JPH0229557A - 冷熱機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は冷熱機械、とぐにスターリング冷却機のよう
な赤外線素子の冷却、空気液化機等に用いられるガス冷
却機、さらには、ヒートポンプとしても使用できるもの
に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は９例えば特公昭５４−２８９８０号公報に開示
された従来のスターリング型ガス冷却機の概略構成を示
す断面側面図である。図において、（ｌ）はシリンダで
あり、このシリンダ（１）の内部でピストン（２１が在
世運動を行う。＋３１はコールドフィンガであり１作動
ガスの圧力変動によって往麹運動するディスプレーサ（
４１を内包すると共に、その下部は連通管（５）により
シリンダ＋１１と連通している。ディスプレーサ（４）
の上部の作動表面（４ｂ）は膨張空間（６）の境界をな
しており、この膨張空間（６）はディスプレーサ（４）
の下部作動表面（４ａ）と連通管（５１の間の第１圧縮
空間（７１，ピストン（２）の上部の作動表面（２ａ）
と連通管（５）の間の第２圧縮空間（８）、ディスプレ
ーサ（４）内に備えた蓄熱器（９１及び連通管（５）内
の空間等とともに作動空間を構成している。蓄熱器（９
）は中心孔α１を軽てその下側の作動ガスに通ずると共
に、また中心孔（ｌｉｔと半径方向清適ダクトａ２１を
経て上側の作動ガスに辿することができる。また。

この櫟林では膨張させられた冷作動ガスと冷却すべき物
体の間の熱交換のための執交換器としてフリーザ０を備
える。

ピストン（２１とシリンダ（１）の壁の間にはシールａ
４が配置され、ピストン（２）の下側に存在するバッフ
ァ空間αりと前記作動空間との間の作動ガスの流れを防
止している。

又、ディスプレーサ【４１とコールドフィンガ（３）の
間にはシールｗｅを備え、膨張空間（６）と第１圧縮空
間（７）の間の作動ガスの流れが、蓄熱器（９１内を謙
れるよう強制している。

ピストン（２）はその下側のバッファ空間ｔ１９中にア
ルミニウム等の非出性及び非研化材料から成る軽量のス
リーブαηを備える。スリーブαηには導電体を巻き付
けてコイル（］８を形成し、このコイル顛はシリンダｆ
ｉ＋の壁を通すリード線＋１９．■に接ａされ。

これらのリード線＋１９．■はシリンダｆｉ＋の外部で
それぞれｔｆｆｉ端子１２１１．５に接続されている。

コイルａδはピストン＋２１の軸線方向に環状間隙Ｇ内
で往復運動でき、この環状間隙の内には電機子研界が存
在している。この電機子研界の力線はコイルａＦ＠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
研界は上側と下側に磁極を持つ環状永久研石ａ４１．軟
鉄環状ディスクの、軟鉄シリンダの及び軟鉄円形ディス
ク■を用いて得られる。環状永久研石ＱＪＩと軟鉄環状
ディスクの、軟鉄シリンダ■及び軟鉄円形ディスクいは
一体となって閉磁気回路を構成し、すなわち閉磁力線回
路を構成する。

以上述べたスリーブ０７１．コイルＱｌｌ、　　リード
線Ｇ！１゜■、環状間隙の、環状永久磁石＠、軟鉄環状
ディスクの、軟鉄シリンダい及び軟鉄円形ディスク＠は
全体としてピストン駆動用のりニアモータ■を構成して
いる。また、ピストン（２１及びディスプレーサ（４）
はそれぞれビ゛ストン用弾性部材のとディスプレーサ用
弾性部材鴬を介してシリンダ＋１１及びコールドフィン
ガ（３）内に往復動可能に係合され、ピストン（２）及
びディスプレーサ（４１の静止時の固定位置及び運転時
の中立位置を定めている。

次に、上記した従来のスターリング型ガス冷却機の動作
について説明する。電気端子１２１＋、■に系の共振周
波数に等しい交Ｒ’ｆｌｌ源（図示しない）を接続する
と、環状間隙のの半径方向の永久碍界の影響を受けてコ
イルａ８１には軸方向の周期的なローレンツ力が働き、
その結果、ピストン（２）、スリーブａｎ及びコイルａ
Ｓから構成される組立体とピストン用弾件部材■から成
る系は共振状態となり、上記組立体は軸方向に振動する
。ピストン（２）の振動は、膨張空間（６）、第１圧縮
空間Ｃ７）、第２圧縮空間（８）、連通管（５）、蓄熱
器（９）、中心孔＋１ｆｌ、中心孔ｆｉ１１゜半径方向
清適ダクトＩ：ｉ？及びフリーザα３から成る作動空間
内に封入された作動ガスにＷ欺的な圧力変化をもたらす
と共に、蓄熱器（９）を通過するガスの加量変化により
ディスプレーサ（４１に周期的な軸方向の交番振動力を
生じせしめる。このようにして蓄熱器（９）を含むディ
スプレーサ（４）はピストン（２１と同じ周波数で、か
つ異なった位相でコールドフィンガ（３）内を軸方向に
往ゆ退動することになる。

ピストン（２）及びディスプレーサ（４）が適当な位相
差を保って運動するとき、上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Ｊ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）及び
フリーザ＋１：Ｉに冷熱を発生する。上記「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９文献
ｒ　ｃｒｖｏｃｏｏｌｅｒｓ　Ｊ　（Ｇ。

Ｗａｌｋｅｒ、　Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ、　Ｎｅｗ
　Ｙｏｒｋ、　１９８３．ＰＰ。

１７７〜１２３）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）により圧縮された第２圧縮空間（８）内
のガスは連通管（５＋を経て流れる間に圧縮熱が冷却さ
れ、第１圧縮空間（７１，中心孔＋ＩＧ、蓄熱器（９１
に疏れ込む。蓄熱器（９１では半サイクル前に蓄えられ
た冷熱により予冷され１作動ガスは、さらに中心孔０１
）、半径方向精通ダクトＱ２．及びフリーザ０を通って
膨張空間（６）内に入る。そして、大部分の作動ガスが
膨張空間（６）内圧入ると膨張が始まり、膨張空間（６
）内に冷熱を発生する。作動ガスは１次に逆の順序で蓄
熱器（９１に冷熱を放出しなから流路を戻り第２圧縮空
間（８１内に入る。この時、フリーザ＋１３内で外部か
ら執を奪いその外部を冷却する。大部分の作動ガスが第
２圧縮空間（８１内に戻ると再び圧縮が始まり９次のサ
イクルに移行する。以上のようなプロセスにより、上記
「逆スターリングサイクルｊが完成して冷熱が発生する
。

第４図は従来の冷却機の駆動方法を示すブロック図であ
り、発振器（ト）より電力増幅回路額を介してリニアモ
ータ■のコイルｎ３に電流を流し、ピストン（２）を往
復駆動する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の冷却機は以上のように構成されているので、冷熱
を発生させるために必要なピストン（２）やディスプレ
ーサ（４）の往復動運動と膨張９間（６：での作動ガス
の圧力変化との位相についてけ何んらの対策がとらｈて
いない。また、シリンダ（１）とシール０４間の摩擦特
性や、コールドフィンガ＋３１とシール０９間の＃４％
性が経年的に変化したり、あるいは、ピストンやディス
プレーサの弾性部材■領の経年変化による共振周波数の
変動によって位相差が大きく変化し、それに伴って冷却
機としての冷却能力が低下するなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、安定した一定の冷熱能力が発生できる冷熱機
杼を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る冷熱櫟林はディスプレーサを往復駆動す
る駆動部、及び作動空間の圧力変化を検出する検出手段
を設け、この検出手段より得られる検出信号の位相と、
ディスプレーサを駆動する駆勧信妥の位相とを比較し、
その位相差が所定量になるように上記ディスプレーサの
駆動部を制御するようにしたものである。

〔作用〕

この発明における冷畝機梓け、ディスプレーサの出力と
往復動運動の位相差を所定量に制御できるので、安定し
た一定の冷熱症力が得られる。また、上記位相差を９０
°とすることにより、冷熱櫟林を最大効率で運転するこ
とができる。

さらに１位相差″１ｒ−９０°になるようにすればヒー
トポンプとして動作でき、温熱を得ることもできる。

〔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
図においてＬｌｌ）はディスプレーサ（４）に装着し、
往復駆動するリニアモータ、Ｉ３３／／ｉディスプレー
サ（４１に固着されるコイル、（至）はコイル６３に６
界を与えるための永久磁石、（至）は永久磁石（２）の
出路を形成するための軟鉄ヨークであり、コイル（至）
へ供電するための電気端子（図示せず）は第１圧縮空間
（７）より外部へｇＶ出される。（５１は第１圧縮空間
（７）と第２圧縮空間（８）とを連通させる連通管であ
る。

（至）Ｆｉａ張空間（６）の圧力！化を検出する圧力セ
ンサであり１例えば圧ｗ型やひず入ゲージ型の圧力セン
サである。（５５ａ）は圧力センサ（６）と膨張空間１
６）とを連通する連通管である。第２図はこの発明の一
実施例による冷却機における駆動制御システムのブロッ
ク図である。（至）は圧力センサ（至）と発振器（イ）
からの２つの信号の位相差を絞みとる位相比較器（ＰＬ
Ｌ　’）　、　　ｅｌｌは発振器（１）から出力される
正弦波駆動信置の位相を進めたり、遅らせたりする位相
調整器（フェイズシフター）である。１４Ｇはディスプ
レーサ（４１のコイル（至）へ電力を供給するための電
力増幅器である。

次に動作について説明する。

圧力センサ（至）は膨張空間＋６１における圧力変動を
検出する。冷却機で効率よ〈冷熱を発生させるためには
、上記膨張空間（６）での圧力変化とディスプレーサ（
４１，ピストン（２１の往復動運動を最適な位相差に保
つ必要があり、理論的には膨張空間（６）の圧力変化と
ディスプレーサ（４）との運動の位相差が９０°の時最
大の効率を発揮する。

この発明の冷却機においては、２つのりニアモータ■、
　ｃａｎへ送られる発振器（１）からの駆動信号は。

電力増幅器（１’ｌ’ｌ、＋４０を介してそれぞれのコ
イルい。

Ｏ？に電力が供給される。一方、圧力センサ（至）から
の圧力変化を検出し、この圧力信号と発振器（イ）から
の駆動信号との位相差を位相比較器（至）で検出する。

この位相比較器（至）で得られる位相差が最適な値とな
るように２位相調整器（至）においてリニアモータＧ３
を駆動する発振器（１）からの信号の位相制御を行ない
、コイル■の駆動信号の位相を調整する。

このような駆動システムによって、ディスプレーサ（４
）の往彷運動と膨張空間（６）での圧力変化とは常に最
適な位相差（９０°）を常に保持しながら駆動され、最
大効率で運転されることによって大きな冷弛を安定して
発生することができる。

なお、上記実施例においてはディスプレーサ（４）のり
ニアモータに入力する電流の位相を９０°　変化させて
、膨張空間（６）内に冷熱を発生させる例を示したが、
９０°でなくともよく、またこの位相差を一９０°とな
るように制御すれば、　膨張空間（６）に温熱が発生し
、ヒートポンプとして動作させることが可節となる。

即ち、第２図に示される駆動システムにおいて。

発振益田からの駆動信号を位相調整器（至）で約−９０
’（反転）変化づせ、膨張空間（６１での圧力変化とデ
ィスプレーサｉ４１の変位を前記実施例とは逆位相で運
動させることにより膨張空間（６）では温熱が発生し、
ヒートポンプとして動作することになる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によればディスプレーサを往ゆ
駆動する駆動部、及び膨張空間の圧力変化を検出する検
出手段を設け、この検出手段より得られる検出信置の位
相と、ディスプレーサを駆動する駆動信号の位相とを比
較し、その位相差が所定量になるように上記ディスプレ
ーサの駆動部を制御するようにしたので、安定した一定
の冷熱能力が発生できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による冷熱機械を示す断面
側面図、第２図はこの発明の一実施例による冷執機械に
おける駆動制御システムを示すブロック図、第３図は従
来の冷却機を示す断面側面図、及び第４図は従来の冷却
機における駆動方法を示すブロック図である、 ｉｌ＋・・・シリンダ、（２１・・・ピストン、（３１
・・・コールドフィン力、（４）・・・ディスプレーサ
、（５＋・・・連通管、（６１・・・膨張空間、（７）
・・・第１圧縮空間、（８）・・・第２圧縮空間。 （９）・・・蓄熱器、０り・・・バッファ空間、１２８
Ｇｌ＋・・・リニアモータ、（至）・・・圧力センサ。 なお１図中、同−符碧は同−又は相当部分を示す。 第　　１　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内部に作動ガスを封入したコールドフィンガ内に往復動
   可能に収納されたデイスプレーサ、上記コールドフィン
   ガ内に形成され、上記デイスプレーサの往復動により体
   積が変化する膨張空間及び第１圧縮空間、上記膨張空間
   と第１圧縮空間とを連通する蓄熱器、シリンダ内に往復
   動可能に収納されたピストン、上記シリンダ内に形成さ
   れ、上記ピストンの往復動により体積が変化する第２圧
   縮空間及びバッファ空間、第１圧縮空間と第２圧縮空間
   とを連通する連通管、上記ピストン及び上記デイスプレ
   ーサを各々往復駆動する第１及び第２駆動部、上記膨張
   空間又は第１圧縮空間又は第２圧縮空間の圧力変化を検
   出する検出手段、上記検出手段より得られる検出信号の
   位相と上記デイスプレーサの駆動信号の位相とを比較す
   る比較手段、並びにこれら位相の位相差が所定量になる
   ように第２駆動部を制御する制御手段を備え、上記膨張
   空間、上記蓄熱器、第１及び第２圧縮空間、並びに上記
   連通管からなる作動空間内の上記作動ガスが熱力学的サ
   イクルを繰り返すことにより、上記膨張空間内に、冷熱
   又は温熱を発生するように構成した冷熱機械。