JPH0721361B2 - 冷凍機 - Google Patents
冷凍機Info
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- JPH0721361B2 JPH0721361B2 JP62165712A JP16571287A JPH0721361B2 JP H0721361 B2 JPH0721361 B2 JP H0721361B2 JP 62165712 A JP62165712 A JP 62165712A JP 16571287 A JP16571287 A JP 16571287A JP H0721361 B2 JPH0721361 B2 JP H0721361B2
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- Japan
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- piston
- space
- working gas
- working
- displacer
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
- F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
- F04B35/045—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric using solenoids
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
- F02G2243/02—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
- F02G2243/04—Crank-connecting-rod drives
- F02G2243/06—Regenerative displacers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
- Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)
- Compressor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は冷凍機、特に、例えば赤外素子の冷却等に用
いられるクローズドサイクルのガス冷凍機に関するもの
である。
いられるクローズドサイクルのガス冷凍機に関するもの
である。
第４図は、例えば、特許公報昭54−28980号に開示され
た従来のこの種のガス冷凍機の一例を示す断面図であ
る。図において、１はシリンダを示し、この内部でピス
トン２とディスプレーサ３とが相互に異った位相で往復
運動する。ピストン２の作動表面2aとディスプレーサ３
の作動表面3aの間にある圧縮空間４には、冷却器５を収
容している。ディスプレーサ３の上部作動表面3bは、膨
張空間６の境界をなしており、この膨張空間６は、圧縮
空間４と共に作動空間を構成している。ディスプレーサ
３内に備えた蓄熱器７は、中心孔８を経てその下側の作
動ガスに、また、中心孔９と半径方向流通ダクト10を経
て、その上側の作動ガスに流通することができる。この
機械は、膨張させられた作動ガスと冷却すべき物体との
間の熱交換のための熱交換器としてフリーザ11を備えて
いる。
た従来のこの種のガス冷凍機の一例を示す断面図であ
る。図において、１はシリンダを示し、この内部でピス
トン２とディスプレーサ３とが相互に異った位相で往復
運動する。ピストン２の作動表面2aとディスプレーサ３
の作動表面3aの間にある圧縮空間４には、冷却器５を収
容している。ディスプレーサ３の上部作動表面3bは、膨
張空間６の境界をなしており、この膨張空間６は、圧縮
空間４と共に作動空間を構成している。ディスプレーサ
３内に備えた蓄熱器７は、中心孔８を経てその下側の作
動ガスに、また、中心孔９と半径方向流通ダクト10を経
て、その上側の作動ガスに流通することができる。この
機械は、膨張させられた作動ガスと冷却すべき物体との
間の熱交換のための熱交換器としてフリーザ11を備えて
いる。
ピストン２とシリンダ１の壁の間にはシール12,13を備
え、ディスプレーサ３とシリンダの間にはシール14,15
を備えている。
え、ディスプレーサ３とシリンダの間にはシール14,15
を備えている。
また、ピストン２は、その下側に硬紙またはアルミニウ
ムのような非磁性および非磁化材料からなる軽量のスリ
ーブ16を備えている。スリーブ16には、導電体を巻付け
て電機子コイル17を形成し、該コイルは、シリンダ１に
気密に連結したハウジング20の壁を通すリード線18と19
とを接続している。これらのリード線は、ハウジング20
の外部にそれぞれ電気接点21,22をもつ。電機子コイル1
7は、ピストン２の軸線方向に環状間隙23内で往復運動
でき、前記間隙内には電機子磁界が存在している。この
磁界の力線は電機子コイルの移動方向を横切る半径方向
に延びている。
ムのような非磁性および非磁化材料からなる軽量のスリ
ーブ16を備えている。スリーブ16には、導電体を巻付け
て電機子コイル17を形成し、該コイルは、シリンダ１に
気密に連結したハウジング20の壁を通すリード線18と19
とを接続している。これらのリード線は、ハウジング20
の外部にそれぞれ電気接点21,22をもつ。電機子コイル1
7は、ピストン２の軸線方向に環状間隙23内で往復運動
でき、前記間隙内には電機子磁界が存在している。この
磁界の力線は電機子コイルの移動方向を横切る半径方向
に延びている。
この場合、永久磁界は、上側と下側に磁極をもつ環状永
久磁石24、軟鉄環状ディスク25、軟鉄シリンダ26および
軟鉄円形ディクス27を用いて得られる。
久磁石24、軟鉄環状ディスク25、軟鉄シリンダ26および
軟鉄円形ディクス27を用いて得られる。
上記永久磁石24と各軟鉄部品とは一緒になって閉磁気回
路、すなわち閉磁力線の回路を構成する。
路、すなわち閉磁力線の回路を構成する。
以上のスリーブ16、電機子コイル17、リード線18,19、
環状間隙23、環状永久磁石24、軟鉄環状ディスク25、軟
鉄シリンダ26および軟鉄円形ディスク27は、全体として
リニアモータ28を構成している。
環状間隙23、環状永久磁石24、軟鉄環状ディスク25、軟
鉄シリンダ26および軟鉄円形ディスク27は、全体として
リニアモータ28を構成している。
以上の従来例構成においては、電機子コイル17には、接
点21,22を介して外部より、次式で与えられるピストン2
/電機子コイル17組立体の共振角振動数ω、すなわち、 ただし、 Ｓ＝ピストン２の作動表面2aの面積 Pm＝主として圧縮空間４と膨張空間６により形成される
作動空間内の平均作動ガス圧力 Ｍ＝ピストン２、スリーブ16および電機子コイル17の質
量合計 To＝絶対温度での周囲温度 Vc＝圧縮空間４の容積 Tc＝圧縮空間４内の作動ガスの絶対温度での平均運転温
度 Ve＝膨張空間６の容積 Te＝膨張空間６内の作動ガスの接待温度による平均運転
温度 ただし、 Vw＝関連した熱交換器の作動ガス容量 Tw＝関連した熱交換器中の運転中の絶対温度による平均
作動ガス温度 に、実質的に等しい角振動数ωｏを持つ交流電源が接続
され、運転に必要なエネルギーが電力として供給され
る。
点21,22を介して外部より、次式で与えられるピストン2
/電機子コイル17組立体の共振角振動数ω、すなわち、 ただし、 Ｓ＝ピストン２の作動表面2aの面積 Pm＝主として圧縮空間４と膨張空間６により形成される
作動空間内の平均作動ガス圧力 Ｍ＝ピストン２、スリーブ16および電機子コイル17の質
量合計 To＝絶対温度での周囲温度 Vc＝圧縮空間４の容積 Tc＝圧縮空間４内の作動ガスの絶対温度での平均運転温
度 Ve＝膨張空間６の容積 Te＝膨張空間６内の作動ガスの接待温度による平均運転
温度 ただし、 Vw＝関連した熱交換器の作動ガス容量 Tw＝関連した熱交換器中の運転中の絶対温度による平均
作動ガス温度 に、実質的に等しい角振動数ωｏを持つ交流電源が接続
され、運転に必要なエネルギーが電力として供給され
る。
ここにおいて、角振動数ωと角振動数ωｏとの許容誤差
は、±10％以内とする。
は、±10％以内とする。
次に、動作について説明する。各接点21,22を（２）式
で与えられる共振角振動数ωに実質的に等しい角振動数
ωｏを持つ交流電源に接続すると、間隙23中の動径方向
の永久磁界の影響を受けて電機子コイル17には軸方向の
ローレンツ力が作用し、その結果、ピストン２、スリー
ブ16および電機子コイル17により形成される組立体は共
振状態となって、軸方向に振動する。ピストン２の振動
は、圧縮空間4,膨張空間6,冷却器5,蓄熱器7,中心孔8,中
心孔9,半径方向流通ダクト10およびフリーザ11から成る
作動空間内に封入された作動ガスに周期的な圧力変化を
もたらすとともに、蓄熱器７を通過するガスの流量変化
により、ディスプレーサ３に周期的な軸方向の交番駆動
力を生じさせ、かくして、蓄熱器７を含むディスプレー
サ３は、ピストン２と同じ角振動数ωｏで、かつ、異っ
た位相でシリンダ１内を軸方向に往復運動することにな
る。
で与えられる共振角振動数ωに実質的に等しい角振動数
ωｏを持つ交流電源に接続すると、間隙23中の動径方向
の永久磁界の影響を受けて電機子コイル17には軸方向の
ローレンツ力が作用し、その結果、ピストン２、スリー
ブ16および電機子コイル17により形成される組立体は共
振状態となって、軸方向に振動する。ピストン２の振動
は、圧縮空間4,膨張空間6,冷却器5,蓄熱器7,中心孔8,中
心孔9,半径方向流通ダクト10およびフリーザ11から成る
作動空間内に封入された作動ガスに周期的な圧力変化を
もたらすとともに、蓄熱器７を通過するガスの流量変化
により、ディスプレーサ３に周期的な軸方向の交番駆動
力を生じさせ、かくして、蓄熱器７を含むディスプレー
サ３は、ピストン２と同じ角振動数ωｏで、かつ、異っ
た位相でシリンダ１内を軸方向に往復運動することにな
る。
ピストン２およびディスプレーサ３が、適当な位相差を
保って運動する時、前記作動空間内に封入された作動ガ
スは“逆スターリングサイクル”として既知の熱力学的
サイクルを構成し、主として膨張空間６およびフリーザ
11に冷熱を発生する。
保って運動する時、前記作動空間内に封入された作動ガ
スは“逆スターリングサイクル”として既知の熱力学的
サイクルを構成し、主として膨張空間６およびフリーザ
11に冷熱を発生する。
“逆スターリングサイクル”とその冷熱発生の原理につ
いては、例えば、文献「Cryocoolers」，（G.Walker,Pl
enum Press,New York,1983,pp.117〜123）に詳細に説明
されている。以下に、その原理について簡単に説明す
る。
いては、例えば、文献「Cryocoolers」，（G.Walker,Pl
enum Press,New York,1983,pp.117〜123）に詳細に説明
されている。以下に、その原理について簡単に説明す
る。
ピストン２により圧縮された圧縮空間４内のガスは、冷
却器５を経て流れる間に圧縮熱を冷却され、孔8,蓄熱器
７内に流れ込む。蓄熱器７においては、半サイクル前に
蓄えられた冷熱により予冷され、作動ガスはさらに、孔
9,半径方向流通ダクト10およびフリーザ11を通って膨張
空間６へ流入する。大部分の作動ガスが膨張空間６内に
流入すると膨張が始まり、膨張空間６に冷熱を発生す
る。作動ガスは、次に、逆の順序で蓄熱器７に冷熱を放
出しながら流路を戻り、圧縮空間４内に流入する。この
時、フリーザ11内で外部から熱を奪い、外部を冷却す
る。そして、大部分の作動ガスが圧縮空間４内に戻ると
再び圧縮が始まり、次のサイクルに移行する。以上のよ
うな、プロセスにより“逆スターリングサイクル”が完
成し、冷熱が発生する。
却器５を経て流れる間に圧縮熱を冷却され、孔8,蓄熱器
７内に流れ込む。蓄熱器７においては、半サイクル前に
蓄えられた冷熱により予冷され、作動ガスはさらに、孔
9,半径方向流通ダクト10およびフリーザ11を通って膨張
空間６へ流入する。大部分の作動ガスが膨張空間６内に
流入すると膨張が始まり、膨張空間６に冷熱を発生す
る。作動ガスは、次に、逆の順序で蓄熱器７に冷熱を放
出しながら流路を戻り、圧縮空間４内に流入する。この
時、フリーザ11内で外部から熱を奪い、外部を冷却す
る。そして、大部分の作動ガスが圧縮空間４内に戻ると
再び圧縮が始まり、次のサイクルに移行する。以上のよ
うな、プロセスにより“逆スターリングサイクル”が完
成し、冷熱が発生する。
しかしながら、従来のガス冷凍機は、ピストン／電機子
組立体の共振角振動数ωと電機子コイルに流す交流電流
の角振動数ωｏとを、前記式（２）に示すように設定し
ているので、シールからの作動ガスの漏れやポリトロピ
ックな圧縮／膨張、あるいは、位置決め用の比較的剛い
機械式ばねがある場合には、共振角振動数ωが変化し、
効率の良い冷凍機が得られないという問題点があった。
組立体の共振角振動数ωと電機子コイルに流す交流電流
の角振動数ωｏとを、前記式（２）に示すように設定し
ているので、シールからの作動ガスの漏れやポリトロピ
ックな圧縮／膨張、あるいは、位置決め用の比較的剛い
機械式ばねがある場合には、共振角振動数ωが変化し、
効率の良い冷凍機が得られないという問題点があった。
この発明は、上記のような従来例の問題点を解消するた
めになされたもので、作動ガスの漏れ等が存在する条件
下でも高効率な運転が可能な冷凍機を提供することを目
的としている。
めになされたもので、作動ガスの漏れ等が存在する条件
下でも高効率な運転が可能な冷凍機を提供することを目
的としている。
このため、この発明に係る冷凍機においては、リニアモ
ータに供給する交流電流の角振動数ωｏを、前記特許請
求の範囲中に示された（１）式で与えられる角振動数ω
に実質的に等しく設定することにより、前記目的を達成
しようとするものである。
ータに供給する交流電流の角振動数ωｏを、前記特許請
求の範囲中に示された（１）式で与えられる角振動数ω
に実質的に等しく設定することにより、前記目的を達成
しようとするものである。
この発明に係る冷凍機は、前記（１）式で与えられる角
振動数ωに実質的に等しい角振動数ωｏの交流を供給さ
れることにより、作動ガスの漏れ等が存在する条件下に
おいても、実質的に共振状態が達成され、高効率の運転
の可能な冷凍機が得られる。
振動数ωに実質的に等しい角振動数ωｏの交流を供給さ
れることにより、作動ガスの漏れ等が存在する条件下に
おいても、実質的に共振状態が達成され、高効率の運転
の可能な冷凍機が得られる。
以下に、この発明を実施例に基づいて説明する。第１図
に、この発明に係る冷凍機の一実施例の断面側面図を示
し、従来例第４図におけると同一（相当）構成要素は、
同一符号で表わす。
に、この発明に係る冷凍機の一実施例の断面側面図を示
し、従来例第４図におけると同一（相当）構成要素は、
同一符号で表わす。
（構成） 第１図において、ピストン２は、位置決め用の比較的剛
い圧縮コイル形の支持ばね29を備え、重力の方向や加速
度に抗して、ピストン２の運動中心位置を一定に保つべ
く作用している。また、支持ばね29の両端は、突起30と
31とに固定され、さらに、各突起30,31は、それぞれピ
ストン２とハウジング20とに固定されることによって、
ピストン２の固定中心位置からの変位によりピストン２
に復元力が働くよう構成されている。
い圧縮コイル形の支持ばね29を備え、重力の方向や加速
度に抗して、ピストン２の運動中心位置を一定に保つべ
く作用している。また、支持ばね29の両端は、突起30と
31とに固定され、さらに、各突起30,31は、それぞれピ
ストン２とハウジング20とに固定されることによって、
ピストン２の固定中心位置からの変位によりピストン２
に復元力が働くよう構成されている。
本実施例においては、さらに、ディスプレーサ３の下側
には、圧縮コイル形の機械式ばね32が備えられている。
機械式ばね32の両端は、それぞれディスプレーサ３の下
面3aとシリンダ１とに固定され、ピストン２の振動に伴
って、ピストン２と同じ角振動数、かつ、異った位相で
振動するよう調整されている。
には、圧縮コイル形の機械式ばね32が備えられている。
機械式ばね32の両端は、それぞれディスプレーサ３の下
面3aとシリンダ１とに固定され、ピストン２の振動に伴
って、ピストン２と同じ角振動数、かつ、異った位相で
振動するよう調整されている。
本実施例の冷凍機においては、電機子コイル17には、接
点21,22を介して外部より次式で与えられる角振動数
ω、すなわち、 ただし、 ｍ＝ピストン2,スリーブ16および電機子コイル17または
永久磁石24等から成る往復運動部の全質量 Sp＝ピストン２の作動表面2aの面積 Pa＝圧縮空間４内作動ガスの圧力変動の振幅 ……（第２図参照） α＝ピストン２の変位と圧縮空間４内作動ガスの圧力変
動との位相差 ……（第２図参照） Ｓ＝ピストン２のストローク ……（第２図参照） Ks＝位置決め用支持ばね29のばね定数 （支持ばね29が無い場合は、Ks＝０） （なお、m,Sp,S,Ksは各運動部毎の値を示し、また、第
２図に、ピストン２の変位と圧縮空間内作動ガスの圧力
変動との関係を示すタイミングチャートを示す。） に実質的に等しい角振動数ωｏを持つ交流電源が接続さ
れ、運転に必要なエネルギーが電力として供給される。
点21,22を介して外部より次式で与えられる角振動数
ω、すなわち、 ただし、 ｍ＝ピストン2,スリーブ16および電機子コイル17または
永久磁石24等から成る往復運動部の全質量 Sp＝ピストン２の作動表面2aの面積 Pa＝圧縮空間４内作動ガスの圧力変動の振幅 ……（第２図参照） α＝ピストン２の変位と圧縮空間４内作動ガスの圧力変
動との位相差 ……（第２図参照） Ｓ＝ピストン２のストローク ……（第２図参照） Ks＝位置決め用支持ばね29のばね定数 （支持ばね29が無い場合は、Ks＝０） （なお、m,Sp,S,Ksは各運動部毎の値を示し、また、第
２図に、ピストン２の変位と圧縮空間内作動ガスの圧力
変動との関係を示すタイミングチャートを示す。） に実質的に等しい角振動数ωｏを持つ交流電源が接続さ
れ、運転に必要なエネルギーが電力として供給される。
ここにおいて、角振動数ωと角振動数ωｏとの許容誤差
は、±10％以内とする。作動空間内に作動ガスの漏れや
ポリトロピックが変化がある場合，ピストンの変位に伴
う作動ガスの圧力変化は，第５図−（ａ）のように位相
が進む方向に変化し，この結果，圧力−体積線図（Ｐ−
Ｖ）は第５図−（ｂ）のように漏れ等がない場合の線
上から対象軸が傾いた楕円様になり，漏れ等に伴う圧
縮仕事が発生することになる。この時ガスばねのばね定
数は，この圧力−体積線図（Ｐ−Ｖ）の１サイクルの平
均の傾きに比例するので，漏れなどが存在する現実の冷
凍機では，気体圧力のガスばねとしてのばね定数は同図
に示されたように，漏れがない場合の値から変化し，そ
の実効的なばね定数は作動ガスの漏れやポリトロピック
な変化を考慮したPa,αを用いて本発明に開示された式 で与えられることになる。ここで，角度αはピストン変
位と作動ガスの圧力変化の位相差であり，詳細な論理的
解析により，別図の圧力−体積線図（Ｐ−Ｖ）に描かれ
たリサージュ図形（楕円）の位相と関係した量である。
は、±10％以内とする。作動空間内に作動ガスの漏れや
ポリトロピックが変化がある場合，ピストンの変位に伴
う作動ガスの圧力変化は，第５図−（ａ）のように位相
が進む方向に変化し，この結果，圧力−体積線図（Ｐ−
Ｖ）は第５図−（ｂ）のように漏れ等がない場合の線
上から対象軸が傾いた楕円様になり，漏れ等に伴う圧
縮仕事が発生することになる。この時ガスばねのばね定
数は，この圧力−体積線図（Ｐ−Ｖ）の１サイクルの平
均の傾きに比例するので，漏れなどが存在する現実の冷
凍機では，気体圧力のガスばねとしてのばね定数は同図
に示されたように，漏れがない場合の値から変化し，そ
の実効的なばね定数は作動ガスの漏れやポリトロピック
な変化を考慮したPa,αを用いて本発明に開示された式 で与えられることになる。ここで，角度αはピストン変
位と作動ガスの圧力変化の位相差であり，詳細な論理的
解析により，別図の圧力−体積線図（Ｐ−Ｖ）に描かれ
たリサージュ図形（楕円）の位相と関係した量である。
（動作） 次に、動作について説明する。各接点21,22を（１）式
で与えられる角振動数ωに実質的に等しい角振動数ωｏ
を持つ交流電源に接続すると、間隙23中の動径方向の永
久磁界の影響を受けて、電機子コイル17には軸方向のロ
ーレンツ力が働く。
で与えられる角振動数ωに実質的に等しい角振動数ωｏ
を持つ交流電源に接続すると、間隙23中の動径方向の永
久磁界の影響を受けて、電機子コイル17には軸方向のロ
ーレンツ力が働く。
一方、ピストン2,スリーブ16および電機子コイル17によ
り形成される組立体は、作動空間中の作動ガスによるガ
スばねと支持ばね29との間で、質量／ばね系による振動
系を構成しているため、電機子コイル17に働くローレン
ツ力により組立体は軸方向に振動を始める。ピストン２
の振動は、作動空間内に封入された作動ガスに周期的圧
力変化をもたらすとともに、蓄熱器７を通過するガスの
流量変化により、ディスプレーサ３に周期的な軸方向の
交番駆動力を生じさせ、かくして、機械式ばね32と質量
／ばね系による振動系を構成する蓄熱器７を含むディス
プレーサ３は、ピストン２と同じ角振動数ωｏで、か
つ、異った位相でシリンダ１内を軸方向に往復運動する
ことになる。
り形成される組立体は、作動空間中の作動ガスによるガ
スばねと支持ばね29との間で、質量／ばね系による振動
系を構成しているため、電機子コイル17に働くローレン
ツ力により組立体は軸方向に振動を始める。ピストン２
の振動は、作動空間内に封入された作動ガスに周期的圧
力変化をもたらすとともに、蓄熱器７を通過するガスの
流量変化により、ディスプレーサ３に周期的な軸方向の
交番駆動力を生じさせ、かくして、機械式ばね32と質量
／ばね系による振動系を構成する蓄熱器７を含むディス
プレーサ３は、ピストン２と同じ角振動数ωｏで、か
つ、異った位相でシリンダ１内を軸方向に往復運動する
ことになる。
ピストン２およびディスプレーサ３が、適当な位相差を
保って運動する時、作動空間内に封入された作動ガスは
“逆スターリングサイクル”として既知の熱力学的サイ
クルを構成し、主として膨張空間６およびフリーザ11に
冷熱を発生する。
保って運動する時、作動空間内に封入された作動ガスは
“逆スターリングサイクル”として既知の熱力学的サイ
クルを構成し、主として膨張空間６およびフリーザ11に
冷熱を発生する。
以上の、冷熱を発生するまでの各部の動作に関して、以
下の点を認識することができる。すなわち、本実施例の
ように、比較的剛いばねを支持ばねとして有する冷凍
機、ピストンのシールからの漏れがある冷凍機、なら
びにポリトロピックな圧縮，膨張を行う冷凍機等にお
いては、ピストン2/電機子コイル17組立体の共振角振動
数が近似的に（１）式により与えられ、故に、接点21と
22に、（１）式で与えられる角振動数ωに実質的に等し
い角振動数ωｏを持つ交流電源を接続することにより、
該冷凍機を最も効率良く運転することが可能であるとい
うことである。
下の点を認識することができる。すなわち、本実施例の
ように、比較的剛いばねを支持ばねとして有する冷凍
機、ピストンのシールからの漏れがある冷凍機、なら
びにポリトロピックな圧縮，膨張を行う冷凍機等にお
いては、ピストン2/電機子コイル17組立体の共振角振動
数が近似的に（１）式により与えられ、故に、接点21と
22に、（１）式で与えられる角振動数ωに実質的に等し
い角振動数ωｏを持つ交流電源を接続することにより、
該冷凍機を最も効率良く運転することが可能であるとい
うことである。
なお、“逆スターリングサイクル”に関しては従来例の
動作において記述したので、ここでは重複説明は省略す
る。
動作において記述したので、ここでは重複説明は省略す
る。
（他の実施例） なお、前記実施例においては、リニアモータ28として、
電機子コイル17が往復動する可動コイル形の事例を示し
たが、永久磁石が移動する可動磁石形、あるいは、鉄心
が移動する可動鉄心形でも良く、それぞれ往復運動部の
質量として永久磁石または鉄心の質量を考慮することに
より、前記実施例と全く同様の効果を奏する。第３図
に、可動磁石形の場合の第１図相当図例を示す。
電機子コイル17が往復動する可動コイル形の事例を示し
たが、永久磁石が移動する可動磁石形、あるいは、鉄心
が移動する可動鉄心形でも良く、それぞれ往復運動部の
質量として永久磁石または鉄心の質量を考慮することに
より、前記実施例と全く同様の効果を奏する。第３図
に、可動磁石形の場合の第１図相当図例を示す。
また、前記実施例においては、ピストン２が支持ばね29
を有する場合について説明したが、該支持ばね29が存在
しない事例でも良く、この時、（１）式においてKs＝０
と置くことにより、前記実施例と同様の効果を有する。
を有する場合について説明したが、該支持ばね29が存在
しない事例でも良く、この時、（１）式においてKs＝０
と置くことにより、前記実施例と同様の効果を有する。
以上、説明したように、この発明によれば、ピストンシ
ールからの作動ガスの漏れがある場合等においても、ピ
ストン／電機子組立体を共振状態で運転できるように構
成したので、リニアモータの効率が向上し、高効率，小
形・軽量の冷凍機が得られる効果がある。
ールからの作動ガスの漏れがある場合等においても、ピ
ストン／電機子組立体を共振状態で運転できるように構
成したので、リニアモータの効率が向上し、高効率，小
形・軽量の冷凍機が得られる効果がある。
第１図はこの発明の一実施例による冷凍機を示す断面側
面図、第２図は、ピストンの動きと圧縮空間内作動ガス
の圧力変動の関係を示すタイミングチャート、第３図
は、他の実施例の第１図相当図、第４図は従来の冷凍機
を示す断面図，第５図は本発明の冷凍機の動作原理を示
す説明図である。２はピストン、2aはその作動表面、３
はディスプレーサ、４は圧縮空間、５は冷却器、６は膨
張空間、７は蓄熱器、11はフリーザ、16はスリーブ、17
は電機子コイル、24は永久磁石、28はリニアモータ、29
は支持ばねである。 なお、各図中、同一符号は同一または相当構成要素を示
す。
面図、第２図は、ピストンの動きと圧縮空間内作動ガス
の圧力変動の関係を示すタイミングチャート、第３図
は、他の実施例の第１図相当図、第４図は従来の冷凍機
を示す断面図，第５図は本発明の冷凍機の動作原理を示
す説明図である。２はピストン、2aはその作動表面、３
はディスプレーサ、４は圧縮空間、５は冷却器、６は膨
張空間、７は蓄熱器、11はフリーザ、16はスリーブ、17
は電機子コイル、24は永久磁石、28はリニアモータ、29
は支持ばねである。 なお、各図中、同一符号は同一または相当構成要素を示
す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柏村 和生 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三 菱電機株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特公 昭51−41936（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭54−28980（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (1)
- 【請求項１】運転中、比較的高温に保持される圧縮空間
と比較的低温に保持される膨張空間および前記両空間を
連通する冷却器，蓄熱器，フリーザから成る作動空間を
有し、前記圧縮空間の体積は、ピストンの変位もしく
は、ピストンとディスプレーサとの変位により変化し、
かつ、前記膨張空間の体積は、前記ディスプレーサの変
位により変化するとともに、前記ピストンと前記ディス
プレーサとを異った位相で運動させることにより、前記
作動空間中に存在する作動ガスが熱力学的サイクルを行
い冷熱を発生するガス冷凍機において、前記ピストンは
リニアモータによって駆動され、かつ、運転中、該リニ
アモータに供給される交流電流の角振動数ωｏが、次式
で与えられる角振動数ω ただし、 ｍ＝ピストン，スリーブおよび電機子コイルまたは永久
磁石等から成る往復運動部の全質量 Sp＝ピストンの作動表面の面積 Pa＝圧縮空間内作動ガスの圧力変動の振幅 α＝ピストンの変位と圧縮空間内作動ガスの圧力変動と
の位相差 Ｓ＝ピストンのストローク Ks＝位置決め用支持ばねのばね定数 （支持ばねが無い場合は、Ks＝０） （なお、m,Sp,S,Ksは各運動部毎の値）に実質的に等し
く、すなわち、 ωｏ＝0.9ω〜1.1ω と設定したことを特徴とする冷凍機。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62165712A JPH0721361B2 (ja) | 1987-07-02 | 1987-07-02 | 冷凍機 |
| US07/213,858 US4822390A (en) | 1987-07-02 | 1988-06-30 | Closed cycle gas refrigerator |
| FR888808977A FR2617580B1 (fr) | 1987-07-02 | 1988-07-01 | Refrigerateur |
| GB8815892A GB2206402B (en) | 1987-07-02 | 1988-07-04 | Refrigerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62165712A JPH0721361B2 (ja) | 1987-07-02 | 1987-07-02 | 冷凍機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6410065A JPS6410065A (en) | 1989-01-13 |
| JPH0721361B2 true JPH0721361B2 (ja) | 1995-03-08 |
Family
ID=15817626
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62165712A Expired - Lifetime JPH0721361B2 (ja) | 1987-07-02 | 1987-07-02 | 冷凍機 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4822390A (ja) |
| JP (1) | JPH0721361B2 (ja) |
| FR (1) | FR2617580B1 (ja) |
| GB (1) | GB2206402B (ja) |
Families Citing this family (14)
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|---|---|---|---|---|
| US5092130A (en) * | 1988-11-09 | 1992-03-03 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Multi-stage cold accumulation type refrigerator and cooling device including the same |
| JPH0788985B2 (ja) * | 1990-01-17 | 1995-09-27 | 三菱電機株式会社 | 冷凍機 |
| DE69100111T2 (de) * | 1991-02-28 | 1994-01-27 | Mitsubishi Electric Corp | Kryogene Kältemaschine. |
| JPH0510617A (ja) * | 1991-07-01 | 1993-01-19 | Mitsubishi Electric Corp | 冷凍機 |
| US5385021A (en) * | 1992-08-20 | 1995-01-31 | Sunpower, Inc. | Free piston stirling machine having variable spring between displacer and piston for power control and stroke limiting |
| JPH06137697A (ja) * | 1992-10-29 | 1994-05-20 | Aisin New Hard Kk | 熱駆動式冷凍機 |
| GB2279139B (en) * | 1993-06-18 | 1997-12-17 | Mitsubishi Electric Corp | Vuilleumier heat pump |
| US5596875A (en) * | 1995-08-10 | 1997-01-28 | Hughes Aircraft Co | Split stirling cycle cryogenic cooler with spring-assisted expander |
| JP3566647B2 (ja) * | 2000-11-01 | 2004-09-15 | シャープ株式会社 | スターリング冷凍機 |
| DE102004034768B4 (de) * | 2004-07-19 | 2007-11-15 | Infineon Technologies Ag | Identifikations-Datenträger |
| JP2013174393A (ja) * | 2012-02-24 | 2013-09-05 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 極低温冷凍機 |
| KR101805075B1 (ko) * | 2013-04-24 | 2017-12-05 | 지멘스 헬스케어 리미티드 | 2단 극저온 냉동기 및 관련 장착 설비를 포함하는 조립체 |
| WO2020068706A1 (en) * | 2018-09-28 | 2020-04-02 | Flir Commercial Systems, Inc. | Motorized balanced cryocooler expander systems and methods |
| US11209192B2 (en) * | 2019-07-29 | 2021-12-28 | Cryo Tech Ltd. | Cryogenic Stirling refrigerator with a pneumatic expander |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3877239A (en) * | 1974-03-18 | 1975-04-15 | Hughes Aircraft Co | Free piston cryogenic refrigerator with phase angle control |
| NL156810B (nl) * | 1974-04-29 | 1978-05-16 | Philips Nv | Koudgaskoelmachine. |
| US3895321A (en) * | 1974-08-09 | 1975-07-15 | Bell Telephone Labor Inc | Minimum phase differential phase shifter |
| JPS5428980A (en) * | 1977-08-05 | 1979-03-03 | Daikin Ind Ltd | Electric hydraulic conversion device |
| FR2598206B1 (fr) * | 1986-05-05 | 1988-07-08 | Air Liquide | Refroidisseur joule-thomson. |
-
1987
- 1987-07-02 JP JP62165712A patent/JPH0721361B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-06-30 US US07/213,858 patent/US4822390A/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-07-01 FR FR888808977A patent/FR2617580B1/fr not_active Expired - Fee Related
- 1988-07-04 GB GB8815892A patent/GB2206402B/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4822390A (en) | 1989-04-18 |
| GB8815892D0 (en) | 1988-08-10 |
| GB2206402B (en) | 1991-09-04 |
| JPS6410065A (en) | 1989-01-13 |
| FR2617580B1 (fr) | 1992-09-18 |
| FR2617580A1 (fr) | 1989-01-06 |
| GB2206402A (en) | 1989-01-05 |
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