【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機に係り、特に、固定式の熱交換器を備えた、製作が簡便で冷凍効率の高いスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に作動原理を示す如く、例えば金網で構成される熱交換器１０の一方側（図では右側）に形成される圧縮空間２２で冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストン２４を有する圧縮機２０と、前記圧縮ピストン２４から吐出される冷媒ガスを熱交換器１０の反対側（図の左側）の膨張空間３２で膨張させるためのディスプレイサピストン３４を有する膨張機３０とを備え、図１（Ｂ）に示す如く、前記圧縮機２０では、前記圧縮ピストン２４の往復移動により冷媒ガスを圧縮する一方、前記膨張機３０では、該圧縮機２０で圧縮された冷媒ガスをディスプレイサピストン３４の往復移動により膨張させて、極低温レベルの寒冷を発生させるようにしたスターリング冷凍機が知られている。
【０００３】
このスターリング冷凍機の具体例として、出願人は、図２に示すような冷凍機を実用化している。図２において、４０は、互いに逆位相で作動する可動シリンダ４２、４３を備えた対向型圧縮機、４４、４５は、それぞれ、前記可動シリンダ４２、４３を支持するための平行板ばね、４６、４７は、それぞれ、前記可動シリンダ４２、４３を駆動するための（ムービング）コイル、４８、４９は、圧縮機２０のボディに固定されたマグネット、６０は、前記圧縮機４０の可動シリンダ４２、４３により圧縮される圧縮空間２２とパイプ５０を介して連通されるディスプレイサシリンダ６２内を、例えば金網製の熱交換器でなるディスプレイサ６４が往復動するようにされたコールドヘッド、６６は、該コールドヘッド６０先端（図の下端）の膨張空間３２により極低温に冷却されるコールドステージ、６８は、前記ディスプレイサ６４の一端（図の上端）に連結されたロッド、７０は、該ロッド６８を支持するための平行板ばね、７３、７４はシールである。
【０００４】
このように、従来のスターリング冷凍機は、コールドヘッド（又はコールドフィンガ）と呼ばれるユニット６０中に金網製の熱交換器であるディスプレイサ６４が装着され、該熱交換器（６４）がシリンダ６２内を、例えば５０〜６０Ｈｚの周波数で往復運動して膨張空間３２の容積を変動させ、冷凍サイクルの一部を形成していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、熱交換器（６４）に取り付けられている常温側と低温側のシール７２、７４のクリアランスを、常温側（７２）で３０〜３５μｍ程度、低温側（７４）で８０〜１００μｍ程度に厳密に寸法管理する必要がある。そこで、通常、引抜加工されるシリンダ６２のパイプ内径を測って、シール７２、７４を現物合わせで選択しており、組込みに時間がかかっていた。
【０００６】
又、冷凍機寿命を長くしたい場合、常温側と低温側のシール７２、７４が、コールドヘッドのシリンダ６２に接触しないよう、組立管理を行なう必要がある。
【０００７】
更に、シール７２、７４がシリンダ６２と接触しないよう、シールクリアランスを大きくするため、ディスプレイサ６４を同期運動させるための弾性支持体として板ばね７０を用いる必要があり、冷凍能力が低下するという問題もあった。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、従来必要であった常温、低温シールを不要として、製作を簡便にすると共に、冷凍効率を向上することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、スターリング冷凍機において、内部に熱交換器が固定されたコールドヘッドと、前記熱交換器の一方側と連通される圧縮空間で冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストン又はシリンダ、及び、前記熱交換器の他方側に形成された、冷媒ガスを膨張させるための膨張空間と連通されるディスプレイサピストン又はシリンダを有する圧縮・膨張機とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１０】
又、前記圧縮ピストン又はシリンダとディスプレイサピストン又はシリンダを、同一軸線上に対向配置したものである。
【００１１】
又、前記ディスプレイサピストン又はシリンダを、駆動手段を持たないパッシブ駆動としたものである。
【００１２】
あるいは、前記ディスプレイサピストン又はシリンダを、駆動手段を備えたアクティブ駆動としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
本発明の第１実施形態は、図３に示す如く、内部に例えば金網製の熱交換器１０が固定されたコールドヘッド６０と、前記熱交換器１０の一方側（図の下側）と連通される圧縮空間２２で冷媒ガスを圧縮するための圧縮ピストン２４及びシリンダ２５、及び、前記熱交換器１０の他方側（図の上側）に形成された、冷媒ガスを膨張させるための膨張空間３２とパイプ１００を用いて連通されるディスプレイサピストン３４及びシリンダ３５を有する対向型圧縮・膨張機８０とを備えたものである。
【００１５】
前記熱交換器１０としては、例えば１８０メッシュ以上の金網を用いることができ、３００メッシュ程度が望ましい。
【００１６】
前記圧縮ピストン２４又はシリンダ２５と、ディスプレイサピストン３４及びシリンダ３５は、同一軸線上に対向配置されている。
【００１７】
前記ディスプレイサピストン３４とコールドステージ６６を結ぶパイプ１００は、熱交換器１０を内蔵するコールドヘッド６０のシリンダ６２の内径よりも小さくされ、無効空間容積を小さくして、冷凍効果が向上するようにされている。
【００１８】
前記圧縮ピストン２４は、例えば圧縮シリンダ２５の外側に、ボビン８２を介して配設された（ムービング）コイル８４を備えており、圧縮・膨張機８０のボディに固定されたマグネット８６との相互作用で、例えば２０〜１００Ｈｚの駆動周波数で駆動されている。
【００１９】
図において、８８は、前記圧縮ピストン２４を往復動自在に支持するための、板ばねやコイルばね等からなる弾性支持体、９０は、前記ディスプレイサピストン３４を往復動自在に支持するための、やはり板ばねやコイルばね等からなる弾性支持体であり、圧縮ピストン２４とディスプレイサピストン３４の動作位相差角が３０°〜１００°程度となるよう、弾性支持体９０の弾性定数やピストン３４の重さが調整される。
【００２０】
本実施形態においては、圧縮空間２２及び膨張空間３２が、圧縮ピストン２４及びディスプレイサピストン３４により圧縮／膨張するようにされていたが、図４に示す第２実施形態のように、ピストン２４、３４を固定し、圧縮シリンダ２５、ディスプレイサシリンダ３５側を可動としてもよい。
【００２１】
前記第１及び第２実施形態においては、いずれも、ディスプレイサが駆動手段を持たないパッシブ型とされていたので、構成が簡略である。
【００２２】
なお、図５（ピストン可動型）に示す第３実施形態、あるいは図６（シリンダ可動型）に示す第４実施形態のように、ディスプレイサ側にも圧縮側と同様のボビン９２、（ムービング）コイル９４、マグネット９６等を設けて、ディスプレイサピストン３４（第３実施形態）やディスプレイサシリンダ３５（第４実施形態）をアクティブ駆動としてもよい。
【００２３】
図において、１０２は、圧縮ピストン／シリンダとディスプレイサピストン／シリンダに、電流位相差角を変えて電流を供給するためのドライバである。
【００２４】
なお、前記実施形態は、いずれも、圧縮ピストン／シリンダやディスプレイサピストン／シリンダをムービングコイルとマグネットにより駆動するムービングマグネット型とされていたが、これらを駆動する方法はこれに限定されず、例えばコイルを固定し、マグネットを動かすムービングマグネット型としてもよい。更に、コールドヘッド６６と圧縮・膨張機８０を別体として、パイプ等で連結しても良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換器を固定式にできるので、従来必要であった常温、低温シールが不要となり、シールクリアランス管理が不要となって、製作が簡単になると共に、冷凍効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】スターリング冷凍機の作動原理を示す説明図
【図２】スターリング冷凍機の具体例の構成を示す断面図
【図３】本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態の構成を示す断面図
【図４】同じく第２実施形態の構成を示す断面図
【図５】同じく第３実施形態の構成を示す断面図
【図６】同じく第４実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
１０…熱交換器
２２…圧縮空間
２４…圧縮ピストン
２５…圧縮シリンダ
３２…膨張空間
３４…ディスプレイサピストン
３５…ディスプレイサシリンダ
６０…コールドヘッド
６２…シリンダ
６６…コールドステージ
８０…圧縮・膨張機
８４、９４…ムービングコイル
８６、９６…マグネット
８８、９０…弾性支持体
１００…パイプ
１０２…ドライバ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling refrigerator, and more particularly to a Stirling refrigerator having a fixed heat exchanger, which is easy to manufacture and has high refrigeration efficiency.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 1, a compressor 20 having a compression piston 24 for compressing a refrigerant gas in a compression space 22 formed on one side (right side in the figure) of a heat exchanger 10 composed of, for example, a wire mesh. And an expander 30 having a displacer piston 34 for expanding the refrigerant gas discharged from the compression piston 24 in an expansion space 32 on the opposite side (left side in the figure) of the heat exchanger 10, as shown in FIG. As shown in B), in the compressor 20, the refrigerant gas is compressed by the reciprocating movement of the compression piston 24, while in the expander 30, the refrigerant gas compressed by the compressor 20 is reciprocated by the displacer piston 34. 2. Description of the Related Art A Stirling refrigerator that expands by movement to generate cryogenic-level cold is known.
[0003]
As a specific example of this Stirling refrigerator, the applicant has commercialized a refrigerator as shown in FIG. In FIG. 2, reference numeral 40 denotes an opposed compressor having movable cylinders 42 and 43 operating in opposite phases to each other. Reference numerals 44 and 45 denote parallel leaf springs for supporting the movable cylinders 42 and 43, respectively. 47 is a (moving) coil for driving the movable cylinders 42 and 43, respectively, 48 and 49 are magnets fixed to the body of the compressor 20, and 60 is the movable cylinders 42 and 43 of the compressor 40. A cold head 66 in which a displacer 64 made of, for example, a wire mesh heat exchanger reciprocates in a displacer cylinder 62 communicated with the compression space 22 compressed by the A cold stage 68 cooled to an extremely low temperature by the expansion space 32 at the tip of the cold head 60 (the lower end in the figure) is a part of the displacer 64. Linked rod (upper end in the figure), it is 70, the parallel plate springs for supporting the rod 68, is 73, 74 is sealed.
[0004]
As described above, in the conventional Stirling refrigerator, the displacer 64, which is a heat exchanger made of wire mesh, is mounted in the unit 60 called a cold head (or cold finger). Is reciprocated at a frequency of, for example, 50 to 60 Hz to change the volume of the expansion space 32, thereby forming a part of a refrigeration cycle.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this method, the clearance between the normal temperature side and low temperature side seals 72, 74 attached to the heat exchanger (64) is about 30 to 35 μm on the normal temperature side (72), and 80 to 80 μm on the low temperature side (74). It is necessary to strictly control the size to about 100 μm. Therefore, usually, the inner diameter of the pipe of the cylinder 62 to be drawn is measured, and the seals 72 and 74 are selected in accordance with the actual product.
[0006]
In order to extend the life of the refrigerator, it is necessary to control the assembly so that the normal temperature side and low temperature side seals 72 and 74 do not contact the cold head cylinder 62.
[0007]
Further, in order to increase the seal clearance so that the seals 72 and 74 do not contact the cylinder 62, it is necessary to use the leaf spring 70 as an elastic support for the synchronous movement of the displacer 64, which lowers the refrigerating capacity. There was also.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and it is an object of the present invention to eliminate the need for a normal-temperature and low-temperature seal, which is conventionally required, to simplify the production and to improve the refrigeration efficiency.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides, in a Stirling refrigerator, a cold head in which a heat exchanger is fixed, a compression piston or a cylinder for compressing a refrigerant gas in a compression space that communicates with one side of the heat exchanger, and The object is achieved by providing a compression / expansion device having a display piston or a cylinder formed on the other side of the heat exchanger and communicating with an expansion space for expanding refrigerant gas. .
[0010]
Further, the compression piston or cylinder and the displacer piston or cylinder are arranged to face each other on the same axis.
[0011]
Further, the display piston or the cylinder is passively driven without a driving means.
[0012]
Alternatively, the displacer piston or cylinder is an active drive provided with a drive means.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a cold head 60 in which a wire mesh heat exchanger 10 is fixed, for example, communicates with one side (the lower side in the figure) of the heat exchanger 10. The compression piston 24 and the cylinder 25 for compressing the refrigerant gas in the compression space 22 to be compressed, and the expansion space 32 formed on the other side (upper side in the drawing) of the heat exchanger 10 for expanding the refrigerant gas. And an opposing compression / expansion machine 80 having a displacer piston 34 and a cylinder 35 communicated by using a pipe 100.
[0015]
As the heat exchanger 10, for example, a wire mesh of 180 mesh or more can be used, and about 300 mesh is desirable.
[0016]
The compression piston 24 or the cylinder 25 and the displacer piston 34 and the cylinder 35 are opposed to each other on the same axis.
[0017]
The pipe 100 connecting the displacer piston 34 and the cold stage 66 is made smaller than the inner diameter of the cylinder 62 of the cold head 60 containing the heat exchanger 10 so as to reduce the ineffective space volume and improve the refrigeration effect. Have been.
[0018]
The compression piston 24 includes, for example, a (moving) coil 84 disposed on the outside of the compression cylinder 25 via a bobbin 82, and interacts with a magnet 86 fixed to the body of the compression / expansion machine 80. , And is driven at a drive frequency of, for example, 20 to 100 Hz.
[0019]
In the drawing, reference numeral 88 denotes an elastic support made of a leaf spring, a coil spring, or the like for supporting the compression piston 24 in a reciprocating manner. Reference numeral 90 denotes an elastic support for supporting the displacer piston 34 in a reciprocating manner. It is also an elastic support made of a leaf spring, a coil spring, or the like. The elastic constant of the elastic support 90 and the elastic constant of the piston 34 are set so that the operation phase difference angle between the compression piston 24 and the displacer piston 34 is about 30 ° to 100 °. The weight is adjusted.
[0020]
In the present embodiment, the compression space 22 and the expansion space 32 are compressed / expanded by the compression piston 24 and the displacer piston 34. However, as in the second embodiment shown in FIG. 34 may be fixed, and the compression cylinder 25 and the displacer cylinder 35 may be movable.
[0021]
In each of the first and second embodiments, since the displacer is of a passive type having no driving means, the configuration is simple.
[0022]
As in the third embodiment shown in FIG. 5 (piston movable type) or the fourth embodiment shown in FIG. 6 (cylinder movable type), the displacer side has the same bobbin 92 as the compression side (moving). The displacer piston 34 (third embodiment) and the displacer cylinder 35 (fourth embodiment) may be provided with an active drive by providing a coil 94, a magnet 96, and the like.
[0023]
In the figure, reference numeral 102 denotes a driver for supplying a current to the compression piston / cylinder and the display piston / cylinder by changing the current phase difference angle.
[0024]
In the above embodiments, the moving magnet type in which the compression piston / cylinder or the display support piston / cylinder is driven by a moving coil and a magnet is used, but the method of driving these is not limited thereto. A moving magnet type in which the coil is fixed and the magnet is moved may be used. Further, the cold head 66 and the compression / expansion device 80 may be separately connected by a pipe or the like.
[0025]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, since a heat exchanger can be made into a fixed type, the normal-temperature and low-temperature seal | sticker which was needed conventionally becomes unnecessary, a seal clearance management becomes unnecessary, and manufacture becomes simple and refrigeration efficiency improves. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an operation principle of a Stirling refrigerator. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a specific example of the Stirling refrigerator. FIG. 3 shows a configuration of a first embodiment of a Stirling refrigerator according to the present invention. FIG. 4 is a sectional view showing the configuration of the second embodiment. FIG. 5 is a sectional view showing the configuration of the third embodiment. FIG. 6 is a sectional view showing the configuration of the fourth embodiment. Description】
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Heat exchanger 22 ... Compression space 24 ... Compression piston 25 ... Compression cylinder 32 ... Expansion space 34 ... Displacement piston 35 ... Displacement cylinder 60 ... Cold head 62 ... Cylinder 66 ... Cold stage 80 ... Compression / expansion machine 84, 94 moving coils 86, 96 magnets 88, 90 elastic support 100 pipe 102 driver
