JPH0670533B2 - refrigerator - Google Patents
refrigeratorInfo
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- JPH0670533B2 JPH0670533B2 JP11011188A JP11011188A JPH0670533B2 JP H0670533 B2 JPH0670533 B2 JP H0670533B2 JP 11011188 A JP11011188 A JP 11011188A JP 11011188 A JP11011188 A JP 11011188A JP H0670533 B2 JPH0670533 B2 JP H0670533B2
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- displacer
- chamber
- cylinder
- expansion
- refrigerant gas
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば赤外線検出素子を極低温に冷却する
分離形スターリング冷凍機に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to, for example, a separated Stirling refrigerator that cools an infrared detection element to an extremely low temperature.
従来のスターリング冷凍機の構成例を第5図に示す。図
において、冷凍機は大別して、圧縮機1と膨張機2と接
続管3とで構成している。FIG. 5 shows a configuration example of a conventional Stirling refrigerator. In the figure, the refrigerator is roughly divided into a compressor 1 , an expander 2, and a connecting pipe 3.
圧縮機1は、筒状のシリンダ4と、シリンダ4の両開口
端面の一方の端面を密閉するシリンダヘッド5と、シリ
ンダ4内を往復運動するピストン6と、シリンダ4、シ
リンダヘッド5およびピストン6によって区切った空間
である圧縮室7と、ピストン6の図示しない駆動機構部
分である連接棒、クランク、クランク軸、クランクケー
ス等とで構成し、ピストン6を駆動機構を介して電動機
により駆動する機構になっている。The compressor 1 includes a cylindrical cylinder 4, a cylinder head 5 that seals one end face of both open end faces of the cylinder 4, a piston 6 that reciprocates in the cylinder 4, a cylinder 4, a cylinder head 5, and a piston 6. A mechanism which is composed of a compression chamber 7 which is a space separated by a space, and a connecting rod, a crank, a crankshaft, a crankcase, etc., which are drive mechanism parts (not shown) of the piston 6, and which drives the piston 6 by an electric motor via the drive mechanism. It has become.
膨張機2は、両開口端面の一方を端板8で、他端をケー
シング9で密閉した筒状の膨張シリンダ10を備えてい
る。この膨張シリンダ10内をピストンのように往復運動
し、この往復運動の行程の中点位置にコイルばね11を介
してケーシング9に支持したディスプレーサ13があり、
コイルばね11とディスプレーサ13とで振動系を形成して
いる。このディスプレーサ13の内部に区画形成した蓄冷
室16には細かい網目の、積層金網、鉛、あるいは樹脂等
よりなる蓄冷材14を充填し、膨張シリンダ10とディスプ
レーサ13との隙間から冷媒ガスが漏洩しないようにディ
スプレーサ13の外周に樹脂等よりなるシール材12を嵌め
込んでいる。このディスプレーサ13と膨張シリンダ10と
端板8とで区切った空間と、ディスプレーサ13と膨張シ
リンダ10とケーシング9とで区切った空間とがそれぞれ
膨張室17と高温室15とを形成しており、高温室15、蓄冷
室16および膨張室17を相互に連通する冷媒ガス流路を備
えている。The expander 2 is provided with a cylindrical expansion cylinder 10 in which one of both open end faces is an end plate 8 and the other end is sealed with a casing 9. There is a displacer 13 supported on the casing 9 via a coil spring 11 at the midpoint of the stroke of the reciprocating motion, which reciprocates in the expansion cylinder 10 like a piston.
The coil spring 11 and the displacer 13 form a vibration system. The cool storage chamber 16 partitioned and formed inside the displacer 13 is filled with a cool storage material 14 made of fine mesh, laminated wire mesh, lead, or resin, etc., so that the refrigerant gas does not leak from the gap between the expansion cylinder 10 and the displacer 13. As described above, the seal material 12 made of resin or the like is fitted around the displacer 13. The space defined by the displacer 13, the expansion cylinder 10 and the end plate 8 and the space defined by the displacer 13, the expansion cylinder 10 and the casing 9 form an expansion chamber 17 and a high temperature chamber 15, respectively. The chamber 15, the cold storage chamber 16, and the expansion chamber 17 are provided with a refrigerant gas flow path that communicates with each other.
接続管3は、圧縮室7と高温室15とをつなぐ冷媒ガスの
流路を形成している。The connection pipe 3 forms a refrigerant gas flow path connecting the compression chamber 7 and the high temperature chamber 15.
このように構成した従来の冷凍機は、圧縮室7、高温室
15、蓄冷室16、膨張室17および各室を相互に連通する冷
媒ガス流路が作動空間を形成しており、この作動空間中
に、例えばヘリウム、水素などの高圧の冷媒ガスを封入
している。The conventional refrigerator configured as described above includes the compression chamber 7, the high temperature chamber, and the high temperature chamber.
Refrigerant gas flow passages that mutually connect 15, the cold storage chamber 16, the expansion chamber 17, and each chamber form an operating space, and in this operating space, for example, high pressure refrigerant gas such as helium and hydrogen is sealed. There is.
上記のような従来のスターリング冷凍機の動作について
以下に述べる。圧縮室7内でピストン6の圧縮行程で圧
縮され高温高圧となった冷媒ガスは、接続管3を通って
膨張機2の高温室15内に流入し、中点位置にあるディス
プレーサ13を上死点位置にコイルばね11の力に抗して押
上げ、ディスプレーサ13内に区画形成した蓄冷室16を経
由して低温となって膨張室17に入る。蓄冷室16内に入っ
た冷媒ガスは、蓄冷室16内で冷やされながら通過すると
きの冷媒ガスの粘性抵抗による圧力損失のため、徐々に
膨張室17内に流入して膨張室17内の冷媒ガス圧力が高温
室15の冷媒ガス圧力と同じになると、ディスプレーサ13
は中点位置に戻る。一方ピストン6は膨張行程に入って
おり、圧縮室7内の冷媒ガス圧力は低下するので、高温
室15内の冷媒ガス圧力も低下し、膨張室17内の冷媒ガス
が膨張して温度が下って蓄冷室16内を蓄冷材14を冷却し
ながら通過するときの圧力損失により、膨張室17内の冷
媒ガス圧力と高温室15内の冷媒ガス圧力との間に圧力差
を生じ、この圧力差によりさらにディスプレーサ13は下
死点に押し下げられるので、膨張室17内の冷媒ガスはさ
らに膨張して低温となり周囲の熱を吸収することにより
冷凍作用をする。膨張室17内の冷媒ガスはその後蓄冷室
16をその中の蓄冷材14を冷却しながら通過し、高温室15
を経由して圧縮室7に戻る。即ち、スターリング冷凍機
は、圧縮機1のピストン6と、膨張機2内をピストンの
ように往復運動をするディスプレーサ13とをある位相差
をもって連動させることにより、冷媒ガスは、圧縮室7
で発熱し、膨張室17で低温となる。前述の熱サイクルを
繰り返すことにより、膨張室17を形成している膨張シリ
ンダ10の円筒壁および端板8の温度を80K程度まで冷却
することができる。The operation of the conventional Stirling refrigerator as described above will be described below. The high-temperature high-pressure refrigerant gas compressed in the compression stroke of the piston 6 in the compression chamber 7 flows into the high-temperature chamber 15 of the expander 2 through the connecting pipe 3 and top-displaces the displacer 13 at the midpoint position. It is pushed up against the force of the coil spring 11 to the point position, and enters the expansion chamber 17 at a low temperature via the regenerator chamber 16 formed in the displacer 13. The refrigerant gas that has entered the cold storage chamber 16 is a pressure loss due to the viscous resistance of the refrigerant gas when passing while being cooled in the cold storage chamber 16, so that it gradually flows into the expansion chamber 17 and the refrigerant in the expansion chamber 17 When the gas pressure becomes the same as the refrigerant gas pressure in the high temperature chamber 15, the displacer 13
Returns to the midpoint position. On the other hand, since the piston 6 is in the expansion stroke and the pressure of the refrigerant gas in the compression chamber 7 decreases, the pressure of the refrigerant gas in the high temperature chamber 15 also decreases, and the refrigerant gas in the expansion chamber 17 expands to lower the temperature. Due to the pressure loss when passing the cold storage material 14 in the cold storage chamber 16 while cooling it, a pressure difference is generated between the refrigerant gas pressure in the expansion chamber 17 and the refrigerant gas pressure in the high temperature chamber 15, and this pressure difference. As a result, the displacer 13 is further pushed to the bottom dead center, so that the refrigerant gas in the expansion chamber 17 further expands to a low temperature and absorbs the ambient heat, thereby performing a refrigerating action. The refrigerant gas in the expansion chamber 17 is then stored in the cold storage chamber.
It passes through 16 while cooling the regenerator material 14 in it,
Return to the compression chamber 7 via. That is, in the Stirling refrigerator, the piston 6 of the compressor 1 and the displacer 13 that reciprocates in the expander 2 are interlocked with each other with a certain phase difference so that the refrigerant gas is compressed.
Generates heat and becomes low temperature in the expansion chamber 17. By repeating the above-mentioned heat cycle, the temperature of the cylindrical wall of the expansion cylinder 10 forming the expansion chamber 17 and the end plate 8 can be cooled to about 80K.
ところが上記のような従来装置では、前述のように圧縮
機1のピストン6と、膨張機2内をピストンのように往
復運動をするディスプレーサ13とをある位相差をもって
連動しており、ディスプレーサ13の位置の時間的変化は
正弦波状の波形を描き、蓄冷室16内を冷媒ガスが通過す
るときの流体粘性抵抗と、コイルばね11との作用によ
り、高温室15内と膨張室17内との冷媒ガス圧力変化は位
相差を生じ、この位相差により生ずる高温室15内と膨張
室17内との冷媒ガス圧力差によりディスプレーサ13が駆
動されている。このため振動系の動作の安定条件より前
記位相差はあまり大きく取れず限界があり、膨張室17内
で冷媒ガスの仕事量の総和が小さいという問題がある。However, in the conventional device as described above, as described above, the piston 6 of the compressor 1 and the displacer 13 that reciprocates like a piston in the expander 2 are interlocked with each other with a certain phase difference. The temporal change of the position draws a sinusoidal waveform, and the fluid viscous resistance when the refrigerant gas passes through the cold storage chamber 16 and the action of the coil spring 11 cause the refrigerant in the high temperature chamber 15 and the expansion chamber 17 to become refrigerant. The gas pressure change causes a phase difference, and the displacer 13 is driven by the refrigerant gas pressure difference between the high temperature chamber 15 and the expansion chamber 17 caused by this phase difference. For this reason, there is a limit in that the phase difference cannot be so large due to the stable condition of the operation of the vibration system, and there is a problem that the total amount of work of the refrigerant gas in the expansion chamber 17 is small.
即ち、膨張室17内における冷媒ガスの仕事量の総和を
Qc、膨張室17内冷媒ガス圧力をPc、膨張室17の体積を
Vc、ディスプレーサ13の位置をx、膨張室17内冷媒ガス
圧力がPcのときの膨張室17の体積膨張およびディスプレ
ーサ13の変位をそれぞれdVc、dxとし、ディスプレーサ1
3の膨張室17側膨張シリンダ10の断面積をSとすると、
膨張室17内での冷媒ガスの仕事量の総和Qcは次式によっ
て表される。That is, the total work of the refrigerant gas in the expansion chamber 17
Q c, the refrigerant gas pressure within the expansion chamber 17 P c, the volume of the expansion chamber 17
V c , the position of the displacer 13 is x, the volume expansion of the expansion chamber 17 and the displacement of the displacer 13 when the refrigerant gas pressure in the expansion chamber 17 is P c are dV c and dx, respectively.
If the cross-sectional area of the expansion chamber 17 side expansion cylinder 10 of 3 is S,
The total work Q c of the refrigerant gas in the expansion chamber 17 is represented by the following equation.
Qc=Pc・dVc=SPc・dx ……… ここで、ディスプレーサ13の質量をm、コイルばね11の
ばね定数をk、蓄冷室16内を冷媒ガスが通過する際の流
体粘性抵抗をc、ディスプレーサ13の駆動力となる高温
室15内と膨張室17内との冷媒ガスの圧力差の振幅値およ
び角振動数をそれぞれF0,ω、および時間をtとする。
高温室15内と膨張室17内との冷媒ガスの圧力差は蓄冷室
16内を冷媒ガスが通過するときの流体粘性抵抗によって
のみ発生し、この流体粘性抵抗値はピストン6の速度に
比例する。一方、ピストン6の位置および速度の時間的
変化は正弦波形を描くので、F0も正弦波形の力としてデ
ィスプレーサ13に作用するため、ディスプレーサ13の位
置xは次の式によって表される。Q c = P c · dV c = SP c · d x ... where mass of the displacer 13 is m, spring constant of the coil spring 11 is k, and fluid viscosity when refrigerant gas passes through the regenerator 16 It is assumed that the resistance is c, the amplitude value and the angular frequency of the pressure difference of the refrigerant gas between the high temperature chamber 15 and the expansion chamber 17 which are the driving force of the displacer 13 are F 0 and ω, and the time is t.
The pressure difference of the refrigerant gas between the high greenhouse 15 and the expansion chamber 17 is the cold storage chamber.
It is generated only by the fluid viscosity resistance when the refrigerant gas passes through the inside of 16, and this fluid viscosity resistance value is proportional to the speed of the piston 6. On the other hand, since the position and speed of the piston 6 change with time in a sinusoidal waveform, F 0 also acts on the displacer 13 as a force having a sinusoidal waveform, so the position x of the displacer 13 is expressed by the following equation.
m+c+kx=F0cosωt ……… 従って、xは高温室15内と膨張室17内との冷媒ガス圧力
差が描く正弦波形に対しある位相だけ遅れて正弦波形を
描いて変化する。第2図に膨張室17内の冷媒ガス圧力(P
c)の時間的変化を(イ)で、ディスプレーサ13の位置
(x)の時間的変化を(ロ)でそれぞれ示す。図におい
て、ディスプレーサ13の位置(x)および膨張室17内の
冷媒ガス圧力(Pc)の時間的変化はいづれも正弦波形を描
き、Pcとxとの位相差は、蓄冷室16の流体粘性抵抗とコ
イルばね11とにより決まるものである。しかし、第3図
の(ホ)に膨張室17内の冷媒ガス圧力(Pc)と膨張室17の
体積(Vc)との時間的変化を示すが、xの時間的変化が正
弦波形を描く振動系の動作の安定条件より前記位相差は
あまり大きく取れず限界があるため、(ホ)の線図で囲
まれた、膨張室17内での冷媒ガスの仕事量の総和に相当
する面積が大きく取れず、膨張室17内で冷媒ガスの仕事
量の総和が小さい。m + c + kx = F 0 cos ωt ... Therefore, x changes in a sine waveform with a delay of a certain phase with respect to the sine waveform of the refrigerant gas pressure difference between the high temperature chamber 15 and the expansion chamber 17. Figure 2 shows the refrigerant gas pressure (P
The time change of c ) is shown in (a), and the time change of the position (x) of the displacer 13 is shown in (b). In the figure, the position (x) of the displacer 13 and the temporal change of the refrigerant gas pressure (P c ) in the expansion chamber 17 both show a sine waveform, and the phase difference between P c and x is the fluid in the regenerator chamber 16. It is determined by the viscous resistance and the coil spring 11. However, (e) of FIG. 3 shows the time change of the refrigerant gas pressure (P c ) in the expansion chamber 17 and the volume (V c ) of the expansion chamber 17, but the time change of x shows a sinusoidal waveform. Due to the stable condition of the operation of the oscillating system drawn, the phase difference cannot be so large that there is a limit, so the area surrounded by the diagram (e) and equivalent to the total work of the refrigerant gas in the expansion chamber 17 Of the refrigerant gas in the expansion chamber 17 is small.
この発明は、ディスプレーサの位置の時間的変化を正弦
波形からずれたものとし、膨張室内での冷媒ガスの仕事
量の総和を増大させて冷凍能力の高い冷凍機を提供する
ことを目的とする。It is an object of the present invention to provide a refrigerator having a high refrigerating capacity by making the temporal change of the position of the displacer deviate from a sinusoidal waveform and increasing the total amount of work of the refrigerant gas in the expansion chamber.
上記目的を達成するために、この発明に係わる冷凍機
は、筒状のシリンダと、このシリンダの両開口端面の一
方の端面を密閉するシリンダヘッドと、前記シリンダ内
を往復運動するピストンと、前記シリンダ、前記シリン
ダヘッドおよび前記ピストンによって区切った圧縮室と
を有する圧縮機と、両開口端面の一方を端板で、他端を
ケーシングで密閉した、筒状の膨張シリンダと、この膨
張シリンダ内をピストンのように往復運動し、この往復
運動の行程の中点位置にコイルばねを介して前記ケーシ
ングの内面に支持したディスプレーサと、このディスプ
レイーサの内部に区画形成し蓄冷材を充填した蓄冷室
と、前記ディスプレーサと前記膨張シリンダと前記端板
とで区切った膨張室と、前記ディスプレーサと前記膨張
シリンダと前記ケーシングとで区切った高温室とを備え
た膨張機とを備え、前記圧縮室、高温室、蓄冷室、膨張
室に冷媒ガス流路が連通している冷凍機において、一対
の磁石をその磁極を向い合わせてかつこの磁極の磁力線
と前記膨張シリンダの円筒軸とが一致するように前記高
温室内に配置し、前記一対の磁石の一方をディスプレー
サ端面に、他方をケーシングに固着するものとする。In order to achieve the above object, a refrigerator according to the present invention includes a cylindrical cylinder, a cylinder head that seals one end face of both opening end faces of the cylinder, a piston that reciprocates in the cylinder, and A compressor having a cylinder, a compression chamber partitioned by the cylinder head and the piston, a tubular expansion cylinder in which one of both opening end surfaces is closed by an end plate and the other end by a casing, and the inside of the expansion cylinder A displacer that reciprocates like a piston and is supported on the inner surface of the casing via a coil spring at the midpoint of the stroke of the reciprocating motion, and a cool storage chamber that is compartmentally formed inside the displacer and is filled with a cool storage material. An expansion chamber partitioned by the displacer, the expansion cylinder, and the end plate, the displacer, the expansion cylinder, and the case. In a refrigerator in which a refrigerant gas flow path is in communication with the compression chamber, the high temperature chamber, the cold storage chamber, and the expansion chamber, a pair of magnets having magnetic poles The magnets are arranged in the high temperature chamber so as to face each other and the magnetic field lines of the magnetic poles coincide with the cylindrical axis of the expansion cylinder, and one of the pair of magnets is fixed to the displacer end face and the other is fixed to the casing.
この発明においては、一対の磁石をその磁極を向い合わ
せてかつこの極の磁力線と前記膨張シリンダの円筒軸と
を一致させて膨張機の高温室内に配置し、前記一対の磁
石の一方をディスプレーサ端面に、他方のケーシングに
固着したので、磁石の作用によりディスプレーサの往復
行程の下死点から中点に至るコイルばねによる復元力あ
るいは上死点から中点に至るコイルばねによる復元力を
減殺することにより、ディスプレーサの位置の時間的変
化を正弦波形からずれたものとし、膨張室内での冷媒ガ
スの仕事量の総和を増大させることができる。In the present invention, a pair of magnets are arranged in the high temperature chamber of the expander with their magnetic poles facing each other and the magnetic lines of force of these poles aligned with the cylindrical axis of the expansion cylinder. Since it is fixed to the other casing, the restoring force of the coil spring from the bottom dead center to the middle point of the displacer's reciprocating stroke or the restoring force of the coil spring from the top dead center to the middle point is reduced by the action of the magnet. As a result, the temporal change of the position of the displacer can be deviated from the sine waveform, and the total amount of work of the refrigerant gas in the expansion chamber can be increased.
以下、この発明の一実施例を第1図に基づいて説明す
る。第5図と共通あるいは同一の部分は同一の符号で示
す。なお、圧縮機の部分は第5図のものと同一であるの
で図示並びに説明を省略する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. The same or similar parts as in FIG. 5 are designated by the same reference numerals. Since the compressor part is the same as that of FIG. 5, its illustration and description are omitted.
膨張機2は、両開口端面の一方を端板8で、他端をケー
シング9で密閉した、筒状の膨張シリンダ10を備えてい
る。この膨張シリンダ10内をピストンのように往復運動
し、この往復運動の行程の中点位置にコイルばね11を介
してケーシング9に支持したディスプレーサ13があり、
コイルばね11とディスプレーサ13とで振動系を形成して
いる。このディスプレーサ13の内部に蓄冷室16を区画形
成し、この蓄冷室16内に、細かい網目の、積層金網、鉛
あるいは樹脂等よりなる蓄冷材14を充填している。ま
た、膨張シリンダ10とディスプレーサ13との隙間から冷
媒ガスが漏洩しないようにディスプレーサ13の外周に樹
脂等よりなるシール材12を嵌め込まれている。このディ
スプレーサ13と膨張シリンダ10と端板8とにより区切っ
た空間と、ディスプレーサ13と膨張シリンダ10とケーシ
ング9とで区切った空間とがそれぞれ膨張室17と高温室
15とを形成している。また、磁石19、20がその磁極の磁
力線が膨張シリンダ10の円筒軸に一致するようにかつ異
なる磁極を向い合わせて高温室15内にを配設し、この磁
石19、20の一方はディスプレーサ13の下端面に、他方は
ケーシングにそれぞれ固着している。また、蓄冷室16、
膨張室17、高温室15を相互に連通する冷媒ガス流路を備
えている。The expander 2 is provided with a cylindrical expansion cylinder 10 in which one of both open end faces is closed by an end plate 8 and the other end is closed by a casing 9. There is a displacer 13 supported on the casing 9 via a coil spring 11 at the midpoint of the stroke of the reciprocating motion, which reciprocates in the expansion cylinder 10 like a piston.
The coil spring 11 and the displacer 13 form a vibration system. A cool storage chamber 16 is defined inside the displacer 13, and the cool storage chamber 16 is filled with a cool storage material 14 made of fine mesh, laminated wire mesh, lead or resin. Further, a sealing material 12 made of resin or the like is fitted around the displacer 13 so that the refrigerant gas does not leak from the gap between the expansion cylinder 10 and the displacer 13. The space defined by the displacer 13, the expansion cylinder 10 and the end plate 8 and the space defined by the displacer 13, the expansion cylinder 10 and the casing 9 are the expansion chamber 17 and the high temperature chamber, respectively.
Forming 15 and. Further, the magnets 19 and 20 are arranged in the high temperature chamber 15 so that the magnetic lines of their magnetic poles coincide with the cylindrical axis of the expansion cylinder 10 and the different magnetic poles face each other. And the other is fixed to the casing. In addition, the cool storage room 16,
The expansion chamber 17 and the high temperature chamber 15 are provided with a refrigerant gas flow path that communicates with each other.
接続管3は、圧縮室7と高温室15とをつなぐ冷媒ガスの
流路を形成している。The connection pipe 3 forms a refrigerant gas flow path connecting the compression chamber 7 and the high temperature chamber 15.
前述の構成において、磁石19、20の吸引力がディスプレ
ーサ13とコイルばね11とで形成した振動系に与える影響
は、膨張シリンダ10内を往復運動する際、ディスプレー
サ13が上死点から下死点に向かうときには加速力として
作用し、下死点かた上死点に向かうときは減速力として
作用する。しかし、ディスプレーサ13にはコイルばね11
も作用するので、コイルばね11と磁石19、20との力を合
成した、つまりディスプレーサ13をその往復運動の行程
の中点位置に戻す復元力となる総合復元力は第4図の
(チ)に示すような曲線となる。図は、磁石19、20とコ
イルばね11とがディスプレーサ13に作用する力を復元力
とし、この復元力を、0を原点に取り、下死点方向に働
く力を+、上死点方向に働く力を−とした縦軸と、ディ
スプレーサ13の往復運動の中点を原点(0)として、+
側がディスプレーサ13の上死点方向、−側が下死点方向
とした横軸とを座標軸として描いたものである。コイル
ばね11の復元力は、ディスプレーサ13の位置xに比例す
るので、直線(ト)となる。また、磁石19、20の復元力
は、磁石19、20間の距離に反比例するので、曲線(ヘ)
となる。一方、ディスプレーサ13の位置xはデスプレー
サ13の位置をx、デスプレーサ13の質量をm、コイルば
ね11のばね定数をk1、磁石19、20の磁気吸引力定数をk
2、蓄冷室16内を冷媒ガスが通過する際の流体粘性抵抗
をc、ディスプレーサ13が中点位置にあるときの磁石1
9、20の間距離をd、ディスプレーサ13の駆動力となる
膨張室17内と高温室15内との冷媒ガス圧力の圧力差の振
幅および角振動数をそれぞれF0、,ωとし、時間をtと
すると、ディスプレーサ13の位置xは次の式によって表
される。In the above configuration, the influence of the attraction force of the magnets 19 and 20 on the vibration system formed by the displacer 13 and the coil spring 11 is that the displacer 13 moves from the top dead center to the bottom dead center when reciprocating in the expansion cylinder 10. It acts as an accelerating force when heading toward, and acts as a decelerating force when heading toward bottom dead center or top dead center. However, the displacer 13 has a coil spring 11
Since the force also acts, the total restoring force that is the restoring force that combines the forces of the coil spring 11 and the magnets 19 and 20, that is, the restoring force that returns the displacer 13 to the midpoint of the stroke of its reciprocating motion is shown in FIG. The curve is as shown in. In the figure, the force exerted on the displacer 13 by the magnets 19 and 20 and the coil spring 11 is the restoring force. The restoring force is 0 at the origin, the force acting in the bottom dead center direction is +, and the force acting in the top dead center direction is +. The vertical axis with the working force as − and the middle point of the reciprocating motion of the displacer 13 as the origin (0)
The side is the top dead center direction and the-side is the bottom dead center direction, and the horizontal axis is the coordinate axis. Since the restoring force of the coil spring 11 is proportional to the position x of the displacer 13, it becomes a straight line (g). Also, since the restoring force of the magnets 19 and 20 is inversely proportional to the distance between the magnets 19 and 20, the curve (f)
Becomes On the other hand, the position x of the displacer 13 is the position of the displacer 13, the mass of the displacer 13 is m, the spring constant of the coil spring 11 is k1, the magnetic attraction force constant of the magnets 19 and 20 is k.
2, c is the fluid viscosity resistance when the refrigerant gas passes through the cold storage chamber 16, and the magnet 1 when the displacer 13 is at the midpoint position.
The distance between 9 and 20 is d, the amplitude and angular frequency of the pressure difference of the refrigerant gas pressure between the expansion chamber 17 and the high temperature chamber 15, which are the driving force of the displacer 13, are F 0 ,, ω, respectively, and the time is The position x of the displacer 13 is represented by the following equation.
m+c+k1x+k2/(x+d)2=F0cosωt
……… 従って、ディスプレーサ13の位置xの変化は次に述べる
ようになる。まず、ディスプレーサ13が中点から上死点
に向かうときあるいは上死点から中点に戻るときの総合
復元力はコイルばね11のみの場合より幾らか大きいの
で、ディスプレーサ13は従来のコイルばね11のみの場合
より早く上死点に到達あるいは中点に戻る。次に、ディ
スプレーサ13が中点から下死点に向かうときあるいは下
死点から中点に戻るときの総合復元力は従来のコイルば
ね11のみの場合よりはるかに小さいので、ディスプレー
サ13はコイルばね11のみの場合よりゆっくりと下死点に
到達あるいは中点に戻る。この場合、磁石19、20の取付
け間隔によっては、下死点位置が磁石19、20でディスプ
レーサ13の運動は規制され、磁石19、20が当接する点ま
でしか下降しないことになる。このようなディスプレー
サ13の位置xの時間的変化を第2図の曲線(ハ)で示
す。図より明らかなように、曲線(ハ)は、破線で示し
た従来のコイルばね11のみの場合の曲線(ロ)より下側
にあり、波の上側は尖った形で、波の下側は膨らんだ形
となり、正弦波形に対してずれた曲線となっている。こ
の場合の膨張室17内での冷媒ガスの仕事量の総和は、膨
張室17内および高温室15内の冷媒ガス圧力変化はディス
プレーサ13の位置による影響をほとんど受けないため、
第3図の膨張室17内の冷媒ガス圧力(Pc)と膨張室17の体
積(Vc)の時間的変化を示す曲線(ニ)で囲まれた面積と
なる。また、曲線(ホ)は従来のコイルばね11のみの場
合の膨張室17内の冷媒ガス圧力(Pc)と膨張室17の体積(V
c)の時間的変化を示したものであるが、これに対し曲線
(ニ)は明らかに磁石19、20を使用してディスプレーサ
13の位置xの時間的変化を正弦波形に対してずれた曲線
とした方が膨張室17内での冷媒ガスの仕事量の総和が大
きくなり、冷凍能力の高い冷凍機となることを示してい
る。なお、磁石19、20の対向する磁極を同極とした場合
については、ディスプレーサ13の位置xの時間的変化の
曲線が、異極にした場合とは逆に、上側の波が膨らみ、
下側の波が尖った曲線となり、膨張室17内での冷媒ガス
の仕事量の総和は大きくなって、異極の場合と同様の効
果が得られる。m + c + k1 x + k 2 / (x + d) 2 = F 0 cosωt
Therefore, the change of the position x of the displacer 13 is as follows. First, since the total restoring force when the displacer 13 goes from the midpoint to the top dead center or when the displacer 13 returns from the top dead center to the midpoint is somewhat larger than that of the coil spring 11 alone, the displacer 13 uses only the conventional coil spring 11. In case of, reach top dead center or return to midpoint sooner. Next, since the total restoring force when the displacer 13 moves from the midpoint to the bottom dead center or when the displacer 13 returns from the bottom dead center to the middle point is much smaller than that of the conventional coil spring 11, the displacer 13 uses the coil spring 11. It reaches the bottom dead center or returns to the midpoint more slowly than in the case of only. In this case, the movement of the displacer 13 is restricted by the magnets 19 and 20 at the bottom dead center position depending on the mounting intervals of the magnets 19 and 20, and the displacer 13 only descends to the point where the magnets 19 and 20 contact. The change in the position x of the displacer 13 with time is shown by the curve (c) in FIG. As is clear from the figure, the curve (c) is below the curve (b) in the case of only the conventional coil spring 11 shown by the broken line, the upper side of the wave is sharp and the lower side of the wave is It has a swollen shape and is a curve that deviates from the sine waveform. In this case, the total amount of work of the refrigerant gas in the expansion chamber 17, the change of the refrigerant gas pressure in the expansion chamber 17 and the high temperature chamber 15 is hardly affected by the position of the displacer 13,
The area surrounded by the curve (d) showing the temporal change of the refrigerant gas pressure (P c ) in the expansion chamber 17 and the volume (V c ) of the expansion chamber 17 in FIG. The curve (e) is the refrigerant gas pressure (P c ) in the expansion chamber 17 and the volume (V
The curve (d) clearly shows the displacer using magnets 19 and 20.
It is shown that when the time change of the position x of 13 is a curve deviated from the sine waveform, the total amount of work of the refrigerant gas in the expansion chamber 17 becomes large, and the refrigerator has a high refrigerating capacity. There is. When the opposite magnetic poles of the magnets 19 and 20 have the same polarity, the curve of the time change of the position x of the displacer 13 is opposite to the opposite polarity, and the upper wave swells,
The wave on the lower side becomes a sharp curve, and the total amount of work of the refrigerant gas in the expansion chamber 17 increases, so that the same effect as in the case of the different polarity can be obtained.
この発明に係わる冷凍機は、一対の磁石をその磁極を向
い合わせてかつこの磁極の磁力線と前記膨張シリンダの
円筒軸とが一致するように前記高温室内に配置し、前記
一対の磁石の一方のディスプレーサ端面に、他方をケー
シングに固着したので、磁石の作用によりディスプレー
サの往復行程の下死点から中点に至るコイルばねによる
復元力あるいは上死点から中点に至るコイルばねによる
復元力を減殺することにより、膨張室内での冷媒ガスの
仕事量の総和を増大させることができるとともに、冷凍
機の冷凍能力を高めることができるという効果が得られ
る。In the refrigerator according to the present invention, a pair of magnets are arranged in the high temperature chamber such that their magnetic poles face each other and the magnetic field lines of the magnetic poles and the cylindrical axis of the expansion cylinder coincide with each other. Since the other end of the displacer is fixed to the casing, the restoring force of the coil spring from the bottom dead center to the middle point of the displacer's reciprocating stroke or the restoring force of the coil spring from the top dead center to the middle point is reduced by the action of the magnet. By doing so, it is possible to increase the total amount of work of the refrigerant gas in the expansion chamber and to increase the refrigerating capacity of the refrigerator.
第1図はこの発明の冷凍機の一実施例の要分構成を示す
断面図、第2図はこの発明および従来の冷凍機の、膨張
室内の冷媒ガス圧力(Pc)の時間的変化と、ディスプレー
サの位置xの時間的変化とを示す図、第3図はこの発明
および従来の冷凍機の膨張室内の冷媒ガス圧力(Pc)と膨
張室の体積(Vc)の時間的変化を示す図、第4図はディス
プレーサに作用するコイルばねと磁石とのそれぞれの復
元力およびこれらを合成した総合復元力の曲線を示す
図、第5図は従来の冷凍機の構成を示す断面図である。1 …圧縮機、2…膨張機、3…接続管、4…シリンダ、
5…シリンダヘッド、6…ピストン、7…圧縮室、8…
端板、9…ケーシング、10…膨張シリンダ、11…コイル
ばね、12…シール材、13…ディスプレーサ、14…蓄冷
材、15…高温室、16…蓄冷室、17…膨張室、19、20…磁
石。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the essential configuration of an embodiment of the refrigerator of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing changes over time in the refrigerant gas pressure (P c ) in the expansion chamber of the refrigerator of the present invention and the conventional refrigerator. FIG. 3 is a diagram showing the time variation of the position x of the displacer, and FIG. 3 shows the time variation of the refrigerant gas pressure (P c ) in the expansion chamber and the volume (V c ) of the expansion chamber of the present invention and the conventional refrigerator. FIG. 4 is a diagram showing the respective restoring forces of the coil spring and the magnet acting on the displacer, and the curves of the total restoring force obtained by combining these, and FIG. 5 is a sectional view showing the configuration of a conventional refrigerator. is there. 1 ... Compressor, 2 ... Expander, 3 ... Connection pipe, 4 ... Cylinder,
5 ... Cylinder head, 6 ... Piston, 7 ... Compression chamber, 8 ...
End plate, 9 ... Casing, 10 ... Expansion cylinder, 11 ... Coil spring, 12 ... Seal material, 13 ... Displacer, 14 ... Cool storage material, 15 ... High temperature chamber, 16 ... Cool storage chamber, 17 ... Expansion chamber, 19, 20 ... magnet.
Claims (1)
端面の一方の端面を密閉するシリンダヘッドと、前記シ
リンダ内を往復運動するピストンと、前記シリンダ、前
記シリンダヘッドおよび前記ピストンによって区切った
圧縮室とを有する圧縮機と、両開口端面の一方を端板
で、他端をケーシングで密閉した、筒状の膨張シリンダ
と、この膨張シリンダ内をピストンのように往復運動
し、この往復運動の行程の中点位置にコイルばねを介し
て前記ケーシング内面に支持したディスプレーサと、こ
のディスプレーサの内部に区画形成し蓄冷材を充填した
蓄冷室と、前記ディスプレーサと前記膨張シリンダと前
記端板とで区切った膨張室と、前記ディスプレーサと前
記膨張シリンダと前記ケーシングとで区切った高温室と
を備えた膨張機とを備え、前記圧縮室、高温室、蓄冷
室、膨張室に冷媒ガス流路が連通している冷凍機におい
て、一対の磁石をその磁極を向い合わせてかつこの磁極
の磁力線と前記膨張シリンダの円筒軸とが一致するよう
に前記高温室内に配置し、前記一対の磁石の一方をディ
スプレーサ端面に、他方をケーシングに固着したことを
特徴とする冷凍機。1. A cylindrical cylinder, a cylinder head for sealing one end face of both open end faces of the cylinder, a piston reciprocating in the cylinder, and a cylinder, the cylinder head and the piston for partitioning. A compressor having a compression chamber, a cylindrical expansion cylinder in which one end of both opening end faces is closed by an end plate and the other end is closed by a casing, and the inside of this expansion cylinder reciprocates like a piston. The displacer supported on the inner surface of the casing via a coil spring at the midpoint of the stroke of the step, the regenerator chamber formed inside the displacer and filled with the regenerator material, the displacer, the expansion cylinder, and the end plate. An expander including a partitioned expansion chamber and a high temperature chamber partitioned by the displacer, the expansion cylinder, and the casing. In the refrigerator in which the refrigerant gas flow path communicates with the compression chamber, the high temperature chamber, the cold storage chamber, and the expansion chamber, a pair of magnets are made to face their magnetic poles, and the magnetic force lines of the magnetic poles and the cylindrical shaft of the expansion cylinder are Are arranged in the high temperature chamber so that the two coincide with each other, and one of the pair of magnets is fixed to the end face of the displacer and the other is fixed to the casing.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11011188A JPH0670533B2 (en) | 1988-05-06 | 1988-05-06 | refrigerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11011188A JPH0670533B2 (en) | 1988-05-06 | 1988-05-06 | refrigerator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01281368A JPH01281368A (en) | 1989-11-13 |
| JPH0670533B2 true JPH0670533B2 (en) | 1994-09-07 |
Family
ID=14527320
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11011188A Expired - Lifetime JPH0670533B2 (en) | 1988-05-06 | 1988-05-06 | refrigerator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0670533B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH086978B2 (en) * | 1990-01-17 | 1996-01-29 | ダイキン工業株式会社 | Free displacer type Stirling refrigerator |
-
1988
- 1988-05-06 JP JP11011188A patent/JPH0670533B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01281368A (en) | 1989-11-13 |
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