JP6054079B2 - Stirling refrigerator - Google Patents
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Description
本発明は、冷凍性能および機械的な寿命の向上を図ったスターリング型冷凍機に関する。 The present invention relates to a Stirling refrigerator that has improved refrigeration performance and mechanical life.
スターリング型冷凍機は、熱力学的にカルノー効率と同じ冷凍効率が得られるため、高い冷凍効率が得られるという特徴を有している。そのため、液化等のキロワット(kW)級の高い冷凍能力が必要な大型冷凍機や、宇宙用等で小型軽量が必要なミリワット(mW)級の小型冷凍機として開発が進んでいる。一方、その中間の数ワットから数百ワット級の冷凍機では、エアコンのコンプレッサの流用により安価に製造が可能なギフォード・マクマホン(GM)型冷凍機が普及している。 The Stirling refrigerator has a feature that high refrigeration efficiency can be obtained because the same refrigeration efficiency as the Carnot efficiency is obtained thermodynamically. Therefore, development is progressing as a large-scale refrigerator requiring a high refrigeration capacity of kilowatt (kW) class such as liquefaction or a small-scale refrigerator of milliwatt (mW) class requiring small size and light weight for space use. On the other hand, Gifford McMahon (GM) type refrigerators that can be manufactured at low cost by diverting the compressor of an air conditioner are widely used as intermediate refrigerators of several watts to several hundreds of watts.
図6はスターリング型冷凍機として代表的なパルス管冷凍機の概略構成を示す図である。
周知のように、パルス管冷凍機は、シリンダーおよびピストンで構成された圧縮部と、パルス管で構成された膨張部とを蓄冷器を介して連通させ、シリンダー内を圧縮ピストンが往復してパルス管内のガスの圧縮および膨張を繰り返し行なうとともに、圧縮ピストンの移動とパルス管内のガスの圧縮・膨張との間に所定の位相差を持たせることにより、パルス管で構成された膨張部に寒冷を発生させるように構成されている。
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a typical pulse tube refrigerator as a Stirling refrigerator.
As is well known, in a pulse tube refrigerator, a compression part composed of a cylinder and a piston and an expansion part composed of a pulse tube are communicated via a regenerator, and the compression piston reciprocates in the cylinder to pulse. By repeatedly compressing and expanding the gas in the tube, and by giving a predetermined phase difference between the movement of the compression piston and the compression and expansion of the gas in the pulse tube, it is possible to cool the expansion portion composed of the pulse tube. It is configured to generate.
以下、図6を参照してスターリング型パルス管冷凍機の詳細を説明する。
なお図6(a)は圧縮ピストン5の膨張時を、図6(b)は圧縮時をそれぞれ示している。
The details of the Stirling pulse tube refrigerator will be described below with reference to FIG.
6A shows the expansion of the
1は圧縮部を構成する圧縮ピストン5をシリンダー6内で往復動させるための外部駆動源として機能するリニアモータアクチュエータであり、円筒形状の電磁石2とその内部空間に移動可能に配置された永久磁石3とから構成され、電磁石2を交流で励磁すると、永久磁石3が軸方向に周期的に往復動し、この永久磁石3から駆動軸4を介して圧縮ピストン5がシリンダー6内で周期的に往復動するようになっている。圧縮ピストン5は、シリンダー6内で対向する高温熱交換器9の管板との間に圧縮部7を形成しているので、圧縮ピストン5の往復動によって圧縮部7の容積すなわち圧力変動が周期的に変化するようになっている。
圧縮部7の内部にはヘリウム等の冷媒ガス(作動ガス)が充填されており、この冷媒ガスは圧縮ピストン5の往復動により周期的な圧力変動を生じ、圧縮部7に連通して設けられた高温熱交換器9に導入される。冷媒ガスが圧縮されたことにより発生した圧縮熱は高温熱交換器9の外周に設けた放熱板10を介して外部熱源に放熱される。
The
そして、高温熱交換器9を通過した高圧の冷媒ガスは、高温熱交換器9に連通して設けられた蓄冷器11内に充填された蓄冷材12の隙間を通り抜ける際に高圧状態を維持したまま蓄冷材12と熱交換して冷却され、低温熱交換器13を経て中空のパルス管で構成された膨張部14へと導かれ、さらに、配管15およびバッファタンク16からなる位相制御機構に導かれる。配管15の一部はオリフィス機能を有するように細管で構成され、この配管15とバッファタンク16とからなる位相制御機構によって、圧縮ピストン5の移動と膨張部14内の冷媒ガスの圧縮・膨張との間の位相差を制御して、膨張部14内に寒冷を発生させる。
The high-pressure refrigerant gas that has passed through the high-
周囲温度より下がった冷媒ガスは、膨張部14から低温熱交換器13に戻る際に吸熱板(冷却ステージ)17を介して外部の被冷却体の熱を奪い、さらに再び蓄冷器11、高温熱交換器9で熱交換して温度が上昇し、圧縮部7へと戻る。
Refrigerant gas drops below the ambient temperature, through a heat absorption plate (cooling stage) 17 when returning from the
ところで、図6の圧縮部7では、圧縮ピストン5とシリンダー6との間の摺動部にある程度の大きさのギャップが存在すると、圧縮された冷媒ガスはそのギャップを通り抜けて圧縮ピストン5の背面空間部にリークするために高い圧縮比を得ることができず、冷凍効率の低下を招く。
By the way, in the
この冷凍効率の低下を防止するために、圧縮ピストン5の外周部に環状の摺動シール8を嵌めるようにしているが、この摺動シール8は磨耗するために長時間の運転には限界がある。したがって、冷凍機を効率的に運転するためには、定期的に摺動シール8の交換等のメンテナンス作業が必要となる。
In order to prevent this reduction in refrigeration efficiency, an annular
図7は図6のパルス管冷凍機を改良したスターリング型パルス管冷凍機の例を示す概略構成図であり、摺動シール8を設けずにギャップの圧損によりリーク量を低減する構成のクリアランスシール方式の冷凍機の圧縮機部の構成を示す。
図7の場合、圧縮ピストン5とシリンダー6間のギャップをミクロンオーダーで管理をすることで、ギャップの圧損により圧縮ガスのリーク量を低減することができる。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing an example of a Stirling type pulse tube refrigerator improved from the pulse tube refrigerator of FIG. 6, and a clearance seal having a configuration in which the amount of leakage is reduced by gap loss without providing the sliding
In the case of FIG. 7, by managing the gap between the
このクリアランスシール方式の冷凍機は磨耗部分が実質的にないために高寿命冷凍機として宇宙用等で採用されているが、一方でギャップ管理のために、圧縮ピストン5の往復動の直進性を精度よく保つため(圧縮ピストン5とシリンダー6が衝突しないため)に、円筒形電磁石2の両端部に複数枚の板バネ18を配置し、かつ、圧縮ピストン5とシリンダー6間のギャップが圧縮ピストン5の円周方向に均一になるように精密な組立調整をしている。このように構成することで冷凍機の信頼性は大幅に向上するが、複雑な構成と精密な組立精度が必要なことから高コストとなり、かつ、圧縮ピストン5のストロークを増やすためには板バネ18の直径を大きくせざるを得ず、この結果として冷凍機が大きくなるという課題があった。
This clearance seal type refrigerator is used for space use etc. as a long-life refrigerator because there is virtually no wear part, but on the other hand, the reciprocating motion of the
耐久性に課題のある圧縮ピストン5の摺動シール8をなくすために設けた直進性の高い板バネ18の構造は、複雑な構成と精密な加工および組立精度を必要としているため、スターリング型冷凍機の普及を妨げている要因の一つになっている。
Since the structure of the
そこで本発明は、上述した課題を解決するために、板バネ機構等の複雑な構成を採用せずに、高信頼性と低コストとを両立させることのできるスターリング型冷凍機を提供することを目的とするものである。 Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a Stirling refrigerator that can achieve both high reliability and low cost without employing a complicated configuration such as a leaf spring mechanism. It is the purpose.
上記の目的を達成するため、本発明によるスターリング型冷凍機は、 冷媒ガスが充填された圧縮部と、前記圧縮部に連通する高温熱交換器と、前記高温熱交換器に連通する蓄冷器と、前記蓄冷器に連通する低温熱交換器と、前記低温熱交換器に隣接する膨張部と、を備え、前記圧縮部側の圧力変動と前記膨張部側の圧力変動とに所定の位相差を設けるようにして前記膨張部に寒冷を発生させるようにしたスターリング型冷凍機において、前記圧縮部は、ほぼカップ形状に形成されたベローズの開口縁部を前記蓄冷器の外径と同径の外径を有する前記高温熱交換器の管板側の外周部に気密に取付けたことにより形成され、前記ベローズは、前記ベローズを構成する金属皮膜の厚みが均一の電着ベローズとして構成され、前記ベローズの閉塞板部に、周期的に往復動する第1の外部駆動源が取付けられ、前記ベローズ自体の圧縮および伸長により、前記圧縮部の容積が周期的に変動することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a Stirling refrigerator according to the present invention includes a compression unit filled with a refrigerant gas, a high-temperature heat exchanger that communicates with the compression unit, and a regenerator that communicates with the high-temperature heat exchanger. , and the low temperature heat exchanger communicating with the regenerator, an expansion portion adjacent to said cold heat exchanger, comprising a, a predetermined phase difference in the pressure fluctuation of the pressure variation and the expansion portion of the compression side In the Stirling refrigerator, in which the expansion part is provided to generate cold, the compression part has an opening edge of a bellows formed in a substantially cup shape with an outer diameter equal to the outer diameter of the regenerator. The bellows is formed as an electrodeposited bellows having a uniform thickness of a metal film constituting the bellows, and is formed by being hermetically attached to an outer peripheral portion on the tube plate side of the high-temperature heat exchanger having a diameter. Blocking plate part In addition, a first external drive source that reciprocates periodically is attached, and the volume of the compression portion varies periodically due to compression and expansion of the bellows itself .
本発明によるスターリング型冷凍機は、板バネ構成等の複雑な構成を採用しないので、高信頼性と低コストを両立させることができる。 Since the Stirling refrigerator according to the present invention does not employ a complicated configuration such as a leaf spring configuration, both high reliability and low cost can be achieved.
以下、図面を参照して本発明に係るスターリング型冷凍機の実施形態について説明する。なお、各図を通して共通する要素、部品については同一符号もしくは関連符号を付けることによって重複する説明は適宜省略する。 Hereinafter, embodiments of a Stirling refrigerator according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the element and components which are common throughout each figure, the overlapping description is abbreviate | omitted suitably by attaching | subjecting the same code | symbol or a related code | symbol.
(実施形態1)
以下、図1を参照して実施形態1について説明する。
(構成)
図1は本実施形態1に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図であり、図1(a)は圧縮部7aが膨張している状態を示し、図1(b)は圧縮部7aが圧縮されている状態を示す。
本実施形態1に係るスターリング型パルス管冷凍機は、図6および図7に示した従来例と同じ種類のスターリング型パルス管冷凍機であるが、以下の点で構造上異なっている。
(Embodiment 1)
Hereinafter,
(Constitution)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a Stirling type pulse tube refrigerator according to the first embodiment. FIG. 1 (a) shows a state where the
The Stirling type pulse tube refrigerator according to the first embodiment is the same type of Stirling type pulse tube refrigerator as the conventional example shown in FIGS. 6 and 7, but is structurally different in the following points.
すなわち、圧縮ピストン5、シリンダー6および高温熱交換器9の管板によって圧縮部7を構成する代わりに、ベローズ(以下、電着ベローズという)20を高温熱交換器9の管板側に気密に取付けて内部に冷媒ガスを充填して圧縮部7aを構成し、この電着ベローズ20をリニアモータアクチュエータ等で構成された外部駆動源1(以下、後述する外部駆動源23と区別するために、第1の外部駆動源1と呼称する)で圧縮および伸長を周期的に繰り返すことによって圧縮部7aの容積変化(すなわち、圧力変動)を行なうように構成したことを特徴とするものである。その他の部品や要素は図6および図7に示したスターリング型パルス管冷凍機に使用したものと同じなので説明は省略する。
That is, instead of the
本実施形態1のスターリング型パルス管冷凍機で採用した電着ベローズ20の形状は、軸方向の一方の端部を開口縁部201とし、他端部を閉塞板部202とし、そして中間部を蛇腹部としたほぼ円筒カップ形状に形成されている。そして、電着ベローズ20の閉塞板部202の外側面は、第1の外部駆動源1と対向するように配置されてその中心部に駆動軸4が固定され、一方、開口縁部201は高温熱交換器9の管板側の外周部に気密に取付けられる。このように形成された電着ベローズ20と高温熱交換器9との間の空間部にヘリウム等の冷媒ガスを充填することによって圧縮部7aが形成される。
The shape of the electrodeposited bellows 20 employed in Stirling pulse tube refrigerator of the
次に、電着ベローズ20の特徴について説明する。
電着ベローズ20は、ベローズの蛇腹形状に合わせて製作されたマンドレルの表面にニッケル等の金属を電解メッキして必要十分な厚さの金属皮膜を形成させ、その後溶剤にてマンドレルだけを分解し取り除くことにより形成される(例えば、特開2002−60987号公報を参照)。電着ベローズ20は成型ベローズと比較してベローズを構成する金属皮膜の厚みを均一に製造することができるため、ベローズの伸縮ストローク、伸縮回数と、繰り返し応力による機械的な寿命との相関を計算により割り出すことが容易であり、また、高信頼性、長寿命が要求される冷凍機への適用が可能である。さらに、ベローズの製造時に寿命の予測が可能である。またさらに、ベローズの形状は、成型ベローズに比較して自由度があり、かつ小型化も容易であるため、従来部品の加工精度で実現できなかった小型化も容易である。
Next, the characteristics of the electrodeposition bellows 20 will be described.
The electrodeposition bellows 20 is formed by electroplating a metal such as nickel on the surface of a mandrel manufactured in accordance with the bellows shape of the bellows to form a metal film having a necessary and sufficient thickness, and then only the mandrel is decomposed with a solvent. It is formed by removing (see, for example, JP-A-2002-60987 ). Electrodeposited bellows 20 can produce a uniform thickness of the metal film that forms the bellows compared to the molded bellows, so the correlation between the expansion stroke and expansion frequency of the bellows and the mechanical life due to repeated stress is calculated. And can be applied to a refrigerator that requires high reliability and long life. In addition, the lifetime can be predicted when the bellows is manufactured. Furthermore, the shape of the bellows is more flexible than a molded bellows and can be easily reduced in size. Therefore, it is easy to reduce the size of the bellows, which cannot be realized with the processing accuracy of conventional parts.
(作用)
第1の外部駆動源1の電磁石2を交流で励磁すると、電磁石2および永久磁石3間に発生する磁気吸引力または磁気反発力によって、永久磁石3は電磁石2の内部空間部を図示左右に周期的に往復動し、駆動軸4を介して電着ベローズ20自体の圧縮および伸長を行なう。これによって圧縮部7aの容積は、圧縮(図1(b))と、膨張(図1(a))とを周期的に繰り返し、圧力変動が周期的に行なわれる。
(Function)
When the
電着ベローズ20の伸縮によって圧縮部7aの容積が圧縮および膨張を周期的に繰り返すと、冷媒ガスは、圧縮・膨張を繰り返し、高温熱交換器9、蓄冷器11、低温熱交換器13、パルス管による膨張部14を通り、配管15およびバッファタンク16からなる位相制御機構に達する一連の系の中を往復動する。
When the volume of the
その際、配管15およびバッファタンク16からなる位相制御機構は、圧縮部7aからほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って送り出された流体の圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させる。その結果、パルス管で構成した膨張部14内で圧力と流量との間に位相差が生じ、膨張部14内に寒冷を発生させる。
At that time, the phase control mechanism including the
以上のように、本実施形態1によるスターリング型パルス管冷凍機は、第1の外部駆動源1の永久磁石3を周期的に往復動させて、電着ベローズ20の容積を圧縮、伸長させることにより圧縮部7a内に充填した冷媒ガスを周期的に圧縮および膨張させ、パルス管で構成した膨張部14内の冷媒ガスの圧力変化と流量変化との間で位相差を生じさせて、膨張部14内に寒冷を発生させる。
As described above, the Stirling pulse tube refrigerator according to the first embodiment compresses and expands the volume of the electrodeposited bellows 20 by periodically reciprocating the
(効果)
以上述べたように、本実施形態1のスターリング型パルス管冷凍機は、板バネ機構等の複雑な構成を採用していないので、高信頼性と低コストを両立させることができる。また、シリンダーおよびピストンによる従来の圧縮部に替えて、ベローズによる圧縮部を形成したので、摺動シール部がなく、かつ圧縮部の気密性に優れているため、磨耗やリークによる冷凍性能の劣化はほとんど生じない。さらに、ベローズとして均一な板厚に製作可能な電着ベローズを採用したので、機械的な寿命が大幅に向上させることができる。さらにまた、冷媒ガスを充填している圧縮部その他の部品をすべて金属で構成することが可能であるため、冷媒ガスの充填前に、アウトガス低減のためのベーキング処理(加熱+真空引き)を容易に行うことができ、アウトガスによる冷媒不純物の発生による冷凍性能の劣化も抑えることができる。
(effect)
As described above, since the Stirling pulse tube refrigerator of the first embodiment does not employ a complicated configuration such as a leaf spring mechanism, it is possible to achieve both high reliability and low cost. In addition, since the compression part by the bellows is formed instead of the conventional compression part by the cylinder and the piston, there is no sliding seal part and the compression part has excellent airtightness, so the refrigeration performance deteriorates due to wear and leaks. Hardly occurs. Furthermore, since an electrodeposited bellows that can be manufactured with a uniform thickness is employed as the bellows, the mechanical life can be greatly improved. Furthermore, the compression part and other parts filled with refrigerant gas can be made of metal, so baking processing (heating + evacuation) to reduce outgas is easy before filling refrigerant gas. And the deterioration of the refrigerating performance due to generation of refrigerant impurities due to outgas can be suppressed.
このように、本実施形態1によるスターリング型パルス管冷凍機は、従来機に比較して性能を維持する寿命を大幅に向上させることができる。 As described above, the Stirling pulse tube refrigerator according to the first embodiment can greatly improve the life of maintaining the performance as compared with the conventional machine.
(実施形態1の変形例)
なお、図1では位相制御機構として配管15がオリフィス機能を備えた例を示したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、ダブルインレット式、ダブルピストン式、ネックチューブ式等の他の位相制御機構を採用しても差し支えない。
(Modification of Embodiment 1)
1 shows an example in which the
(実施形態2)
以下、図2を参照して実施形態2について説明する。
図2は本実施形態2に係るスターリング型冷凍機の概略構成図である。
本実施形態2は、前述の実施形態1で採用した中空のパルス管で構成した膨張部14の代わりに、前述した電着ベローズ20と同様に円筒カップ形状に形成され電着ベローズ21を低温熱交換器13の管板に気密に取付けて膨張部22を構成し、この電着ベローズ21の閉塞板部の外側面に前記第1の外部駆動源1と同じリニアモータアクチュエータで構成された第2の外部駆動源23の駆動棒26を取付け、この第2の外部駆動源23によって圧縮部7a側の圧力変動の位相に対して、膨張部22側の圧力変動の位相を所定の位相差だけ保つように制御して膨張部22で寒冷を発生させる構成としたものである。なお、24、25はそれぞれ第2の外部駆動源23を構成する円筒形の電磁石および永久磁石である。
(Embodiment 2)
Hereinafter,
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a Stirling refrigerator according to the second embodiment.
In the second embodiment, instead of the
本実施形態2のスターリング型冷凍機は、膨張部22側の第2の外部駆動源23で、圧縮器7a側の第1の外部駆動源1とは所定の位相差を保って電着ベローズ21を往復動させることにより、実施形態1における配管15とバッファタンク16とから構成された位相制御機構と同様に膨張部22内に寒冷を発生させることができる。
The Stirling refrigerator of the second embodiment is a second
(実施形態3)
以下、図3を参照して実施形態3について説明する。
図3は本実施形態3に係るスターリング型冷凍機の概略構成図である。
本実施形態3は、前述した実施形態2の膨張器22の容積を変化させる手段として、第2の外部駆動源23の代わりに、適切に調整された位相シフト用重り27を電着ベローズ21の閉塞板部の外側面に固定するようにしたものである。
(Embodiment 3)
Hereinafter,
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a Stirling refrigerator according to the third embodiment.
In the third embodiment, as a means for changing the volume of the
本実施形態3のスターリング型冷凍機は、リニアモータアクチュエータ等の外部駆動源を用いなくても、簡便な調整重り27によって圧縮部7aの圧力変動と膨張器22の圧力変動とに適切な位相差をもたせて寒冷発生量の最適化を図ることができる。
The Stirling type refrigerator of the third embodiment is suitable for the pressure fluctuation of the
(実施形態4)
以下、図4を参照して実施形態4について説明する。
図4は本実施形態4に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図である。
本実施形態4に係るスターリング型パルス管冷凍機は、図1のスターリング型冷凍機と同じ種類のスターリング型パルス管冷凍機であるが、図1のスターリング型冷凍機と異なる点は、電着ベローズ20および第1の外部駆動源1を圧力容器28で一体的に包囲し、その圧力容器28の内部空間にガスを充填することを特徴とするものである。
(Embodiment 4)
Hereinafter,
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a Stirling type pulse tube refrigerator according to the fourth embodiment.
The Stirling-type pulse tube refrigerator according to the fourth embodiment is the same type of Stirling-type pulse tube refrigerator as the Stirling-type refrigerator shown in FIG. 1, but is different from the Stirling-type refrigerator shown in FIG. 20 and the first
この圧力容器28内には、冷凍機と同じヘリウム等の冷媒ガスを充填してもよく、あるいは、別の種類のガス(空気等)でもよい。冷媒ガスと同じ種類のガスの場合は、冷凍機内に充填する冷媒と同様に初期充填し、バルブ等により封止して冷凍機内とは別の空間とするか、あるいは圧損をつけて連結し、常に平均圧力が冷凍機内と同じようにしておくことができる。
The
このように、電着ベローズ20および第1の外部駆動源1を圧力容器28で一体的に包囲し、その圧力容器28の内部空間にガスを充填した構成とすることで、電着ベローズ20に加える駆動力を低減させることができる。その理由は、電着ベローズ20の内部空間(圧縮部7a)と外部空間との差圧が減少するためである。なお、外側空間の圧力を内部空間(圧縮部7a)よりも若干高い圧力に保持すると、電着ベローズ20には外周からの差圧が加わるため、電着ベローズ20の往復動が安定化するという長所がある。
As described above, the electrodeposition bellows 20 and the first
以上述べたように、本実施形態4のスターリング型パルス管冷凍機によれば、第1の外部駆動源1を圧力容器28で一体的に包囲するようにしたので、第1の外部駆動源1の駆動力を低下させることができ、冷凍効率を向上させることができる。また、電着ベローズ20の内部空間(圧縮部7a)の圧力よりも外側の圧力を高めることにより、安定した運転が可能となる。
As described above, according to the Stirling type pulse tube refrigerator of the fourth embodiment, since the first
(実施形態5)
以下、図5を参照して実施形態5について説明する。
図5は本実施形態5に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図であり、図5(a)は圧縮部7aが膨張している状態を示し、図5(b)は圧縮部7aが圧縮されている状態を示す。
(Embodiment 5)
Hereinafter,
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a Stirling pulse tube refrigerator according to the fifth embodiment. FIG. 5A shows a state where the
本実施形態5に係るスターリング型パルス管冷凍機は、図1のスターリング型冷凍機と同じ種類のスターリング型パルス管冷凍機であるが、図1のスターリング型冷凍機と異なる点は、電着ベローズ20を取付ける向きが異なる点である。 The Stirling-type pulse tube refrigerator according to the fifth embodiment is the same type of Stirling-type pulse tube refrigerator as the Stirling-type refrigerator shown in FIG. 1, but the difference from the Stirling-type refrigerator shown in FIG. The direction of attaching 20 is different.
すなわち、本実施形態5のスターリング型パルス管冷凍機は、高温熱交換器9の端部に円筒体29を取付けることによって円筒体29内部に空間部を形成し、この円筒体29の開口部に対して、図1の場合とは逆向き状態の電着ベローズ20aの開口縁部を気密に取付けることによって円筒体29内に電着ベローズ20a全体が収納されるようにして前記圧縮部7aを形成し、さらに、電着ベローズ20の閉塞板部の内側面の中心部に駆動軸4を固定することを特徴とするものである。なお、円筒体29と電着ベローズ20aとを予め別部品とせず、両者を一体的に構成してもよい。
That is, in the Stirling type pulse tube refrigerator of the fifth embodiment, the
図5(a)は、電着ベローズ20aが収縮して圧縮部7aが膨張している状態にあり、この状態でリニアモータアクチュエータ1の駆動軸4を図示右側に移動させると、図5(b)のように電着ベローズ20aが膨張して円筒体29の内部まで伸長し、それにしたがって円筒体29と電着ベローズ20aとで形成した圧縮部7aの容積が収縮する。
FIG. 5A shows a state in which the electrodeposition bellows 20a is contracted and the
本実施形態5のスターリング型パルス管冷凍機は、第1の外部駆動源1の電磁石2を交流で励磁することによって図5(a)に示す収縮状態と、図5(b)に示す膨張状態を周期的に繰返す。このとき、円筒体29と電着ベローズ20aとで構成する圧縮部7a内には高圧の冷媒ガスが存在し、電着ベローズ20aの内側は大気圧となる。この結果、前述した実施形態4と同様に電着ベローズ20aには外周から力が加わるようになり、安定した運転が可能となる。
The Stirling-type pulse tube refrigerator of the fifth embodiment has a contracted state shown in FIG. 5A and an expanded state shown in FIG. 5B by exciting the
本実施形態5のスターリング型パルス管冷凍機はこのように構成した結果、電着ベローズ20aは、往復動するような動きの間も、安定した形状を保ちやすくなり、冷凍機の制御性、安定性が向上する。
As a result of configuring the Stirling type pulse tube refrigerator of the fifth embodiment in this way, the
なお、以上述べた実施形態1乃至5では、ベローズ20として電着ベローズを採用したが、電着ベローズと同様の高信頼性、長寿命を備えたベローズがあれば、電着ベローズに替えて採用するようにしても良い。その他、以上述べた実施形態は例として提示したものであって発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
In
1…第1の外部駆動源(リニアモータアクチュエータ)、2…電磁石、3…永久磁石、4…駆動軸、7a…圧縮部、9…高温熱交換器、10…放熱板、11…蓄冷器、12…蓄冷材、13…低温熱交換器、14…膨張部(パルス管)、15…配管、16…バッファタンク17…吸熱板(冷却ステージ)、20、20a…電着ベローズ、201…電着ベローズの開口縁部、202…電着ベローズの閉塞板部、21…電着ベローズ、22…膨張部、23…第2の外部駆動源(リニアモータアクチュエータ)、24…電磁石、25…永久磁石、26…駆動棒、27…位相シフト用重り、28…圧力容器、29…円筒体。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記圧縮部は、ほぼカップ形状に形成されたベローズの開口縁部を前記蓄冷器の外径と同径の外径を有する前記高温熱交換器の管板側の外周部に気密に取付けたことにより形成され、
前記ベローズは、前記ベローズを構成する金属皮膜の厚みが均一の電着ベローズであり、
前記ベローズの閉塞板部に、周期的に往復動する第1の外部駆動源が取付けられ、
前記ベローズ自体の圧縮および伸長により、前記圧縮部の容積が周期的に変動することを特徴とするスターリング型冷凍機。 A compression unit for a refrigerant gas is charged, and the high temperature heat exchanger communicating with the compression unit, and a regenerator communicating with said high temperature heat exchanger, and the low temperature heat exchanger communicating with the regenerator, said cold heat exchanger A Stirling type comprising: an expansion portion adjacent to a container; and generating a cold in the expansion portion by providing a predetermined phase difference between the pressure fluctuation on the compression portion side and the pressure fluctuation on the expansion portion side In the refrigerator,
The compression part is air-tightly attached to the outer peripheral part on the tube plate side of the high-temperature heat exchanger having the outer diameter of the bellows formed in a substantially cup shape and the outer diameter of the regenerator. Formed by
The bellows is an electrodeposition bellows in which the thickness of the metal film constituting the bellows is uniform,
A first external drive source that reciprocates periodically is attached to the closing plate portion of the bellows ,
A Stirling-type refrigerator , wherein the volume of the compression portion periodically varies due to compression and expansion of the bellows itself .
前記第2の外部駆動源または調整重りにより、前記圧縮部側の圧力変動と前記膨張部側の圧力変動との間に所定の位相差を設け、前記膨張部に寒冷を発生させることを特徴とする請求項1記載のスターリング型冷凍機。 The expansion portion is airtightly attached to the outer peripheral portion of the low-temperature heat exchanger having an outer diameter that is the same as the outer diameter of the regenerator, with the opening edge of the expansion portion bellows formed in a substantially cup shape. And a second external drive source or adjustment weight different from the first external drive source is attached to the closing plate portion of the expansion portion bellows,
A predetermined phase difference is provided between the pressure fluctuation on the compression section side and the pressure fluctuation on the expansion section side by the second external drive source or the adjustment weight, and cold is generated in the expansion section. The Stirling type refrigerator according to claim 1.
前記圧縮部が、前記円筒体の開口端に前記ベローズの開口縁部を気密に取付けたことにより形成され、
前記第1の外部駆動源が、前記閉塞板部の内側面に取付けられ、前記ベローズの伸長、収縮とは逆に前記圧縮部の容積を圧縮、膨張させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のスターリング型冷凍機。 The bellows is in the cylindrical body with the closing plate portion of the bellows facing the high-temperature heat exchanger side through a cylindrical body that is airtightly attached to the outer peripheral portion on the tube plate side of the high-temperature heat exchanger. Stowed,
The compression part is formed by airtightly attaching the opening edge of the bellows to the opening end of the cylindrical body,
4. The first external drive source is attached to an inner surface of the closing plate portion, and compresses and expands the volume of the compression portion contrary to expansion and contraction of the bellows. The Stirling type refrigerator according to any one of the above.
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