JPH076700B2 - 冷凍機 - Google Patents

冷凍機

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JPH076700B2
JPH076700B2 JP62058153A JP5815387A JPH076700B2 JP H076700 B2 JPH076700 B2 JP H076700B2 JP 62058153 A JP62058153 A JP 62058153A JP 5815387 A JP5815387 A JP 5815387A JP H076700 B2 JPH076700 B2 JP H076700B2
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JP
Japan
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moving body
chamber
gas
refrigerator
spring
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JP62058153A
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JPS63226566A (ja
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芳男 数本
喜郎 古石
和生 柏村
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (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、スプリットスターリング形冷凍機のような
移動体がその両端の圧力差によって往復動駆動されるよ
うな冷凍機に関するものである。
〔従来の技術〕
第7図(I)〜(IV)は例えば特開昭57-73873号公報に
示された従来の冷凍機の動作を示すもので、この冷凍機
は往復動形コンプレッサ(1)とコールドフィンガー部
(2)とを含む。コンプレッサ(1)のピストン(3)
はヘリウムのような冷媒ガスを加圧して正弦曲線状の圧
力変動を起こさせる。圧縮室(4)における圧力変動は
供給パイプ(5)を通してコールドフィンガー部(2)
内に伝達される。コールドフィンガー部(2)のハウジ
ング(6)内には移動体(7)が自由に往復運動してコ
ールドフィンガー部(2)内の温部室(8)と冷部室
(9)の容積を変えるようにされている。移動体(7)
は蓄熱式熱交換器(10)を含む。この熱交換器(10)は
細かいメッシュの数百個の金属製スクリーンディスクが
積み重ねられて形成されている。例えばボールが積み重
ねられたような他の形式の熱交換器もまた公知である。
ヘリウムは温部室(8)と冷部室(9)との間を熱交換
器(10)と通って自由に流れる。上記移動体(7)はピ
ストン部材(11)も含み、上記ピストン部材(11)が温
部室(8)端部のガススプリング室(12)内に延びてい
る。
上記した冷凍機は加圧されたガスの二個の分離された室
を含むものとして示されている。ガスの作動室はコンプ
レッサ(1)の圧縮室(4)内のガスと、供給パイプ
(5)内のガスと、温部室(8)内と冷部室(9)内に
あるガスと、熱交換器(10)内のガスとを含む。別のガ
ス室を形成するのはガススプリング室(12)である。ス
プリング室(12)はピストン部材(11)を取囲むピスト
ン部材用シール(13)によって上記ガス作動室に対して
シールされている。また、移動体(7)には移動体用シ
ール(14)が取付けられ、温部室(8)と冷部室(9)
の間を移動するガスが熱交換器(10)を通るように強制
する。さらにピストン(3)にはピストン用シール(1
5)が備えられ、ガスの封入された作動室とクランク機
構(図示せず)の納められたバッファ室の間をシールし
ている。
次に上記した冷凍機の動作について説明する。第7図
(I)のサイクルの時点においては、移動体(7)の下
端はコールドフィンガー部(2)内の冷部室(9)端部
にあり、コンプレッサ(1)は作動室内のガスを圧縮し
つつある。コンプレッサ(1)のピストン(3)の圧縮
運動は作動室内の圧力を最低圧力から最高圧力まで上昇
させる。スプリング室(12)内の圧力は作動室内の最低
から最高までの圧力レベルの間のあるレベルで安定して
いる。かくして、ある時点では作動室内において増加し
つつある圧力は、移動体用シール(14)およびピストン
部材用シール(13)の摩擦抵抗を克服するに十分な差圧
をピストン部材(11)に対して発生させる。そこで、ピ
ストン部材(11)および移動体(7)は第7図(II)に
示す位置まで急速に上昇する。この移動体(7)の運動
によって温部室(8)のほぼ周囲温度の高圧のガスは熱
交換器(10)を通過して冷部室(9)内に強制的に導か
れる。そして熱交換器(10)は通過していく加圧された
ガスの熱を吸収し、ガスを冷却する。かくして図示しな
いクランク機構による正弦曲線状駆動によって、いま
や、コンプレッサのピストン(3)は第7図(III)の
ように作動室の容積を膨張させ始め、この膨張によって
冷部室(9)内の高圧ヘリウムガスは更に一層冷却され
る。熱交換器(10)の全長にわたり200K以上の温度勾配
を維持させるような冷却作用を発生させるのは冷部室
(9)におけるこの冷却である。ピストン(3)の膨張
運動におけるある時点で、作動室内の圧力がスプリング
室(12)の圧力以下に下降し、その差圧がシールの摩擦
力を打勝つのに十分なだけピストン部材(11)に対して
作用する。これにより、移動体(7)は第7図(IV)の
位置に向けて下方に駆動させられる。第7図(IV)の位
置はすなわち第7図(I)の位置になる前のスタート位
置でもある。また、このとき、冷部室(9)内の冷却さ
れたガスは、熱交換器(10)内を通過することによって
該熱交換器(10)を冷却した後、ほぼ周囲温度のガスと
なって温部室(8)に戻る。
以上の説明から明らかなように、冷凍機の効率を増加さ
せるためには、移動体(7)の上方へ向けての運動は、
第7図(I)および(II)に示すようにコンプレッサの
ピストン(3)がストロークの終端近くまで来るまで遅
らされるべきである。同様にして移動体(7)の下方へ
向けての運動は第7図(III)および(IV)に示すよう
にコンプレッサのピストン(3)がストロークのもう一
端近くに来るまで遅らされることが望ましい。何故なら
ば、このとき、膨張による冷却の効果が最も大きく、か
つ圧縮による発熱の効果が最も小さくなるからである。
なお、上記従来の冷凍機を改良したものとして例えば特
開昭61-265459号公報に記載されたものがある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の冷凍機は以上のように構成されているので、作動
室の圧力と移動体(7)の運動との間における位相関係
は、移動体に加えられるシールの摩擦力、熱交換器(1
0)の圧力損失、ガススプリング室(12)内のガスばね
のばね定数および移動体(7)の質量のみによって決定
されるため、最適な位相差が得にくく、冷凍機の効率を
上げにくいという問題があった。また、ガスばねの非線
形性により、移動体の振動の中心位置が運動条件の小さ
な変化により大きく変化し、このため、移動体がハウジ
ングへ衝突し性能が不安定になるという問題があった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、冷却効率を向上させ、かつ信頼性の高い冷凍
機を得ることを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係る冷凍機は、コールドフィンガー部と移動
体とを振動可能に機械ばねで係合したものである。
〔作用〕
この発明においては、機械ばねと移動体からなる系が振
動系を構成するため、機械ばねのばね定数を変えること
により加振力となる作動室の圧力変化と移動体の運動と
の位相差を最適な位相差に設定することができる。ま
た、機械ばねは弾性範囲内で線型であるため、運動条件
の変化により振動の中心が移動することもない。
〔実施例〕
以下この発明の一実施例を図について説明する。第1図
(I)〜(IV)はこの発明の冷凍機の動作を示す断面側
面図であり、(1)〜(15)は第7図(I)〜(IV)に
示した従来の冷凍機と同一である。図において、(16)
は機械ばね、即ちコイルばねからなるばね部材であり、
このばね部材(16)の一端(下端)は移動体(7)のピ
ストン部材(11)の先端面に固定され、他端はガススプ
リング室(12)の上壁に固定されて、移動体(7)が外
部からの駆動力により振動するようになっている。
次に第1図〜第4図を含めてこの発明の動作について説
明する。従来例の動作において説明したように、ピスト
ン(3)の正弦曲線状の上下運動は圧縮室(4)内のガ
スと、供給パイプ(5)内のガスと、温部室(8)およ
び冷部室(9)内のそれぞれのガスと、熱交換器(10)
内のガスからなる作動室内に第2図(a)に示すように
正弦曲線状の圧力変化を生じさせる。このとき、ガスス
プリング室(12)内の圧力は作動室内の平均圧力にほぼ
等しく保たれているため、移動体(7)には作動室とガ
ススプリング室(12)との間の圧力差にピストン部材
(11)の断面積を乗じた値に等しい第2図(b)に示す
正弦曲線状の駆動力が作用し、移動体(7)とばね部材
(16)が振動系を構成しているため、移動体(7)はこ
の駆動力によって第2図(c)のような振動運動を行な
う。この振動の加振力に対する位相遅れおよび振幅はよ
く知られているように移動体(7)の質量をm、ばね部
材(16)のばね定数をk、加振力の振幅をF、およびピ
ストン部材用シール(13)と移動体用シール(14)の摩
擦抵抗係数Cを用いて、次式によって決定される。
ここで、ωは駆動力の角周波数であり、 とおいている。
第3図(a)、(b)は位相遅れ(ψ)および倍率比
(k・X/F)の周波数比(ω/ωn)依存性を示す。第
3図(a)、(b)から明らかなように位相遅れψは
(ω/ωn)の変化(すなわちkやmの変化)により0
°から180°まで、また倍率比(k・X/F)はこの間0〜
∞まで値をとることが可能である。したがってばね部材
(16)のばね定数(k)と移動体(7)の質量(m)を
変えることによって上記の範囲で位相遅れと振幅を任意
に変化させ、性能上最適な位相および振幅を実現するこ
とができる。
第4図(a)は作動室内の圧力変化と移動体(7)の運
動の一例を示す。このとき、冷部室(9)内の圧力一体
積線図は第4図(b)のように円形となり、最大の冷却
能力が得られる。何故ならば同一振幅のリサージュ図形
の中で面積最大のものは円だからである。
なお、移動体(7)に振動系を構成するようにしたばね
部材(16)は、実施例ではピストン部材(11)とガスス
プリング室(12)間に設けたが、その他、第5図に示す
ようにピストン部材(11)に挿着した状態において温部
室(8)内に備えたり、第6図に示すように移動体
(7)の底部、すなわち冷部室(9)内に設けるように
しても上記と同様の作用を得ることができる。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明によれば、コールドフィン
ガー部と移動体とを機械ばねにより係合し、共振系を構
成するようにしたので、コンプレッサと移動体の位相差
及び移動体の振幅を各々独立して決定することができ、
この結果、どのような冷凍能力の冷凍機においても、上
記の位相差を理論最大冷凍能力が得られる最適値に設定
できるようになり、同一サイズの冷凍機で理論的に最大
の冷凍能力を発揮させることができる。また、ばね部材
の線形性により運転条件によらず、中心位置が一定であ
るため、移動体の衝突等がなく信頼性および安定性の高
い冷凍機が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図(I)〜(IV)はこの発明の一実施例による冷凍
機の動作図、第2図(a)〜(c)は第1図の実施例に
おける動作原理の特性図、第3図(a)、(b)は外部
加振力による振動系の応答(位相遅れと倍率比)に関す
る特性図、第4図(a)、(b)は圧力対体積線図、第
5図および第6図はこの発明による冷凍機の他の実施例
を示す断面図、第7図(I)〜(IV)は従来の冷凍機の
動作を示す断面図であって第1図(I)〜(IV)相当図
である。 (1)…コンプレッサ、(2)…コールドフィンガー
部、(3)…ピストン、(4)…圧縮室、(5)…供給
パイプ、(6)…ハウジング、(7)…移動体、(8)
…温部室、(9)…冷部室、(10)…熱交換器、(11)
…ピストン部材、(12)…ガススプリング室、(13)…
ピストン部材用シール、(14)…移動体用シール、(1
5)…ピストン用シール、(16)…バネ部材。 なお、各図中同一符号又は相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コンプレッサと、このコンプレッサに供給
    パイプを介して接続され、往復動可能な移動体が収容さ
    れているとともに、この移動体を取囲むピストン部材用
    シールによって分離されたガススプリング室が形成され
    ているコールドフィンガー部とを備え、上記コンプレッ
    サの圧縮室、上記供給パイプ内、及び上記コールドフィ
    ンガー部内の上記圧縮室に連通している部分で構成され
    るガス作動室と上記ガススプリング室との間における差
    動圧力によって、上記移動体が駆動され、上記差動圧力
    と上記移動体の運動との間には位相関係を有するように
    された冷凍機において、上記移動体と上記コールドフィ
    ンガー部とを機械ばねにより振動可能に係合したことを
    特徴とする冷凍機。
JP62058153A 1987-03-13 1987-03-13 冷凍機 Expired - Lifetime JPH076700B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62058153A JPH076700B2 (ja) 1987-03-13 1987-03-13 冷凍機
GB8805102A GB2203227B (en) 1987-03-13 1988-03-03 Refrigerator
US07/168,078 US4856283A (en) 1987-03-13 1988-03-14 Refrigerator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62058153A JPH076700B2 (ja) 1987-03-13 1987-03-13 冷凍機

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS63226566A JPS63226566A (ja) 1988-09-21
JPH076700B2 true JPH076700B2 (ja) 1995-01-30

Family

ID=13076047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP62058153A Expired - Lifetime JPH076700B2 (ja) 1987-03-13 1987-03-13 冷凍機

Country Status (3)

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US (1) US4856283A (ja)
JP (1) JPH076700B2 (ja)
GB (1) GB2203227B (ja)

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Also Published As

Publication number Publication date
GB2203227B (en) 1990-12-19
US4856283A (en) 1989-08-15
JPS63226566A (ja) 1988-09-21
GB8805102D0 (en) 1988-03-30
GB2203227A (en) 1988-10-12

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