却体分岐口、20−1、20−2
冷却体吸入口、21 冷却体出口、22−1、22−
2 圧縮空間、23−1、23−2ローター、24−
1、24−2 ベローズ、25−1、25−2 ステー
ター、27−1、27−2 ガス口、29 ガス口、3
0−1、30−2 吸入弁、68−168−2 棒状フ
ェライト、69−1、69−2 コイル、70−1、7
0−2 スプリング。
1 Compression space, 2 pistons, 3 cylinders, 4
Piston rod, 5 radiator, regenerator, 7 cold head, 8 pulse tube, 9 piston ring, 10 working gas, 1
1 cylinder, 12 piston, 13 piston rod, 15 crankcase, 16 main flange, 17
-1, 17-2 fixed piston, 18 cooling body inlet, 1
9-1, 19-2 Cooling body branch port, 20-1, 20-2
Cooling body inlet, 21 Cooling body outlet, 22-1, 22-
2 compression space, 23-1, 23-2 rotor, 24
1, 24-2 Bellows, 25-1, 25-2 Stator, 27-1, 27-2 Gas port, 29 Gas port, 3
0-1, 30-2 suction valve, 68-168-2 rod-shaped ferrite, 69-1, 69-2 coil, 70-1, 7
0-2 Spring.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 内部が冷却される2個、または4個の固
定ピストンおよび2個、または4個の伸縮するベローズ
を含む可動シリンダーで構成されるガスの圧縮空間部
と、2個、または4個の固定ピストンとその2個、また
は4個の可動シリンダーから構成されるガスの膨張空間
部との間に、単数、または複数の放熱器、蓄冷器、コー
ルドヘッド、パルス管、整流器等を接続し、可動シリン
ダーをリニアーモーターで駆動させて低温生成すること
を特徴とするパルス管式スターリング冷凍機のガス作動
空間の構造。
1. A gas compression space comprising two or four fixed pistons whose interior is cooled and a movable cylinder including two or four telescopic bellows, and two or four gas compression spaces. One or more radiators, regenerators, cold heads, cold tubes, pulse tubes, rectifiers, etc. are connected between the two fixed pistons and the gas expansion space composed of two or four movable cylinders The structure of the gas working space of the pulse tube type Stirling refrigerator characterized in that the movable cylinder is driven by a linear motor to generate a low temperature.
【請求項2】 単数または複数のガスの膨張空間部の容
積変化を圧縮空間部よりも早い位相差でリニアーモータ
で駆動して、単数または複数のコールドヘッドで低温生
成することを特徴とする請求項1に記載のパルス管式ス
ターリング冷凍機のガス作動空間の構造。
2. The method according to claim 1, wherein a change in volume of the expansion space of one or more gases is driven by a linear motor with a phase difference earlier than that of the compression space, and a low temperature is generated by one or more cold heads. Item 2. The structure of the gas working space of the pulse tube type Stirling refrigerator according to item 1.
【請求項3】 大きいガスの圧縮空間部の固定ピストン
内をガスや液体等で冷却してガスの圧縮熱を除くよう小
さなポンプ、ヒートパイプ、サーモサイホンの少なくと
も1つを用いて圧縮熱を外部に放熱するような構造を有
することを特徴とする請求項1に記載のパルス管式スタ
ーリング冷凍機のガス作動空間の構造。
3. The heat of compression is externally reduced using at least one of a small pump, a heat pipe, and a thermosiphon so as to remove the heat of compression of the gas by cooling the inside of the fixed piston in the compression space of the large gas with gas or liquid. The structure of the gas working space of the pulse tube type Stirling refrigerator according to claim 1, wherein the gas working space has a structure to radiate heat.
【請求項4】 可動シリンダーの左右の動きでクランク
ケース内で発生するガス圧の変化を利用し、そのガスを
クランクケースに設置した吐出弁より外部に導いて放熱
し、さらにガスの膨張空間部の可動シリンダーに接触さ
せるよう導いてこれを冷却し、このガスを圧縮空間部の
クランクケースに設置した吸入弁よりクランクケース内
に戻して可動シリンダーその他の部品類を冷却するよう
構成したこをを特徴とする請求項1に記載のパルス管式
スターリング冷凍機のガス作動空間の構造。
4. Use of a change in gas pressure generated in a crankcase due to left and right movements of a movable cylinder, guides the gas to the outside from a discharge valve installed in the crankcase, and dissipates heat. This gas is cooled by guiding it into contact with the movable cylinder, and the gas is returned into the crankcase from the suction valve installed in the crankcase in the compression space to cool the movable cylinder and other parts. The structure of the gas working space of the pulse tube type Stirling refrigerator according to claim 1, characterized in that:
【請求項5】 異なる直径または同一直径のベローズや
円筒型の可動シリンダーにより、複数のガスの圧縮空間
部や膨張空間部、あるいは複数のガスの圧縮空間部と膨
張空間部とを形成し、これらを複数個組み合わせて構成
したことを特徴とする請求項1に記載のパルス管式スタ
ーリング冷凍機のガス作動空間の構造。
5. A plurality of gas compression space portions and expansion space portions, or a plurality of gas compression space portions and expansion space portions are formed by bellows having different diameters or the same diameter or cylindrical movable cylinders. The structure of the gas working space of the pulse tube type Stirling refrigerator according to claim 1, wherein a plurality of the gas working spaces are combined.
【請求項6】 可動板と固定ピストン内や、可動板とク
ランクケースとの間に、往復動する可動板の水平方向の
中心軸がずれて固定ピストンに接触しないよう近接スイ
ッチ、位置センサー、軸受を設置して、コンピュータを
内包するエレクトロス系で運転制御するようにしたこと
を特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のパ
ルス管式スターリング冷凍機のガス作動空間の構造。
6. A proximity switch, a position sensor, and a bearing in a movable plate and a fixed piston, or between a movable plate and a crankcase, so that a horizontal center axis of a reciprocating movable plate does not contact the fixed piston. The structure of the gas working space of the pulse tube type Stirling refrigerator according to any one of claims 1 to 5, wherein an operation is controlled by an electro-system including a computer.
【請求項7】 ガスの圧縮空間部のガス口や、ガスの圧
縮空間部と小さなガス膨張空間部のクランクケースのガ
ス口に吸入弁と吐出弁をそれぞれ設置してなることを特
徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のパルス
管式スターリング冷凍機のガス作動空間の構造。
7. A suction valve and a discharge valve are respectively provided at a gas port of a gas compression space portion and a gas port of a crankcase of a gas compression space portion and a small gas expansion space portion. Item 7. The structure of the gas working space of the pulse tube type Stirling refrigerator according to any one of Items 1 to 6.
【請求項8】 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の
ガス作動空間の構造を使用したことを特徴とするパルス
管式スターリング冷凍機。
8. A pulse tube type Stirling refrigerator using the structure of the gas working space according to any one of claims 1 to 7.
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