JPH05118685A - Pulse tube type stirling refrigerator - Google Patents

Pulse tube type stirling refrigerator

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JPH05118685A
JPH05118685A JP27797691A JP27797691A JPH05118685A JP H05118685 A JPH05118685 A JP H05118685A JP 27797691 A JP27797691 A JP 27797691A JP 27797691 A JP27797691 A JP 27797691A JP H05118685 A JPH05118685 A JP H05118685A
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expansion
space
piston
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Abstract

PURPOSE:To restrain mechanical vibration and improve the efficiency and the reliability of the subject machine by a method wherein a radiator, a cold heat accumulator, a cold head and a pulse tube are arranged sequentially between the compression space of a large capacity and a small capacity expansion space, reciprocating a crank for compression by an expansion crank advanced by a predetermined phase angle. CONSTITUTION:A compression piston 16 is connected to a crankshaft 14 through a connecting rod 15 while a compression space 18 is formed of the top of the piston 16 and a cylinder 17. An expansion piston 24 is connected to the same crankshaft 14 through another connecting rod 25 with the advanced phase difference within the range of 5-45 deg. than the variable volume of the compression space 8 while an expansion space 26, having a capacity smaller than the compression space, is formed by another piston 24 and an expansion cylinder 23. A radiator 20, a cold heat accumulator 22, a cold head 27 and a pulse tube 21 are connected and arranged sequentially between the compression space 18 and the expansion space 26. According to this constitution, a displacer or an expansion piston, which is necessitated so far, becomes unnecessary and the improvement of efficiency as well as reliability can be contrived.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はスターリングサイクルの
冷凍機とパルス管式冷凍機の断熱過程に用いられるパル
ス管とを巧に組合せたパルス管式スターリング冷凍機に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pulse tube type Stirling refrigerator in which a Stirling cycle refrigerator and a pulse tube used in the heat insulation process of the pulse tube refrigerator are skillfully combined.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来知られているように、スターリング
サイクルは、論理的には二つの等温過程からなる理想サ
イクルであって、実働する冷凍機においては、作動流体
(ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、水素、空気等、
或いは混合気体、以後、流体と云う)にヘリウムや水素
を使用する閉サイクル用のサイクル機関である。冷凍機
としての動作では、他の如何なる冷凍サイクルよりも効
率が高く、液化天然ガスの蒸発器兼低温原動機に用いら
れることが知られている。
2. Description of the Related Art As known in the art, the Stirling cycle is theoretically an ideal cycle consisting of two isothermal processes, and in a working refrigerator, a working fluid (helium, neon, argon, nitrogen) is used. , Hydrogen, air, etc.
Alternatively, it is a cycle engine for a closed cycle that uses helium or hydrogen as a mixed gas, hereinafter referred to as a fluid). In operation as a refrigerator, it is known that it has higher efficiency than any other refrigeration cycle and is used as an evaporator and a low temperature prime mover for liquefied natural gas.

【0003】Kinematic方式のスターリングサ
イクルの構造を図8に、P−V線図およびT−S線図を
図9及び図10に示す。図8において、図示されていな
い原動機により駆動されるるクラウンシャフト2に接続
され、コンロッド11により往復動する圧縮ピストン3
と圧縮シリンダー4とにより構成される容積可変の圧縮
空間1と、その容積可変の位相差が70度から110度
の範囲内(最適な位相差はほぼ90度で冷凍温度が低く
なると60度に近づく)の一定の位相角差を維持しなが
ら進んで運転される膨張ピストン9と膨張シリンダ8に
より構成される膨張空間10との間に放熱器5,蓄冷器
6、コールドヘッド7が接続されている。
The structure of the Kinematic Stirling cycle is shown in FIG. 8, and the P-V diagram and the T-S diagram are shown in FIGS. 9 and 10. In FIG. 8, a compression piston 3 connected to a crown shaft 2 driven by a prime mover (not shown) and reciprocally moved by a connecting rod 11.
And the compression cylinder 1 having a variable volume, and the phase difference of the variable volume is within the range of 70 degrees to 110 degrees (the optimum phase difference is about 90 degrees and 60 degrees when the freezing temperature becomes low). The radiator 5, the regenerator 6, and the cold head 7 are connected between the expansion piston 9 and the expansion space 10 constituted by the expansion cylinder 8 which are operated while maintaining a constant phase angle difference of (approaching). There is.

【0004】この動作原理は、論理的には圧縮空間1で
の流体は、放熱器5で放熱しながら等温的に圧縮される
(図9の等温圧縮過程、a→b1)。次に流体は、圧縮
ピストン3が上死点に向かうため蓄冷器6で蓄冷材で3
0K(約マイナス243度C)程度に冷やされ、コール
ドヘッド7、そして膨張空間10に一定容積で入る(図
9の等容過程、b1→a)。次にこの流体は、膨張ピス
トン9を押す仕事し、その膨張仕事にコンロッド12を
介しクランク2により動力として回収される(図9の等
温膨張過程でコールドヘッド7で図示しない被冷却体か
ら熱を吸収しながら膨張、c→b1)。最後に膨張仕事
をして最大になった膨張空間10の流体は、膨張ピスト
ン9が下死点より上死点に向かうため押し出されて蓄冷
器6、放熱器7より膨張空間1に戻り(図9の等容過
程、d1→a)、1サイクルが終る。このスターリング
サイクルにもどずく各種の冷凍機が、特に中、極低温用
として多く用いられている。
Logically, the operating principle is that the fluid in the compression space 1 is isothermally compressed while radiating heat by the radiator 5 (isothermal compression process in FIG. 9, a → b1). Next, the fluid is stored in the regenerator 6 by the regenerator 6 because the compression piston 3 moves toward the top dead center.
It is cooled to about 0K (about 243 degrees C) and enters the cold head 7 and the expansion space 10 with a constant volume (the isochoric process in FIG. 9, b1 → a). Next, this fluid pushes the expansion piston 9, and the expansion work is recovered as power by the crank 2 via the connecting rod 12 (heat is generated from the uncooled object by the cold head 7 in the isothermal expansion process of FIG. 9). Swelling while absorbing, c → b1). Finally, the fluid in the expansion space 10 that has performed the expansion work and becomes the maximum is pushed out because the expansion piston 9 goes from the bottom dead center to the top dead center, and returns to the expansion space 1 from the regenerator 6 and the radiator 7 (Fig. The isovolume process of 9, d1 → a), one cycle ends. Various refrigerators that revert to this Stirling cycle are often used especially for medium and very low temperatures.

【0005】また、基本的に形式の異なるパルス管式冷
凍機は、1963年W.E.Giffordらにより初
めて提案された。この低温生成の方式は、低温部に可動
部分がないためコールドヘッドでの機械的振動がないこ
とと、機器構成が単純なことから信頼性が高い冷凍機の
実用化への期待が高かった。ここでは、動作原理の説明
は除くが、そのサイクルの機器構成では、金属、または
複合材料の中空の円筒管である単純形状のパルス管が主
構成要素であって断熱過程を担っていることは明らかで
ある。サイクル動作において作動流体は、圧縮空間とバ
ッファータンク内との移動時にパルス管内で圧力変化の
相がずれて低温生成が行われていると考えられる。この
方式の特長は、低温度で往復動する膨張ピストンを必要
としないことである。
Further, a pulse tube type refrigerator having a fundamentally different type is described in W. 1963. E. First proposed by Gifford et al. This low-temperature generation method has high expectations for the practical application of a highly reliable refrigerator due to the fact that there is no mechanical vibration in the cold head because there are no moving parts in the low-temperature part and the simple equipment configuration. Although the explanation of the operating principle is omitted here, in the equipment configuration of the cycle, the simple shape pulse tube which is a hollow cylindrical tube of metal or composite material is the main component and is responsible for the adiabatic process. it is obvious. It is considered that in the cycle operation, the working fluid is generated at a low temperature due to the phase shift of the pressure change in the pulse tube during the movement between the compression space and the buffer tank. The advantage of this method is that it does not require an expansion piston that reciprocates at low temperatures.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記のごときスターリ
ング冷凍機及びパルス管式冷凍機はそれぞれの特徴を生
かし、従来数多く使用されて来たが、同時に解決される
べき問題点も内在されていた。即ち、このスターリング
冷凍機の欠点(原動機も同様)は、比較的長い膨張ピス
トン9(例えば、冷凍出力が80Kで冷凍出力が200
W程度の場合では、図示しないガイドピストンを含めて
35〜45cmの長さ)の往復動作によって膨張シリン
ダ8との接触や共振を起こし、機械振動を発生させ、こ
れが近くにあるコールドヘッド7に伝わり、コールドヘ
ッドで冷却する被冷却体に悪い影響を与える。例えばエ
レクトロニックスのセンサーに振動が伝わってノイズの
原因となっていた。膨張ピストン9を無仕事にして機械
振動を少なくしたディスプレーサ型のスターリング機関
のごときものもあるが、それでも極低温度になる比較的
長いディスプレーサを機械的に高精度で制作しても大き
な温度変化によって寸法精度が狂い、往復動中の接触事
故を頻繁に起していた。
The Stirling refrigerator and the pulse tube refrigerator as described above have been used many times by making the best use of their respective characteristics, but at the same time, there was a problem to be solved. That is, the disadvantage of this Stirling refrigerator (similar to the prime mover) is that the relatively long expansion piston 9 (for example, the refrigerator output is 80K and the refrigerator output is 200K).
In the case of about W, a reciprocating motion including a guide piston (not shown) of 35 to 45 cm) causes contact and resonance with the expansion cylinder 8 to generate mechanical vibration, which is transmitted to the cold head 7 nearby. , It has a bad effect on the object to be cooled by the cold head. For example, vibration was transmitted to the electronic sensor, causing noise. There is also a displacer type Stirling engine in which the expansion piston 9 is unworked to reduce mechanical vibration, but even if a relatively long displacer with extremely low temperature is mechanically manufactured with high accuracy, it will be affected by large temperature changes. The dimensional accuracy was wrong, and a contact accident during reciprocating motion was frequently caused.

【0007】その結果、機械振動を発生させ、ディスプ
レーサの接触摩耗で塵埃やそれらの分解ガスを発生させ
て流体を汚染し性能劣化の原因をつくっていた。更に、
無数の小球体や金網の蓄冷材からなる蓄冷器6での塵埃
や不純ガスの混合流体が詰まり(沸点の高い分解生成ガ
スによる凝縮・凝固)閉塞事故を起こしていた。また、
高い加工精度を要求される膨張ピストンやディスプレー
サ、更にこれらのシリンダー内面仕上げや駆動機構の製
造コストは非常に高価であった。結果として、長い膨張
ピストンやディスプレーサの使用はスターリング機関と
しての信頼性の低下につながっていた。
As a result, mechanical vibration is generated, and dust and their decomposed gas are generated due to contact wear of the displacer, contaminating the fluid and causing performance deterioration. Furthermore,
A mixed fluid of dust and impure gas was clogged in the regenerator 6 composed of a myriad of small spheres and regenerator material of wire mesh (condensation / solidification by decomposition product gas having a high boiling point), causing a blockage accident. Also,
The manufacturing costs of the expansion piston and displacer, which require high processing accuracy, the inner surface finishing of these cylinders, and the drive mechanism were very high. As a result, the use of long expansion pistons and displacers has led to a reduction in reliability as a Stirling engine.

【0008】一方、パルス管式冷凍機においては、その
低温生成の過程が、作動流体の非平衡状態の特性を動作
原理としているため、サイクルとしての解析を困難とし
ている。また、熱音響学的な視点やその他から論文が発
表されているが、いづれも条件に近似が多くて、その動
作原理は論理的には確立されたとは言えないのが現状で
ある。低温生成は可能であることは実証されているが実
際にはその効率はかなり低いものであった。
On the other hand, in the pulse-tube refrigerator, the process of low-temperature generation uses the characteristics of the non-equilibrium state of the working fluid as the operating principle, so that analysis as a cycle is difficult. In addition, although papers have been published from the viewpoint of thermoacoustics and others, there are many approximations to the conditions in each case, and the operating principle cannot be said to be logically established. It has been demonstrated that low temperature production is possible, but in practice its efficiency was rather low.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の欠点を
解決するためにパルス管式冷凍機の断熱過程に用いられ
ているパルス管をスターリングサイクルの機器構成に導
入し、スターリングサイクルの冷凍機で必要不可欠であ
った低温度で往復動させていた膨張ピストンやデイスプ
レーサを一切必要としない単純構造であり、コールドヘ
ッドでの機械振動がなく、しかも高効率で高信頼度の冷
凍機を安価で提供することを可能とした、パルス管を用
いた改良型スターリング冷凍機提供しようとするもので
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention introduces a pulse tube used in the heat insulation process of a pulse tube type refrigerator in order to solve the above-mentioned drawbacks into a Stirling cycle equipment structure, and the Stirling cycle refrigeration is carried out. It has a simple structure that does not require any expansion piston or displacer that reciprocates at low temperature, which was indispensable for the machine, has no mechanical vibration in the cold head, and is highly efficient and highly reliable. The present invention is intended to provide an improved Stirling refrigerator using a pulse tube, which enables to provide at low cost.

【0010】即ち、本発明はその構成として、外部動力
により駆動された圧縮用クランクにより往復動する少な
くとも1つの圧縮ピストンの頂部と圧縮シリンダにより
構成される比較的に大きな容量を持つ圧縮空間と、該圧
縮用クランクより角度で5°乃至45°進んだ位相角α
を持って連動される膨張クランクにより往復動する膨張
ピストン頂部に構成された比較的に小さい容量を持つ膨
張空間を有し、前記圧縮空間と膨張空間との間に放熱
器、蓄冷器、コールドヘッド及びパルス管を順次配設し
てなるパルス管式スターリング冷凍機により解決しよう
とするものである。
That is, the present invention has, as its constitution, a compression space having a relatively large capacity, which is constituted by the top of at least one compression piston reciprocating by a compression crank driven by external power and a compression cylinder, Phase angle α advanced by 5 ° to 45 ° from the compression crank
Has an expansion space having a relatively small capacity formed at the top of an expansion piston that reciprocates by an expansion crank that is interlocked with a radiator, a regenerator, and a cold head between the compression space and the expansion space. And a pulse tube type Stirling refrigerator in which pulse tubes are sequentially arranged.

【0011】また、前記圧縮空間を複数の圧縮ピストン
の頂部により構成された複数の圧縮空間により構成する
ことにより、または2段乃至それ以上の段数よりなるコ
ールドヘッドを有する凸型形状のシリンダ内に、その一
部が少なくとも2重に構成された円筒型パルス管を軸中
心的に配設し、該円筒型パルス管の外周部に更に蓄冷器
又は蓄冷器および放熱器を配設し、前記放熱器、蓄冷
器、コールドベッド及びパルス管の構成を一体化するこ
と、前記圧縮空間及び膨張空間と、前記一体化された放
熱器、蓄冷器、コールドベッド及びパルス管とをフレキ
シブル配管で連結することより解決しようとするもので
ある。
The compression space may be formed by a plurality of compression spaces formed by the tops of a plurality of compression pistons, or in a convex cylinder having a cold head having two or more stages. , A cylindrical pulse tube of which a part is at least doubled is disposed around the axis, and a regenerator or a regenerator and a radiator are further disposed on the outer peripheral portion of the cylindrical pulse tube to dissipate the heat. Integrating the configurations of the heat exchanger, the regenerator, the cold bed and the pulse tube, and connecting the compression space and the expansion space with the integrated radiator, regenerator, cold bed and the pulse tube by flexible piping. It is something to be solved.

【0012】更にまた、前記位相角αが所要冷凍温度が
30K〜50K領域において20°乃至25°、50K
〜120Kの領域では25°〜40°であることを特徴
とし、前記圧縮空間と膨張空間との容積比(圧縮空間容
積/膨張空間容積)を5〜20好ましくは10〜20に
することを特徴としたパルス管式スターリング冷凍機に
より解決しようとするものである。
Further, the phase angle α is 20 ° to 25 ° and 50K in the required freezing temperature range of 30K to 50K.
It is characterized in that it is 25 ° to 40 ° in the region of up to 120K, and the volume ratio of the compression space and the expansion space (compression space volume / expansion space volume) is 5 to 20 and preferably 10 to 20. The pulse tube type Stirling refrigerator is intended to solve the problem.

【0013】[0013]

【作用】図1は機器構成の単純化を目的にした本発明の
パルス管式冷凍機の流路ならびに断面構造に関する模式
図である。熱力学的な動作過程は、図10のT−S線図
に示されるように、理論的には二つの断熱過程(a−
b、c−d)と二つの等容過程(b−c、d−a)から
なる擬似スターリングサイクルの熱機関である。実際の
動作では非可逆過程を伴って(a−bx、c−dx)の
如くなる。
FIG. 1 is a schematic view of a flow path and a sectional structure of a pulse tube refrigerator according to the present invention for the purpose of simplifying the equipment structure. The thermodynamic operation process theoretically involves two adiabatic processes (a-, as shown in the TS diagram of FIG. 10).
b, cd) and two equal volume processes (bc, da) are pseudo Stirling cycle heat engines. In actual operation, it becomes as (a-bx, c-dx) with an irreversible process.

【0014】本発明における大きな特長は図8の既存の
スターリング冷凍機において極低温度で往復動する膨張
ピストン9および膨張シリンダー8を取り除き、その代
替としてパルス管式冷凍機において断熱過程が行われて
いると推定されるパルス管21をサイクルの機器構成に
導入し、断熱膨張過程を常温の膨張ピストン24による
膨張空間26とパルス管21との相乗機能によってスタ
ーリングの個体ピストンに代わってガスピストンとして
動作させていることにある。この結果、図8での極低温
になる膨張空間10と断熱のための長い距離が必要であ
った低温度になって往復動する膨張ピストン9や膨張シ
リンダー8、その他の機器がなくなり、これにより、先
のスターリング冷凍機の欠点は総て除かれた。
A major feature of the present invention is that the existing Pierce Stirling refrigerator of FIG. 8 has the expansion piston 9 and the expansion cylinder 8 reciprocating at an extremely low temperature removed, and a pulse tube refrigerator has an adiabatic process as an alternative. It is assumed that the pulse tube 21 is assumed to exist in the cycle, and the adiabatic expansion process operates as a gas piston instead of the solid piston of Stirling by the synergistic function of the expansion space 26 and the pulse tube 21 by the expansion piston 24 at room temperature. There is something to do. As a result, there is no expansion piston 9 or expansion cylinder 8 or any other device that reciprocates due to the low temperature, which requires a long distance for heat insulation and the expansion space 10 that becomes a cryogenic temperature in FIG. , All the drawbacks of the previous Stirling refrigerator were eliminated.

【0015】[0015]

【実施例】以下、図面にもとづき、本発明の詳細を述べ
る。図1は本発明の一実施例の模式図であり、図示しな
い電動機等で駆動されるクランクシャフト14の回転で
コンロッド15を介して機械的に往復動される圧縮ピス
トン16とシリンダー17で形成される流体(スターリ
ングと同じ気体)の圧縮空間18(吐出弁、吸入弁を有
しない圧縮機のため圧縮空間部とも云い、圧縮空間18
は、膨張空間26を含めてピストン・シリンダーに限ら
ず、ダイアフラム、ベローズなどでも形成可能)は、ク
ランクシャフト14にコーンロッド25を介し、圧縮空
間18の容積可変よりも5度から45度の範囲内(最適
な位相差は、ほぼ20度)の位相差で進んで(運転条件
により多少異なり、膨張空間の容積が圧縮空間より進ん
だ一定の位相差を保持しながら可変されて運転されてい
ることで、位相角差やクランク角とも云う)維持し保持
される常温の膨張シリンダ23、膨張ピストン24によ
って形成される膨張空間26との間に配管19、放熱器
20、ステンレスやブロンズのメッシュ、無数の小球の
鉛や奇土類等の蓄冷材の詰められた蓄冷器22、被冷却
体を冷却し冷凍を発生するコールドヘッド27、パルス
管21及び配管28を介して接続される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of the present invention, which is formed by a compression piston 16 and a cylinder 17 which are mechanically reciprocated via a connecting rod 15 by the rotation of a crankshaft 14 driven by an electric motor (not shown). Fluid (the same gas as Stirling) compression space 18 (also referred to as compression space portion because the compressor does not have a discharge valve and a suction valve).
Is not limited to the piston / cylinder including the expansion space 26, but may be formed by a diaphragm, a bellows, or the like) via the cone rod 25 on the crankshaft 14 and within a range of 5 to 45 degrees from the volume change of the compression space 18. (The optimum phase difference is approximately 20 degrees) The phase difference is advanced (varies slightly depending on the operating condition, and the volume of the expansion space is operated while being variable while maintaining a constant phase difference advanced from the compression space). Therefore, a pipe 19, a radiator 20, a stainless steel or a bronze mesh, is provided between the expansion cylinder 23 at normal temperature which is maintained and held and the expansion space 26 formed by the expansion piston 24. A regenerator 22 filled with regenerator material such as lead or strange earth of innumerable small balls, a cold head 27 that cools an object to be cooled and generates freezing, a pulse tube 21 and a pipe 2. It is connected via a.

【0016】或いはパルス管21と膨張空間26との間
に図2に示すごとく、図1の放熱器20と一体化して製
造した熱交換器29を介して接続され、冷却流体30に
より空冷や液冷される。この熱交換器29は断熱膨張過
程に於いて発生する非可逆性によって流体の温度が常温
の膨張空間26よりも下がるのを防ぐと同時に冷熱を回
収し、図1での放熱器120の放熱負荷を下げる効果が
ある。また、膨張空間26と圧縮空間18の距離は、図
示しないが、同一のクランクケースで形成されることに
より短く、配管19と28とを同心の2重管にすれば、
それぞれ熱交換して放熱器29と同様な効果をあげ、し
かも配管系を見かけ上は1本とすることによって単純化
することができる。
Alternatively, as shown in FIG. 2, the pulse tube 21 and the expansion space 26 are connected via a heat exchanger 29 manufactured integrally with the radiator 20 of FIG. 1 and cooled by air or liquid by a cooling fluid 30. To be cooled. This heat exchanger 29 prevents the temperature of the fluid from dropping below the expansion space 26 at room temperature due to the irreversibility generated during the adiabatic expansion process, and at the same time, recovers the cold heat and the heat radiation load of the heat radiator 120 in FIG. Has the effect of lowering. Although not shown, the distance between the expansion space 26 and the compression space 18 is short because they are formed by the same crankcase, and if the pipes 19 and 28 are concentric double pipes,
The heat can be exchanged with each other to obtain the same effect as that of the radiator 29, and the piping system can be simplified by apparently using one pipe.

【0017】更に、理想的な動作状態に於ける動作を図
1,図10のT−S線図および図9のP−V線図で説明
する。圧縮空間18の流体は、常温のa点より等エント
ロピー的に圧縮され(断熱圧縮過程)高い温度および圧
力のb点になり、次に容積一定の過程でb1まで熱交換
器20で放熱し、b1より蓄冷器22に入りc点まで冷
やされる(等容過程)。次に膨張ピストン24が下死点
に向かうとコールドヘッド27,パルス管21内の流体
は膨張空間26に入りピストン24を押し、クランクシ
ャフト14を回す仕事をして膨張しd点となる(断熱膨
張過程で26の容積が最大となる)。更に等容的に膨張
空間26の流体は配管28を通じ、パルス管21内の流
体と共にコールドヘッド27で図示しない被冷却体を冷
却(d−d1)し、d1より蓄冷器22、放熱器20に
入ってa点まで暖められて圧縮空間18に戻って(等容
過程)1サイクルが終わる。実際の動作過程では、非可
逆過程をともなって鎖線(a−bx、c−dx)のよう
になる。尚、これらの過程は、実際の動作運転時には非
効率を伴うポリトロピック過程となり、PV線図を描か
せば各過程での鋭角部は削られて滑らかになる。
Further, the operation in the ideal operating state will be described with reference to the TS diagram of FIGS. 1 and 10 and the PV diagram of FIG. The fluid in the compression space 18 is isentropically compressed from the point a at room temperature (adiabatic compression process) to a point b of higher temperature and pressure, and then radiates heat to the b1 in the process of constant volume in the heat exchanger 20, From b1, it enters the regenerator 22 and is cooled to point c (the isochoric process). Next, when the expansion piston 24 moves toward the bottom dead center, the fluid in the cold head 27 and the pulse tube 21 enters the expansion space 26, pushes the piston 24, expands the work of rotating the crankshaft 14, and reaches the point d (heat insulation). The expansion process maximizes the volume of 26). Further, the fluid in the expansion space 26 is isometrically cooled through a pipe 28 together with the fluid in the pulse pipe 21 by a cold head 27 to cool an object to be cooled (d-d1), and from d1 to a regenerator 22 and a radiator 20. It enters and is warmed up to point a and returns to the compression space 18 (equal volume process) to complete one cycle. In the actual operation process, it becomes like a chain line (a-bx, c-dx) with an irreversible process. It should be noted that these processes are polytropic processes with inefficiency during actual operation, and if a PV diagram is drawn, the sharp corners in each process will be shaved and smoothed.

【0018】図4に本発明の冷凍機の実験によって得た
位相差(α)と最低到達温度(Tmin)の関係の曲線
(a)とスフリットのスターリングサイクル冷凍機
(b)の場合をそれぞれ比較する。本発明では、最適な
位相差(OPT)は冷凍温度、機器の諸元、容積比およ
び運転条件によって異なるが、冷凍温度が30Kでは、
蓄冷器をブロンズ金網のみを使用して20度で最大効率
となる。即ち、所要冷凍温度が30Kから50K領域の
場合には、曲線1,2の間のOPT線の20度から25
度の位相差の範囲内で運転すれば最大の冷凍出力が得ら
れる。これはこの20度を中心にしてプラス25度、マ
イナス15度の範囲の曲線内で充分な冷凍出力が得られ
ることを意味している。
FIG. 4 compares the curve (a) of the relationship between the phase difference (α) and the minimum reached temperature (Tmin) obtained by the experiment of the refrigerator of the present invention with the case of the Stirling cycle refrigerator (b) of Slit. To do. In the present invention, the optimum phase difference (OPT) varies depending on the freezing temperature, the specifications of the equipment, the volume ratio, and the operating conditions.
Maximum efficiency is achieved at 20 degrees using only a bronze wire mesh as the regenerator. That is, when the required freezing temperature is in the range of 30K to 50K, the OPT line between the curves 1 and 2 is 20 degrees to 25 degrees.
The maximum refrigeration output can be obtained by operating within the range of the phase difference between the degrees. This means that a sufficient refrigerating output can be obtained within a curve in the range of plus 25 degrees and minus 15 degrees around this 20 degree.

【0019】20度を離れ、60度に近づくに従って得
られるTminは緩やかに上昇し効率も冷凍出力も減少
することを意味している。20度以下の0度、即ち同位
相にかけての曲線は鋭角で、0度以下のマイナス15度
になると、図示しないがTminは急激に高くなって1
00K以上に上昇する。本発明では、0度以下ではマイ
ナス5度が限界で、これ以下では冷凍出力が充分得られ
ないことを意味している。また50K〜120Kの領域
では20°〜40°が好ましいことが実験的に確かめら
れている。
It means that Tmin obtained as the distance from 20 degrees approaches 60 degrees and gradually increases, and both the efficiency and the refrigerating output decrease. When the curve is 0 degrees or less than 20 degrees, that is, the curve to the same phase is an acute angle and becomes -15 degrees or less than 0 degree, Tmin sharply increases to 1 although not shown.
Rise above 00K. In the present invention, below 0 ° is the limit of minus 5 °, and below this means that a sufficient refrigerating output cannot be obtained. It has been experimentally confirmed that 20 ° to 40 ° is preferable in the region of 50K to 120K.

【0020】即ち、所要冷凍温度が高くなるに従って最
適な位相差(OPT)は高くなり、例えば、70から9
0Kの冷凍温度が必要な時では、曲線3,4の範囲内O
PT線からは約36度となる。即ち、最大冷凍出力がこ
の位相角で得られ、また、最適な容積比(圧縮空間の容
積/膨張空間の容積)も小さくなる。位相差の制御は、
実際の冷凍機の運転では所要冷凍温度によってACサー
ボモータ等で自由に最適な位相差に変えることが可能で
あるが、高価格で複雑化する。従って特定の用途以外は
一定の位相差に固定され運転される。
That is, the optimum phase difference (OPT) becomes higher as the required freezing temperature becomes higher, for example, 70 to 9
When a freezing temperature of 0K is required
It is about 36 degrees from the PT line. That is, the maximum refrigeration output is obtained at this phase angle, and the optimum volume ratio (volume of compression space / volume of expansion space) is also reduced. Control of the phase difference is
In the actual operation of the refrigerator, it is possible to freely change the optimum phase difference by an AC servomotor or the like depending on the required refrigeration temperature, but this is expensive and complicated. Therefore, it is operated with a fixed phase difference except for specific applications.

【0021】また、図4において、スターリング(b)
の場合では、Tminは25Kと本発明の冷凍機よりも
低い温度が得られる。最適な位相角はほぼ90度で、こ
れを中心にした±30度の範囲(60度〜120度)の
緩やかな曲線内で冷凍出力が得られる。しかし多少の運
転条件によって異なるが、90度±10度の範囲内で効
率が高いことを意味している。スターリングの原動機で
もこのαは同様で、ほぼ90度で最大効率が得られるこ
とは周知のことである。以上の如く本発明は、αとTm
inの関係からも既存のスターリング機関との熱力学的
な差異が明らかである。
In FIG. 4, the Stirling (b)
In the case of, Tmin is 25 K, which is lower than that of the refrigerator of the present invention. The optimum phase angle is approximately 90 degrees, and the refrigerating output can be obtained within a gentle curve within the range of ± 30 degrees (60 degrees to 120 degrees) centered on this. However, it means that the efficiency is high within the range of 90 ° ± 10 °, although it depends on the operating conditions. It is well known that this α is the same in the Stirling motor, and the maximum efficiency is obtained at about 90 degrees. As described above, the present invention is based on α and Tm
From the in relation, the thermodynamic difference from the existing Stirling engine is clear.

【0022】尚、パルス管21は、複合材やセラミック
材でもよいが、主に熱伝導の悪いステンレス等の中空の
円筒管で、冷凍出力が77Kで100W程度では、長さ
25〜32cm、内径2cm±0.5cm、肉厚0.1
cmであり、図示しないが内部にはメッシュ等からなる
流体用の整流器が出入り口に付けられる場合がある。膨
張空間26側の整流器は熱交換器29と一体化されて作
られる場合もある。
The pulse tube 21 may be a composite material or a ceramic material, but it is mainly a hollow cylindrical tube made of stainless steel or the like having poor heat conduction, and when the refrigerating output is 77 K and 100 W, the length is 25 to 32 cm and the inner diameter is. 2cm ± 0.5cm, wall thickness 0.1
Although not shown, a rectifier for fluid, which is made of mesh or the like, may be attached to the entrance / exit inside, although not shown. The rectifier on the expansion space 26 side may be made integrally with the heat exchanger 29.

【0023】圧縮空間18と膨張空間26との容積比
(圧縮空間の容積/膨張空間の容積)は、冷凍温度によ
って5〜20の範囲内で効率よく低温の生成が可能であ
り、所要冷凍温度が低ければ低いほど20に近づき、最
適位相も小さくなる。最適な容積比はコールドヘッド2
7での冷凍温度や出力、更に流体の平均動作圧力、回転
数、位相差などの運転条件や配管の長さ(配管内の死容
積と圧力損失)などによって異なる。容積比は冷凍温度
が150K〜77Kで5〜10、77K〜10Kで10
〜20であり、容積比は20以下でも低温生成が可能で
あるが、この場合は成績係数が大幅に低下する。
The volume ratio of the compression space 18 and the expansion space 26 (volume of compression space / volume of expansion space) can efficiently generate a low temperature within a range of 5 to 20 depending on the freezing temperature, and the required freezing temperature. The lower is, the closer to 20, the smaller the optimum phase is. The optimum volume ratio is cold head 2
7, the freezing temperature and the output, the operating conditions such as the average operating pressure of the fluid, the rotation speed, and the phase difference, and the length of the pipe (dead volume and pressure loss in the pipe). The volume ratio is 5 to 10 when the freezing temperature is 150K to 77K, and 10 when the freezing temperature is 77K to 10K.
Even if the volume ratio is 20 or less, low temperature generation is possible, but in this case, the coefficient of performance is significantly reduced.

【0024】図3は、ターボモレキュラーポンプの水凝
縮器に於ける場合の実施例で、コールドヘッド27はフ
ィン管で作られターボポンプの吸入口の真空中におか
れ、パルス管21はブロンズやステンレス金網で構成さ
れた蓄冷器31の軸中心に配置され、コールドヘッド2
7よりパルス管21に入った流体は、放熱器29で一部
冷やされたパルス管より配管28を通って膨張空間26
に接続される。尚、パルス管は、冷凍出力が大きくなっ
たり、ピストンの回転数が高く(18Hz以上)なった
場合、複数のパルス管を蓄冷器と共に並列に用いてもよ
い。またパルス管の形状は円筒に限らず楕円や角、円錐
形状でも可能であるが、流体が高圧になれば、円筒形状
は肉厚を薄くすることができ、これによる熱損失の割合
も少なくなる有利さがある。
FIG. 3 shows an embodiment in the case of a water condenser of a turbo molecular pump. The cold head 27 is made of a fin tube and placed in the vacuum of the suction port of the turbo pump, and the pulse tube 21 is bronze or the like. The cold head 2 is arranged at the axial center of the regenerator 31 made of stainless wire mesh.
The fluid that has entered the pulse tube 21 from 7 passes through the pipe 28 from the pulse tube that has been partially cooled by the radiator 29, and the expansion space 26
Connected to. In the pulse tube, when the refrigerating output is large or the rotation speed of the piston is high (18 Hz or more), a plurality of pulse tubes may be used in parallel with the regenerator. The shape of the pulse tube is not limited to a cylinder, and it can be an elliptical shape, a square shape, or a conical shape. However, if the pressure of the fluid is high, the thickness of the cylindrical shape can be made thin, and the heat loss rate due to this can be reduced There is an advantage.

【0025】この実施例を図6(A),図6(B)の圧
縮及び膨張空間の形成をクランクケース型を使用しての
冷凍出力が100Kで30Wの時の諸元を示す。パルス
管:ステンレスで1.6cmφ、長さ25cm、蓄冷
器:ステンレスの150メッシュ2.5cmφ,800
枚、圧縮空間の容積:500cc。膨張空間の容積:4
0cc。回転数:300rpm(5Hz)。作動平均圧
力(He):14気圧。位相差:35度。最低到達温
度:40K。入力:0.75Kw。これらの条件により
性能指数:750/30=25。成績係数:1/25=
0.04。入力:0.75KW。これらの条件により性
能指数:750/30=25、成績係数:1/25=
0.04、効率を%カルノー値で表すと、η%=(30
0−100)/100/25*100%=8%となり、
市販されている同出力のギホード・マクマホンサイクル
冷凍機に略近い値である。
6A and 6B show the specifications when the refrigerating output is 100 K and 30 W when the crankcase type is used to form the compression and expansion spaces in FIGS. 6A and 6B. Pulse tube: stainless steel 1.6 cmφ, length 25 cm, regenerator: stainless steel 150 mesh 2.5 cmφ, 800
The volume of one sheet, the compression space: 500 cc. Expansion space volume: 4
0 cc. Rotation speed: 300 rpm (5 Hz). Working average pressure (He): 14 atm. Phase difference: 35 degrees. Minimum reached temperature: 40K. Input: 0.75 Kw. Performance index: 750/30 = 25 under these conditions. Performance coefficient: 1/25 =
0.04. Input: 0.75KW. Under these conditions, performance index: 750/30 = 25, performance coefficient: 1/25 =
0.04, efficiency is expressed by% Carnot value, η% = (30
0-100) / 100/25 * 100% = 8%,
It is a value close to that of a commercially available Gifode McMahon cycle refrigerator with the same output.

【0026】本発明の冷凍機の効率は、開発の初期段階
でありながら高いことが明かである。尚、コールドヘッ
ド27は、膨張空間26や圧縮空間18の機構部からの
機械振動を完全に防止するために、図2に示す常温の配
管32−1〜32−4を1〜2mのフレキシブル管にす
ることができる。但し、フレキシブル管の距離が長くな
ると、配管32内の死容積と長さによる圧力損失が増
え、圧縮空間18内での流体の圧縮比が低下するため、
冷凍出力は配管の長さが長くなるに従って減少する。上
記の冷凍機の諸元では、1mの長さで約12%低下す
る。即ち、短ければ短いほど効率は良い。
It is clear that the efficiency of the refrigerator of the present invention is high even at the early stage of development. In order to completely prevent mechanical vibrations from the mechanical parts of the expansion space 26 and the compression space 18, the cold head 27 uses the flexible pipes of 1 to 2 m as the normal temperature pipes 32-1 to 32-4 shown in FIG. Can be However, as the distance of the flexible pipe increases, the dead volume in the pipe 32 and the pressure loss due to the length increase, and the compression ratio of the fluid in the compression space 18 decreases,
The refrigeration output decreases as the length of the pipe increases. With the specifications of the refrigerator described above, there is a decrease of about 12% at a length of 1 m. That is, the shorter the length, the better the efficiency.

【0027】しかし、他のどのサイクルの冷凍機にもあ
るコールドヘッドでの数μから十数μの機械的な振動
を、本発明では、低温ピストン等の可動機構を必要とし
ないことと、フレキシブル管の使用により完全に取り除
くことが可能である。33はピストンリングであり、2
1,22,27は真空で断熱される。また、所要冷凍温
度が30Kよりも低い場合には、蓄冷器22に無数の鉛
の小球や奇土類の蓄冷材を詰め、圧縮比を大きくすれば
容易に得られる。
However, the present invention does not require a moving mechanism such as a low-temperature piston to provide mechanical vibration of several μ to several tens of μ in the cold head in any other cycle refrigerator. It can be completely removed by using a tube. 33 is a piston ring, 2
1, 22, 27 are insulated by vacuum. Further, when the required freezing temperature is lower than 30 K, it can be easily obtained by filling the regenerator 22 with innumerable lead globules or strange earth regenerator material and increasing the compression ratio.

【0028】更に本発明のクライオポンプへの実施例を
図5、図6(A)、図6(B)、図7により以下説明す
る。図において、圧縮空間37の流体は、モータ51に
より遊星ギア50、クランクシャフト34、コンロッド
35、ガイドピストン56を介し、鉛直に配置されて往
復動する圧縮ピストン36により圧縮され吐出口より3
7−1より配管37−2、放熱器接続口48、冷却流体
54で冷やされ、パルス管44の一部を冷却しているほ
ぼ常温の放熱器38より常温からほぼ77Kまでの温度
生成に関与する蓄冷器39に入る。更に蓄冷器出入口3
9−1から流体の一部は出入口42−1よりフランジ型
のコールドヘッド下端部42を冷却し、同心円筒型のパ
ルス管44,出入口45−1、配管45より圧縮空間3
7の容積変化より5度から45度の範囲内の一定位相差
で進んで容積の可変をする膨張空間46に46−1の出
入口より入る。尚、図5のθは、鉛直に配置した圧縮ピ
ストン36と膨張ピストン49とのバンク角であり、こ
の角度が位相差αに相当し図6(B)のように固定され
る。
An embodiment of the cryopump of the present invention will be described below with reference to FIGS. 5, 6 (A), 6 (B) and 7. In the figure, the fluid in the compression space 37 is compressed by the motor 51 through the planetary gear 50, the crankshaft 34, the connecting rod 35, and the guide piston 56, and is compressed by the vertically reciprocating compression piston 36.
From the 7-1, the pipe 37-2, the radiator connection port 48, and the cooling fluid 54 are cooled to participate in the temperature generation from the room temperature to about 77K from the radiator 38 at a room temperature that cools a part of the pulse tube 44. Enter the regenerator 39. Further regenerator entrance 3
A part of the fluid from 9-1 cools the flange type cold head lower end portion 42 from the inlet / outlet port 42-1 and the compression space 3 from the concentric cylindrical pulse tube 44, the inlet / outlet port 45-1, and the pipe 45.
From the volume change of No. 7, the expansion space 46 in which the volume is changed by advancing with a constant phase difference within the range of 5 to 45 degrees enters from the inlet / outlet port of 46-1. Note that θ in FIG. 5 is a bank angle between the compression piston 36 and the expansion piston 49 arranged vertically, and this angle corresponds to the phase difference α and is fixed as shown in FIG. 6B.

【0029】一方、出入口42−1での残りの流体は、
ステンレス金網、無数の鉛球、稀土類等の蓄冷材が詰め
られた蓄冷器40の40−1よりフランジ型で20K以
下を生成するコールドヘッド上端部41を冷却し、蓄冷
器40の軸中心のパルス管43に入り、43−1から2
重パルス管の45−1で先に述べたコールドヘッド下端
部42によりの流体と合流して配管45より膨張空間4
6に入る。この低温生成の方法は、図1で述べたので省
略する。
On the other hand, the remaining fluid at the inlet / outlet 42-1 is
Cooling the cold head upper end 41 which produces 20K or less with a flange type from the cold accumulator 40-1 of the cold accumulator 40 filled with stainless wire mesh, innumerable lead balls, and regenerator materials such as rare earths, and the pulse at the axis center of the cold accumulator 40 Enter the tube 43, 43-1 to 2
The heavy pulse tube 45-1 merges with the fluid from the cold head lower end portion 42 described above, and the expansion space 4 is expanded from the piping 45.
Enter 6. This low temperature generation method has been described in FIG.

【0030】尚、コンロッド47、クランクケース5
2、耐圧カバー53、オイルポンプ57、真空フランジ
55がある。図7は本発明のコールドヘッドパルス管、
蓄冷器をコンパクト化した一実施例の部分模式図であ
る。即ち、この実施例では、二つの温度を生成するコー
ルドヘッド41,42の中心に、最低温度を生成するパ
ルス管43を配置し、次にパルス管44、蓄冷器39を
それぞれ同心円筒上に構成したためコンパクトになり、
通常のクライオポンプに使われ高圧、低圧弁によってコ
ールドヘッドでの機械振動の大きいギホード・マクマホ
ン冷凍機との代替えが容易となった。
The connecting rod 47 and the crankcase 5
2, a pressure resistant cover 53, an oil pump 57, and a vacuum flange 55. FIG. 7 shows a cold head pulse tube of the present invention,
It is a partial schematic diagram of one Example which made a regenerator compact. That is, in this embodiment, the pulse tube 43 that generates the lowest temperature is arranged at the center of the cold heads 41 and 42 that generate two temperatures, and then the pulse tube 44 and the regenerator 39 are formed on concentric cylinders. Because it did, it became compact,
The high-pressure and low-pressure valves used in ordinary cryopumps made it easy to replace the cold head with mechanical vibration of the Gifode McMahon refrigerator.

【0031】尚、コールドヘッドの数は、パルス管と蓄
冷器を更に増やせば、二カ所以上に増やすことが可能で
あり、しかもより低温が容易に得られる。また図6
(A),図6(B)における圧縮空間および膨張空間を
形成する構造は、バンク角によって位相差を与えること
により最も低価格に設定できるものである。また、圧縮
空間の容積は、77Kの生成でも膨張空間の十数倍にな
るため、これを例えば二分割にして水平対向型ピストン
の駆動によって形成すれば、低振動化と共にコンパクト
な構造となる。この時の膨張空間は鉛直に配置し上下動
する膨張ピストンで形成すればよい。
The number of cold heads can be increased to two or more by further increasing the number of pulse tubes and regenerators, and a lower temperature can be easily obtained. See also FIG.
The structure for forming the compression space and the expansion space in FIGS. 6A and 6B can be set at the lowest price by giving a phase difference by the bank angle. Further, since the volume of the compression space becomes ten times more than that of the expansion space even when 77K is generated, if this is divided into two parts and formed by driving the horizontally opposed piston, the vibration is reduced and the structure becomes compact. The expansion space at this time may be formed by an expansion piston vertically arranged and vertically moved.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明の効果をスターリング及びその他
の冷凍機と比較して列挙すれば下記のとおりである。 イ)比較的に長い低温度で往復動させるディスプレーサ
や膨張ピストンを使用しなくとも比較的高い効率が得ら
れる。 ロ)低温の可動部やこの駆動機構がないため、ピストン
とシリンダーの接触による塵埃の発生がなくなった。こ
のため作動流体の汚染がなくなり、長時間にわたり性能
が安定し、且つ、機械的な部品の低下で信頼性が大きく
向上した。 ハ)膨張および圧縮ピストンが常温部のみの往復運動で
あり、既存の機関に較べてコールドヘッドでの振動が殆
どなくなった。このため、被冷却体に与えていた機械的
な振動によるノイズが完全に除去され、特にエレクトロ
ニクスシステムへの応用の期待が高まった。 ニ)冷凍機構造の単純化によってシステム応用での信頼
性の向上の期待が高まった。 ホ)本発明は、低温可動部を必要としないため、常温の
流体機械と同様に、既存技術で容易に製作できるように
なった。 ヘ)機器構造が単純で、部品数の低下と共に精密加工を
要する部品・機構がなくなったため、製造価格が大幅に
低下し、高信頼度の冷凍機や原動機が安価で提供でき
る。 ト)高価な製作費を要し、且つ壊れ安い比較的長い膨張
ピストンやディスプレーサがなくなったため、装置の移
動に伴う取扱が容易になった。また運転操作も同様に容
易になった。
The effects of the present invention are listed below in comparison with Stirling and other refrigerators. B) A relatively high efficiency can be obtained without using a displacer or an expansion piston that reciprocates at a relatively long low temperature. B) Since there is no low-temperature moving part or this drive mechanism, dust is not generated due to contact between the piston and cylinder. Therefore, the working fluid is not contaminated, the performance is stable for a long time, and the reliability is greatly improved due to the reduction of mechanical parts. C) The expansion and compression pistons reciprocate only at room temperature, and there is almost no vibration in the cold head compared to existing engines. For this reason, the noise due to the mechanical vibration that has been applied to the object to be cooled is completely removed, and the expectation of application to electronic systems in particular has increased. D) The simplification of the refrigerator structure has raised expectations for improved reliability in system applications. (E) Since the present invention does not require a low-temperature moving part, it can be easily manufactured by the existing technique as in a fluid machine at room temperature. F) The equipment structure is simple, and since the number of parts has decreased and the parts and mechanisms that require precision processing have disappeared, the manufacturing price has dropped significantly, and highly reliable refrigerators and prime movers can be provided at low cost. G) Since the relatively long expansion piston and displacer, which are expensive and expensive to manufacture and which are easy to break, have been eliminated, handling is easy as the device moves. Also, the driving operation has become easier as well.

【0033】なお、圧縮空間13の容積が膨張空間26
に較べて非常に大きくなるため、スターリング機関で実
施されているような、圧縮空間の容積13を二つに分割
し、その圧縮空間を形成する二つの圧縮ピストンを水平
対向型に配置して駆動させれば、二つの圧縮空間の容積
変化が同位相で行われるため、機械的な動バランスの良
さから、常温の圧縮部はより低振動化が計れる。また、
本発明の機器構成を複数組に組み合わせて製作すれば、
低振動化と共に効率がより向上させることが出来る。
The volume of the compression space 13 is equal to that of the expansion space 26.
Since it is much larger than that of the Stirling engine, the volume 13 of the compression space is divided into two, and two compression pistons that form the compression space are arranged horizontally opposed to each other and driven. By doing so, since the volume changes of the two compression spaces are performed in the same phase, the vibration of the compression part at room temperature can be further reduced due to good mechanical dynamic balance. Also,
If the device configuration of the present invention is manufactured by combining a plurality of sets,
The efficiency can be further improved with the low vibration.

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

【図1】本発明の一実施例の模式図である。FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の他の実施例の模式図である。FIG. 2 is a schematic view of another embodiment of the present invention.

【図3】本発明の他の実施例の模式図である。FIG. 3 is a schematic view of another embodiment of the present invention.

【図4】本発明の場合(a)及びスターリング冷凍機の
場合(b)の位相差(α)と最低到達温度(Tmin)
との関係を示すグラフである。
FIG. 4 shows the phase difference (α) and the minimum attainable temperature (Tmin) in the case of the present invention (a) and the case of the Stirling refrigerator (b).
It is a graph which shows the relationship with.

【図5】本発明をクライオポンプに使用した場合の模式
図である。
FIG. 5 is a schematic diagram when the present invention is used in a cryopump.

【図6】(A)は本発明の一実施例のXX′矢視断面に
よる一部断面図である。 (B)は本発明の一実施例のYY′矢視断面による一部
断面図である。
FIG. 6A is a partial sectional view taken along the line XX ′ of the embodiment of the present invention. (B) is a partial cross-sectional view taken along the line YY 'of the embodiment of the present invention.

【図7】本発明のコールドヘッド・パルス管・蓄冷器を
コンパクト化した一実施例の部分模式図である。
FIG. 7 is a partial schematic view of an embodiment in which the cold head, pulse tube and regenerator of the present invention are made compact.

【図8】従来のスターリング冷凍機における実施例の模
式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram of an example of a conventional Stirling refrigerator.

【図9】冷凍機サイクルにおけるP−V線図である。FIG. 9 is a P-V diagram in the refrigerator cycle.

【図10】冷凍機サイクルにおけるT−S′線図であ
る。
FIG. 10 is a TS ′ diagram in the refrigerator cycle.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,18,37 圧縮空間 2,14,34 クランクシャフト 3,16,36 圧縮ピストン 4,17 圧縮シリンダ 5,20,38 放熱器 6,22,39,40 蓄冷器 7,27 コールドヘッド 8,23 膨張シリンダ 9,24,49 膨張ピストン 10,26,46 膨張空間 11,12,15,25,35,47 コンロッド 13,シールリング 19,28,32−1,32−2,32−3,32−
4,37−2,45 配管 21,43,44 パルス管 29 熱交換器 30,54 冷却流体 31 シリンダ 33 ピストンリング
1,18,37 Compressed space 2,14,34 Crank shaft 3,16,36 Compressed piston 4,17 Compressed cylinder 5,20,38 Radiator 6,22,39,40 Regenerator 7,27 Cold head 8,23 Expansion cylinder 9,24,49 Expansion piston 10,26,46 Expansion space 11,12,15,25,35,47 Connecting rod 13, Seal ring 19,28,32-1,32-2,32-3,32-
4, 37-2, 45 Piping 21, 43, 44 Pulse tube 29 Heat exchanger 30, 54 Cooling fluid 31 Cylinder 33 Piston ring

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 外部動力により駆動された圧縮用クラン
クにより往復動する少なくとも1つの圧縮ピストンの頂
部と圧縮シリンダにより構成される比較的に大きな容量
を持つ圧縮空間と、 該圧縮用クランクより角度で5°乃至45°進んだ位相
角αを持って連動される膨脹クランクにより往復動する
膨脹ピストン頂部に構成された比較的に小さい容量を持
つ膨脹空間を有し、 前記圧縮空間と膨脹空間との間に放熱器、蓄冷器、コー
ルドヘッド及びパルス管を順次配設してなるパルス管式
スタ−リング冷凍機。
1. A compression space having a relatively large capacity formed by a top of at least one compression piston reciprocating by a compression crank driven by external power and a compression cylinder, and an angle from the compression crank. An expansion space having a relatively small volume is formed at the top of an expansion piston that reciprocates by an expansion crank that is interlocked with a phase angle α advanced from 5 ° to 45 °. A pulse tube type Stirling refrigerator in which a radiator, a regenerator, a cold head and a pulse tube are sequentially arranged in between.
【請求項2】 前記圧縮空間が複数の圧縮ピストンの頂
部により構成された複数の圧縮空間であることを特徴と
する請求項1記載のパルス管式スターリング冷凍機。
2. The pulse tube type Stirling refrigerator according to claim 1, wherein the compression space is a plurality of compression spaces constituted by tops of a plurality of compression pistons.
【請求項3】 2段乃至それ以上の段数よりなるコール
ドヘッドを有する凸型形状のシリンダ内に、その一部が
少なくとも2重に構成された円筒型パルス管を軸中心的
に配設し、該円筒型パルス管の外周部に更に蓄冷器又は
蓄冷器および放熱器を配設し、前記放熱器、蓄冷器、コ
ールドヘッド及びパルス管の構成を一体化したことを特
徴とする請求項1記載のパルス管式スターリング冷凍
機。
3. A cylindrical pulse tube, at least a part of which is at least doubled, is disposed in the center of an axis in a convex cylinder having a cold head having two or more stages of cold heads. 2. A regenerator or a regenerator and a radiator are further arranged on the outer peripheral portion of the cylindrical pulse tube, and the configurations of the radiator, the regenerator, the cold head and the pulse tube are integrated. Pulse tube Stirling refrigerator.
【請求項4】 前記圧縮空間及び膨脹空間と、前記一体
化された放熱器、蓄冷器、コールドヘッド及びパルス管
とがフレキシブル配管で連結されたことを特徴とする請
求項3項記載のパルス管式スターリング冷凍機。
4. The pulse tube according to claim 3, wherein the compression space and the expansion space are connected to the integrated radiator, regenerator, cold head and pulse tube by a flexible pipe. Type Stirling refrigerator.
【請求項5】 前記位相角αが所要冷凍温度が30K〜
50K領域において20°乃至25°、50k〜120
kの領域においては25〜40°であることを特徴とす
る請求項1記載のパルス管式スターリング冷凍機。
5. The phase angle α has a required freezing temperature of 30 K to
20 ° to 25 °, 50k to 120 in 50K region
The pulse tube type Stirling refrigerator according to claim 1, wherein the range is 25 to 40 in the region of k.
【請求項6】 前記圧縮空間と膨脹空間との容積比(圧
縮空間容積/膨脹空間容積)が5〜20好ましくは10
〜20であることを特徴とする請求項1乃至5項のいず
れか1項記載のパルス管式スターリング冷凍機。
6. The volume ratio of the compression space and the expansion space (compression space volume / expansion space volume) is 5 to 20, preferably 10
The pulse tube type Stirling refrigerator according to any one of claims 1 to 5, characterized in that
【請求項7】 前記パルス管がステンレス鋼、複合材
料、セラミックスのいずれか1種またはこれらの組み合
わせにより構成されていることを特徴とする請求項1乃
至6項のいずれか1項記載のパルス管式スターリング冷
凍機。
7. The pulse tube according to claim 1, wherein the pulse tube is made of any one of stainless steel, a composite material, ceramics or a combination thereof. Type Stirling refrigerator.
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