JPH0689959B2 - Free-piston Stirling refrigerator - Google Patents

Free-piston Stirling refrigerator

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JPH0689959B2
JPH0689959B2 JP18331686A JP18331686A JPH0689959B2 JP H0689959 B2 JPH0689959 B2 JP H0689959B2 JP 18331686 A JP18331686 A JP 18331686A JP 18331686 A JP18331686 A JP 18331686A JP H0689959 B2 JPH0689959 B2 JP H0689959B2
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JP
Japan
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piston
displacer
working fluid
displacement
regenerator
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JPS6341773A (en
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雅治 石井
民雄 福田
庸臓 中村
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、フリーピストン形スターリング冷凍機に係
り、特に、液化窒素温度(−196℃)あるいはそれ以下
の極低温状態で電子機器等を冷却するのに好適な蓄冷器
を有するフリーピストン形スターリング冷凍機に関する
ものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a free piston Stirling refrigerator, and in particular, cools electronic equipment and the like at a cryogenic temperature of liquefied nitrogen temperature (−196 ° C.) or lower. The present invention relates to a free piston type Stirling refrigerator having a regenerator that is suitable for use.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来のフリーピストン形スターリング冷凍機について
は、例えば、プロシーデインブズ オブ インターナシ
ヨナル カンフアレンス オン アドバンスド インフ
レーレツド デイテクターズ アンド システムズ(19
81年)(Proceedings of International Conference on
Advanced Infrared Detectors & Systems'81)に記載
された、エー・ケー・ドウヨング(A,K,de Jonge)によ
る、スモール スプリツト スターリング クーラーズ
フオア アイ・アール・デイテクターズ(Small Spli
t Stirling Coolers for I.R.Detectors)、あるいは同
じく、プロシーデイングズ オブ インターナシヨナル
カンフアレンス オン アドバンスド インフレーレ
ツド デイテクターズ アンド システムズ(1982年)
(Proceedings of International Conference on Advan
ced Infrared Detectors & Systems'82)に記載され
た、ジー・ダヴエイ(G.Davey)による、ザ オクスフ
オード ユニバーシテイ ミニアチユア クライオジニ
ツク リフリジレイター(The Oxford University mini
ature cryogenic refrigerator)などが知られている。
For the conventional free piston type Stirling refrigerator, for example, Proceedings of International Conference on Advanced Inflated Detectors and Systems (19
1981) (Proceedings of International Conference on
Small Spiral Stirling Coolers by A, K, de Jonge, as described in Advanced Infrared Detectors &Systems'81) Small Spli
t Stirling Coolers for IRDetectors), or similarly, Proceedings of International Conference on Advanced Inflated Detectors and Systems (1982).
(Proceedings of International Conference on Advan
The Oxford University mini by G. Davey, described in ced Infrared Detectors &Systems'82).
ature cryogenic refrigerator) is known.

この冷凍機は、作動流体を圧縮するためのピストンと、
このピストンを往復動させるための直動電動機と、作動
流体を膨脹させるためのデイスプレーサと前記ピストン
およびデイスプレーサを往復動せしめて前記作動流体の
圧縮空間領域および膨脹空間領域を形成するためのシリ
ンダと、前記圧縮空間領域および膨脹空間領域に連通し
て冷熱エネルギを回収するための蓄冷器と、これらの各
要素を接続し逆スターリングサイクルを構成する作動流
体流路とからなつているが、蓄冷器は、引用文献のよう
に、デイスプレーサの内部に置かれている場合と、圧縮
空間と膨脹空間をつなぐ流路の途中に別置されている場
合がある。通常、ピストン側に直動電動機(リニアモー
タ)が取り付けられており、ピストンを往復動させるこ
とによりヘリウムなど作動ガスを圧縮する。圧縮された
ガスは蓄冷器を通りデイスプレーサ上部の膨脹空間領域
に流入するが、蓄冷器を通る際の圧力損失によりデイス
プレーサ上部の膨脹空間領域と下部の圧縮空間領域との
間に圧力差が生じる。この圧力差がデイスプレーサ振動
に対する駆動力になるが、圧力差は圧縮空間領域の圧力
変化により大きさや方向が変わるものである。したがつ
て、デイスプレーサの質量とデイスプレーサを支持する
ばねのばね定数とにより、デイスプレーサはピストンと
ある位相差をもつて振動することになる。すなわち、蓄
冷器や流路の構造が決まれば圧力差変化が一義的に決ま
り、それにより振動位相差は決定されるから冷凍能力は
決まる。しかしながら、冷凍負荷の変化もしくは圧縮空
間領域で発生する圧縮熱の除去が不完全,不安定な場
合、圧力差変化が変動し、当初設計した振動位相差の位
置でデイスプレーサが振動せず、冷凍能力ひいては効率
を最適位置に固定することができなくなるが、この点に
関して従来技術では考慮されていなかつた。
This refrigerator has a piston for compressing a working fluid,
A linear motor for reciprocating the piston, a displacer for expanding the working fluid, and a reciprocating motion of the piston and the displacer to form a compression space area and an expansion space area of the working fluid. Of the cylinder, a regenerator for communicating the compression space region and the expansion space region to recover cold heat energy, and a working fluid flow path connecting these elements to form a reverse Stirling cycle. As in the cited document, the regenerator may be placed inside the displacer or may be separately placed in the middle of the flow path connecting the compression space and the expansion space. Usually, a direct acting electric motor (linear motor) is attached to the piston side, and the working gas is compressed by reciprocating the piston. The compressed gas flows into the expansion space area above the displacer through the regenerator, but due to the pressure loss when passing through the regenerator, there is a pressure between the expansion space area above the displacer and the compression space area below. There is a difference. This pressure difference serves as a driving force for the displacement of the displacer, but the size and direction of the pressure difference change depending on the pressure change in the compression space region. Therefore, the mass of the displacer and the spring constant of the spring supporting the displacer cause the displacer to vibrate with a certain phase difference from the piston. That is, if the structure of the regenerator or the flow path is determined, the change in pressure difference is uniquely determined, and the vibration phase difference is determined accordingly, so the refrigerating capacity is determined. However, if the refrigeration load changes or the removal of compression heat generated in the compression space region is incomplete or unstable, the pressure difference change fluctuates, and the displacer does not vibrate at the initially designed vibration phase difference position. The refrigerating capacity and thus the efficiency cannot be fixed at the optimum position, but this point has not been considered in the prior art.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

前述のように従来技術では、負荷変動や圧縮熱の冷却が
不完全であると、ピストンとデイスプレーサとの位相
差、あるいはデイスプレーサの振幅が変化し最適効率
点,最適能力点をずれた位置で運転されることになる。
As described above, in the conventional technology, when the load fluctuation or the cooling of the compression heat is incomplete, the phase difference between the piston and the displacer or the amplitude of the displacer changes, and the optimum efficiency point and the optimum performance point are deviated. It will be driven in a different position.

本問題点を回避するために、デイスプレーサの振動を、
圧力差ではなく、ピストンとは別個の直動電動機により
行わせ、電動機への入力電源をコントロールすることに
より位相差や振幅を固定する方法もあるが、機構が複雑
になる一方、制御回路での安定性を確保することも難し
くなる。
In order to avoid this problem, the vibration of the displacer is
There is also a method of fixing the phase difference and amplitude by controlling the input power to the motor by using a direct drive motor separate from the piston instead of the pressure difference, but the mechanism becomes complicated while the control circuit It is also difficult to ensure stability.

別の問題として、蓄冷器の構造をとり上げると、熱的に
は充分な構造であつても、蓄冷器両側での圧力差を必要
量確保できない場合、デイスプレーサの振幅を充分に確
保できず冷凍能力の不足をまねくことになる。
As another problem, if the structure of the regenerator is taken up, even if the structure is thermally sufficient, if the required pressure difference on both sides of the regenerator cannot be secured, the displacer amplitude can be secured sufficiently. Instead, it will lead to a lack of freezing capacity.

本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、熱的に充分な蓄冷器構造のもとで、負荷
や圧縮空間領域内の作動流体冷却状態が変化しても、ピ
ストンとデイスプレーサをの振動位相差や、デイスプレ
ーサの振動振幅を最適値に保ち、安定した冷凍能力,冷
凍効率を保ちうるフリーピストン形スターリング冷凍機
を提供することを、その目的としている。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and even if the working fluid cooling state in the load or the compression space region changes under the thermally sufficient regenerator structure. , The purpose is to provide a free piston type Stirling refrigerator that can maintain stable refrigeration capacity and refrigeration efficiency by keeping the vibration phase difference between the piston and the displacer and the vibration amplitude of the displacer at optimum values. There is.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記目的を達成するために、本発明に係るフリーピスト
ン形スターリング冷凍機の構成は、作動流体を圧縮する
ためのピストンと、このピストンを往復動させるための
直動電動機と、作動流体を膨脹させるためのデイスプレ
ーサと前記ピストンおよびデイスプレーサを往復動せし
めて前記作動流体の圧縮空間領域および膨脹空間領域を
形成するためのシリンダと、前記圧縮空間領域および膨
脹空間領域に連通して冷熱エネルギを回収するための蓄
冷器と、これらの各要素を接続し逆スターリングサイク
ルを構成する作動流体流路とからなるフリーピストン形
スターリング冷凍機において、前記蓄冷器の一端あるい
は両端の作動流体流路部に流体の絞り手段を設けたもの
である。
In order to achieve the above object, the structure of a free piston type Stirling refrigerator according to the present invention has a piston for compressing a working fluid, a linear motor for reciprocating the piston, and an expansion of the working fluid. And a cylinder for reciprocating the piston and the displacer to form a compression space region and an expansion space region of the working fluid, and a cold energy for communicating with the compression space region and the expansion space region. In a free piston type Stirling refrigerator consisting of a regenerator for recovering and a working fluid passage connecting these elements to form an inverse Stirling cycle, a working fluid passage portion at one end or both ends of the regenerator Is provided with a fluid throttle means.

なお付記すると、前述の問題点を解決するには、負荷条
件が変化してもデイスプレーサの駆動力が変動しないよ
うにすれば良いことになる。
In addition, in order to solve the above-mentioned problems, it is sufficient to prevent the driving force of the displacer from changing even if the load condition changes.

これは、デイスプレーサ両端の圧力差、すなわち蓄冷器
両端の圧力差を運転条件に応じて一定に制御してやれば
達成できる。
This can be achieved by controlling the pressure difference between both ends of the displacer, that is, the pressure difference between both ends of the regenerator to be constant according to the operating conditions.

デイスプレーサ前後の圧力差が不足している場合には、
デイスプレーサの振幅が小さくなり膨脹の度合が減るか
ら充分な冷却能力が期待できなくなるため、蓄冷器両側
の作動流体流路に、ある値以上の圧力差を強制的にもた
せるようにすればデイスプレーサの振幅を確保すること
ができる。
If the pressure difference before and after the displacer is insufficient,
Since the amplitude of the displacer is reduced and the degree of expansion is reduced, sufficient cooling capacity cannot be expected.Therefore, if the working fluid flow path on both sides of the regenerator is forced to have a pressure difference above a certain value, The amplitude of the displacer can be secured.

そのために、蓄冷器の前後に絞り機構を設け、デイスプ
レーサ前後にある一定以上の圧力差をつけてやればデイ
スプレーサの振幅は確保される。また、本絞り機構に電
気的に開度が可変にできるものを採用すれば、ピストン
とデイスプレーサの位相差、デイスプレーサの振幅、圧
縮室と膨脹室の圧力差を制御対象として絞り部を制御す
ることにより最適性能を維持することができる。
Therefore, if a throttle mechanism is provided in front of and behind the regenerator and a pressure difference above and below the displacer is set to a certain level or more, the amplitude of the displacer can be secured. In addition, if this throttle mechanism that can electrically change the opening is adopted, the throttle part can be controlled by controlling the phase difference between the piston and the displacer, the amplitude of the displacer, and the pressure difference between the compression chamber and the expansion chamber. The optimum performance can be maintained by controlling.

〔作用〕[Action]

本発明の作用を解析的に検証してみる。デイスプレーサ
の運動方程式は式(1)で与られる。
The operation of the present invention will be verified analytically. The equation of motion for the displacer is given by equation (1).

Md+(Pe−Pc)Ad+kdx=0 …(1) ここで Md:デイスプレーサ質量 x:デイスプレーサ変位 Pe−Pc:デイスプレーサ前後の圧力差 Ad:デイスプレーサ断面積 kd:支持ばねのばね定数 圧力差Pe−Pcは、デイスプレーサとピストンとの速度、
および蓄冷器内等の流路損失により決まるから、 Pe−Pc=Cdd+Cpp …(2) ここで、Cdd:蓄冷器内の圧力損失を示す係数 Cpp:蓄冷器内の圧力損失を示す係数 y:ピストン変位 となる。なお(1)(2)式でダンピングによる損失分
は考慮していない。式(2)を式(1)に代入してピス
トン、デイスプレーサが位相差αをもつて正弦振動する
ものとすれば、 なお、ピストンとデイスプレーサとの正弦振動は式
(4)(5)であるものとした。
Md + (Pe-Pc) Ad + kdx = 0 (1) where Md: mass of displacer x: displacement of displacer Pe-Pc: pressure difference before and after displacer Ad: cross section of displacer kd: support spring Spring constant The pressure difference Pe-Pc is the speed between the displacer and piston,
And it is determined by the flow path loss in the regenerator, etc. Pe-Pc = Cdd + Cpp (2) where Cdd: Coefficient indicating the pressure loss in the regenerator Cpp: Coefficient indicating the pressure loss in the regenerator y: Piston It becomes a displacement. Note that the loss due to damping is not taken into consideration in equations (1) and (2). Substituting equation (2) into equation (1) and assuming that the piston and displacer sine-oscillate with a phase difference α, The sine vibration between the piston and the displacer is assumed to be the equations (4) and (5).

ここでωは角周波数、 は振動振幅、tは時間である。 Where ω is the angular frequency, Is the vibration amplitude and t is the time.

式(3)が任意の時間tに対して成り立つとすれば、式
(6)(7)となる。
If the equation (3) holds for an arbitrary time t, the equations (6) and (7) are obtained.

α=tan-1{M(ω−ωd2)/(CddωAd)} ……
(7) ここで、ωdは式(8)で表わされる。
α = tan −1 {M d2 −ω d 2 ) / (C dd ω Ad)} ......
(7) Here, ωd is expressed by equation (8).

ωd2=K/M ……(8) 一方、冷凍能力Qeは前記した公知例からもわかるように
式(9)となる。
ω d 2 = K d / M d (8) On the other hand, the refrigerating capacity Qe is given by the equation (9) as can be seen from the above-mentioned known example.

ここで、Z:圧力変化等による係数 以上示したように、蓄冷器での圧力損失により決定され
る係数CddおよびCppにより、ピストンとデイスプレーサ
との振動位相差αと、デイスプレーサの振幅は決めら
れる。
Here, Z: coefficient due to pressure change, etc.As shown above, the vibration phase difference α between the piston and the displacer and the amplitude of the displacer can be determined by the coefficients Cdd and Cpp determined by the pressure loss in the regenerator. Can be decided.

また、振動位相差αと振幅は式(9)に示すように冷
凍能力Qeを決定ずけるから蓄冷器前後の作動流体の圧力
差は、冷凍能力ひいては冷凍機効率に影響を及ぼす大き
な因子となる。したがつて、運転条件に見合い、本圧力
差を制御してやれば、冷凍機を最適動作点で作動させる
ことが可能となる。
Further, since the vibration phase difference α and the amplitude determine the refrigerating capacity Qe as shown in the equation (9), the pressure difference between the working fluid before and after the regenerator becomes a large factor that affects the refrigerating capacity and thus the refrigerator efficiency. . Therefore, if the pressure difference is controlled according to the operating conditions, the refrigerator can be operated at the optimum operating point.

そのためには、圧力差の制御が妥当であるか否かを判定
する基準として冷凍機の運転状態を示す物理量を観測す
る必要がある。
For that purpose, it is necessary to observe a physical quantity indicating the operating state of the refrigerator as a reference for determining whether the control of the pressure difference is appropriate.

その一つとして、まず直接に位相差を検知する方法が挙
げられる。すなわち、デイスプレーサ前後の圧力差と、
ピストン,デイスプレーサ間の振動位相差との関係をあ
らかじめ把握しておけば、最適運転状態での振動位相差
(目標振動位相差)に合わせるように絞り機構を調整す
ることにより性能の維持が可能になる。
One of them is a method of directly detecting the phase difference. That is, the pressure difference before and after the displacer,
If the relationship with the vibration phase difference between the piston and displacer is known in advance, performance can be maintained by adjusting the diaphragm mechanism to match the vibration phase difference (target vibration phase difference) in the optimum operating state. It will be possible.

さらに、圧力差とデイスプレーサの変化すなわち冷凍能
力との関係をあらかじめ把握しておけば、デイスプレー
サの変化を検出することにより圧力差を調整しても良
い。
Furthermore, if the relationship between the pressure difference and the change of the displacer, that is, the refrigerating capacity is grasped in advance, the pressure difference may be adjusted by detecting the change of the displacer.

このように、蓄冷器での圧力差すなわちデイスプレーサ
前後の圧力差を制御の対象とすれば、冷凍機の性能最適
点での運転が可能となる。
As described above, if the pressure difference in the regenerator, that is, the pressure difference before and after the displacer is controlled, it is possible to operate the refrigerator at the optimum performance point.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の各実施例を第1図ないし第7図を参照し
て説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 7.

まず、第1図は、本発明の一実施例に係るフリーピスト
ン形スターリング冷凍機の縦断面図である。
First, FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a free piston type Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.

第1図において、1は、作動流体、例えばヘリウムガス
を圧縮するためのピストン、2は、このピストン1を往
復動させるための直動電動機、例えばボイスコイルモー
タである。3は、作動流体を膨脹させるためのデイスプ
レーサ、4は、前記ピストン1およびデイスプレーサ3
を往復動せしめて前記作動流体の圧縮空間領域5および
膨脹空間領域6を形成するためのシリンダで、このシリ
ンダ4は、ピストン1が往復動して圧縮空間領域5を形
成する4a部、デイスプレーサ3が往復動して膨脹空間領
域6を形成する4b部、および圧縮空間領域5、膨脹空間
領域6間に位置する4c部からなつている。
In FIG. 1, reference numeral 1 is a piston for compressing a working fluid, for example, helium gas, and 2 is a linear motor for reciprocating the piston 1, for example, a voice coil motor. 3 is a displacer for expanding the working fluid, 4 is the piston 1 and the displacer 3
Is a cylinder for reciprocating to form a compression space region 5 and an expansion space region 6 of the working fluid. In this cylinder 4, a piston 4 reciprocates to form a compression space region 4a portion, a display. The sag 3 reciprocates to form an expansion space region 6b, and a compression space region 5 and an expansion space region 6c.

7は、圧縮空間領域5および膨脹空間領域6に作動流体
流路8を介して連通し、冷熱エネルギを回収するための
蓄冷器、9は、作動流体流路8に設けた流体の絞り手段
に係る絞り機構である。
Reference numeral 7 denotes a regenerator for communicating with the compression space region 5 and the expansion space region 6 via a working fluid flow passage 8 to collect cold energy, and 9 denotes a fluid throttling means provided in the working fluid flow passage 8. This is the diaphragm mechanism.

10は、シリンダ4c部にあつてデイスプレーサ3の往復動
を弾性支持する支持ばね、11は、ピストン1の往復動を
弾性支持するばね、12は冷却器である。
Reference numeral 10 is a support spring that elastically supports the reciprocating motion of the displacer 3 in the cylinder 4c portion, 11 is a spring that elastically supports the reciprocating motion of the piston 1, and 12 is a cooler.

このような冷凍機の作用を説明する。The operation of such a refrigerator will be described.

直動電動機2によりピストン1を図中上方に移動させる
ことにより圧縮空間領域5内の作動流体を圧縮する。圧
縮された作動流体は、シリンダ4c部から絞り機構9、蓄
冷器7を通り膨脹空間領域6内に流入するが、蓄冷器
7、絞り機構9での圧力損失により、膨脹空間領域6の
圧力は圧縮空間領域5の圧力より低くなるからデイスプ
レーサ3は上方に移動する。
The linear motion electric motor 2 moves the piston 1 upward in the figure to compress the working fluid in the compression space region 5. The compressed working fluid flows into the expansion space region 6 from the cylinder 4c through the expansion mechanism 9 and the regenerator 7. However, due to the pressure loss in the regenerator 7 and the expansion mechanism 9, the pressure in the expansion space region 6 is reduced. Since the pressure becomes lower than the pressure in the compression space region 5, the displacer 3 moves upward.

このとき、圧縮された作動流体に加えられた圧縮熱は冷
却器12で除去される。
At this time, the heat of compression applied to the compressed working fluid is removed by the cooler 12.

次に、ピストン1が下方に移動することにより圧縮空間
領域5の圧力は低下するため、膨脹空間領域6内の作動
流体は絞り機構9および蓄冷器7を通過し圧縮空間領域
5内に移動する。
Next, as the piston 1 moves downward, the pressure in the compression space region 5 drops, so the working fluid in the expansion space region 6 passes through the throttle mechanism 9 and the regenerator 7 and moves into the compression space region 5. .

このときは、前記した場合と逆に、圧力損失により膨脹
空間領域6の圧力が圧縮空間領域5の圧力より高くなる
ため、デイスプレーサ3は下方に移動する。このため、
作動流体の等温膨脹により外部から吸熱し膨脹空間領域
7内で冷凍作用を生じさせることになる。
At this time, contrary to the above case, the pressure in the expansion space region 6 becomes higher than the pressure in the compression space region 5 due to the pressure loss, so that the displacer 3 moves downward. For this reason,
The isothermal expansion of the working fluid absorbs heat from the outside and causes a refrigerating action in the expansion space region 7.

こうして、等温圧縮,定容積放熱,等温膨脹,定容積吸
熱の逆スターリングサイクルが成立つ。
Thus, the inverse Stirling cycle of isothermal compression, constant volume heat dissipation, isothermal expansion, and constant volume endotherm is established.

デイスプレーサ3の動きは、前述のように、圧力損失に
起因しているが、ピストン1との振動の位相差はデイス
プレーサ3の質量と支持ばね10のばね定数によつても影
響を受ける。いま、デイスプレーサ3および支持ばね10
の構造を決定したとすれば、振動位相差は蓄冷器7およ
び絞り機構9により決定されることになる。
As described above, the movement of the displacer 3 is caused by the pressure loss, but the phase difference of the vibration with the piston 1 is also influenced by the mass of the displacer 3 and the spring constant of the support spring 10. receive. Now, the displacer 3 and the support spring 10
If the structure is determined, the vibration phase difference is determined by the regenerator 7 and the throttle mechanism 9.

次に、第2図は、本発明の他の実施例に係るフリーピス
トン形スターリング冷凍機の部分断面図であり、第1図
における絞り機構9を可変絞り機構13に変えたものであ
る。図中、第1図と同符号のもの、および図示しない部
分は第1図と同一であるから、その説明を省略する。
Next, FIG. 2 is a partial sectional view of a free piston type Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention, in which the throttle mechanism 9 in FIG. 1 is replaced with a variable throttle mechanism 13. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 and parts not shown are the same as those in FIG. 1, and therefore their explanations are omitted.

第3図は、本発明の制御対象である圧力損失係数と各特
性との関係を示す線図である。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the pressure loss coefficient, which is the controlled object of the present invention, and each characteristic.

本実施例によれば、運転条件、例えば冷却器12における
冷却条件の変化、あるいは膨脹空間領域6に付設した熱
負荷すなわち被冷却体(図示せず)等が変化した場合
に、可変絞り機構13の絞り(開度)を調整し、要求され
る条件に冷凍サイクルを設定することができる。
According to this embodiment, the variable throttle mechanism 13 is operated when the operating condition, for example, the cooling condition in the cooler 12 changes, or the heat load attached to the expansion space region 6, that is, the cooled object (not shown) or the like changes. The refrigeration cycle can be set to the required conditions by adjusting the throttle (opening).

本操作をグラフで示せば第3図のようになる。This operation is shown in the graph of FIG.

第3図は、第2図に示した可変絞り機構13の絞りを調整
することにより、圧縮空間領域5から膨脹空間領域6に
至る流路の圧力損失係数の1つである、蓄冷器7内の圧
力損失を示す圧力損失係数Cddを変えた場合のデイスプ
レーサ変位、冷凍能力Qe、振動位相差αの変化を示し
たものである。
FIG. 3 shows the inside of the regenerator 7 which is one of the pressure loss coefficients of the flow path from the compression space region 5 to the expansion space region 6 by adjusting the throttle of the variable throttle mechanism 13 shown in FIG. 7 shows changes in the displacement of the displacer, the refrigerating capacity Qe, and the vibration phase difference α when the pressure loss coefficient C dd indicating the pressure loss is changed.

なお、圧力損失係数Cppを変えても特性はほぼ同様であ
るので、ここではCddのみについて示した。Cdd,Cppは、
さきに式(2)に示した係数である。第3図は、 駆動周波数、作動流体封入圧力を一定にした場合の特性
を示したものであり、これらが変化したときには第3図
に示す特性は変わることになる。図から明らかなよう
に、ある圧力損失係数のところで冷凍能力Qeは最大とな
り、また位相差α、デイスプレーサ変位は一義的に決
まる。すなわち、先に記したピストン変位,駆動周波
数,封入圧力などの運転条件の変位に対して、第3図に
示した冷凍機特性を把握しておけば、可変絞り機構13の
調整により圧力損失係数を設定することによつて最適状
態での冷凍機運転が可能となる。
Since the characteristics are almost the same even if the pressure loss coefficient Cpp is changed, only Cdd is shown here. Cdd and Cpp are
It is the coefficient shown in equation (2) above. Figure 3 shows The characteristics are shown when the driving frequency and the working fluid filling pressure are constant, and when these characteristics change, the characteristics shown in FIG. 3 change. As is clear from the figure, the refrigerating capacity Qe becomes maximum at a certain pressure loss coefficient, and the phase difference α and the displacer displacement are uniquely determined. That is, if the refrigerator characteristics shown in FIG. 3 are understood with respect to the displacement of the operating conditions such as the piston displacement, the drive frequency, and the filling pressure described above, the pressure loss coefficient can be adjusted by adjusting the variable throttle mechanism 13. By setting, it becomes possible to operate the refrigerator in the optimum state.

以上に説明した運転制御を、さらに精度よく実施する制
御手段を第4図ないし第6図に示す。
4 to 6 show a control means for more accurately implementing the operation control described above.

第4図ないし第6図は、いずれも本発明のさらに他の実
施例に係るフリーピストン形スターリング冷凍機の制御
系統図であり、第4図ないし第6図に図示を省略した冷
凍機本体部は第1図と同等である。また、第1図と同一
符号の部分は第1図の実施例と同等であるから、その説
明を省略する。
4 to 6 are all control system diagrams of a free piston type Stirling refrigerator according to still another embodiment of the present invention, and a refrigerator main body not shown in FIGS. 4 to 6 is shown. Is equivalent to FIG. Further, since the parts having the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those in the embodiment of FIG. 1, the description thereof will be omitted.

なお、これら各実施例は、先に記した封入圧力,駆動周
波数などの条件を一定とした場合について述べてある
が、これらが変動した場合についても、第3図に示した
情報をデータとして有していれば制御上、特に問題はな
い。また、通常は上記条件は一定の下で運転される。
Note that each of these examples describes the case where the conditions such as the enclosed pressure and the drive frequency described above are constant, but even when these conditions fluctuate, the information shown in FIG. 3 is used as data. If so, there is no particular problem in control. Moreover, the above-mentioned conditions are usually operated under constant conditions.

第4図の実施例は、デイスプレーサ3の変位xを検出
し、目標変位になるように可変絞り機構13を制御する
例である。
The embodiment shown in FIG. 4 is an example in which the displacement x of the displacer 3 is detected and the variable aperture mechanism 13 is controlled so as to attain the target displacement.

第4図において、14は、デイスプレーサ3の変位xを検
出するための変位検出手段であり、この変位検出手段14
は、差動トランスやギヤツプセンサを応用したものな
ど、さまざまなものが考えられるが、ここでは個々の検
出手段については問わない。
In FIG. 4, reference numeral 14 is a displacement detecting means for detecting the displacement x of the displacer 3.
Various types of devices can be considered, such as those applying a differential transformer or a gearup sensor, but the individual detecting means is not limited here.

15は、マイクロコンピユータなどの中央処理装置(以下
CPUという)、16は、CPU15の指令信号によつて可変絞り
機構13の絞りを制御する絞り機構駆動回路であり、CPU1
5、絞り機構駆動回路16をもつて演算制御手段を構成し
ている。
15 is a central processing unit such as a micro computer (hereinafter
CPU), 16 is a diaphragm mechanism drive circuit for controlling the diaphragm of the variable diaphragm mechanism 13 in response to a command signal from the CPU 15,
5. The calculation control means is constituted by the diaphragm mechanism drive circuit 16.

変位検出手段14が検出したデイスプレーサ3の変位x
が、あらかじめ設定した振動振幅である目標変位より
大きい場合、可変絞り機構13を開き圧力損失係数を小さ
くする。すなわち、第3図の線図で左方向に特性を移
す。前記変位xが、目標変位より小さい場合には逆に
可変絞り機構13を絞り込むことにより、圧力損失係数を
大きくし、第3図で右方向に特性を移す。
Displacement x of the displacer 3 detected by the displacement detecting means 14
However, if it is larger than the target displacement which is the vibration amplitude set in advance, the variable throttle mechanism 13 is opened to reduce the pressure loss coefficient. That is, the characteristics are shifted to the left in the diagram of FIG. When the displacement x is smaller than the target displacement, the variable throttle mechanism 13 is narrowed down to increase the pressure loss coefficient and shift the characteristic to the right in FIG.

本実施例によれば、蓄冷器の圧力損失を所望の状態に決
めることができる制御手段を備えているので、運転条件
に見合つたデイスプレーサ変位の最適状態で運転ができ
るため、冷凍負荷,圧縮流体の冷却など外的条件が変動
した場合でも性能を適正に維持できる効果がある。
According to the present embodiment, since the control means capable of determining the pressure loss of the regenerator to a desired state is provided, it is possible to operate in an optimal state of the displacer displacement corresponding to the operating condition. Even if external conditions such as cooling of the compressed fluid fluctuate, the performance can be properly maintained.

次に、第5図の実施例は、ピストン1の変位検出手段を
付加することにより、デイスプレーサ3との位置位相差
を検出し、振動位相差を制御目標として最適性能状態で
運転させようというものである。なお、第5図中、第4
図と同一符号の部分は、第4図の実施例と同等のもので
ある。
Next, in the embodiment shown in FIG. 5, by adding displacement detecting means for the piston 1, the position phase difference from the displacer 3 is detected, and the vibration phase difference is used as a control target to operate in an optimum performance state. That is. In addition, in FIG.
The parts having the same reference numerals as those in the figure are the same as those in the embodiment of FIG.

第5図において、17は、ピストン1の変位を検出するピ
ストン変位検出手段、18は、デイスプレーサの変位検出
手段14とピストン変位検出手段17とによつて、ピストン
1、デイスプレーサ3間の振動位相差を検出する位相差
検出回路である。
In FIG. 5, 17 is a piston displacement detecting means for detecting the displacement of the piston 1, and 18 is a displacement detecting means 14 and a piston displacement detecting means 17 for the displacer, which are provided between the piston 1 and the displacer 3. 2 is a phase difference detection circuit for detecting the vibration phase difference of.

位相差検出回路18、CPU15、絞り機構駆動回路16をもつ
て演算制御手段を構成している。
The phase difference detection circuit 18, the CPU 15, and the diaphragm mechanism drive circuit 16 constitute the arithmetic control means.

変位検出手段14が検出したデイスプレーサ3の変位とピ
ストン変位検出手段17が検出したピストン1の変位とか
ら、ピストン1とデイスプレーサ3との振動位相差αが
位相差検出回路8で検出される。この振動位相差αが目
標振動位相差αより大きければ、CPU15および絞り機
構駆動回路16の働きにより可変絞り機構13を絞り込んで
圧力損失係数を大きくし、第3図で右方向に特性を移
す。また、前記振動位相差αが目標振動位相差αより
小さければ、可変絞り機構13を開き圧力損失係数を小さ
くし、第3図で左方向に特性を移す。
From the displacement of the displacer 3 detected by the displacement detecting means 14 and the displacement of the piston 1 detected by the piston displacement detecting means 17, the vibration phase difference α between the piston 1 and the displacer 3 is detected by the phase difference detecting circuit 8. To be done. If this vibration phase difference α is larger than the target vibration phase difference α 0, the variable throttle mechanism 13 is narrowed down by the action of the CPU 15 and the throttle mechanism drive circuit 16 to increase the pressure loss coefficient, and the characteristic is shifted to the right in FIG. . If the vibration phase difference α is smaller than the target vibration phase difference α 0 , the variable throttle mechanism 13 is opened to reduce the pressure loss coefficient, and the characteristic is shifted to the left in FIG.

本実施例によれば、運転条件に見合つたピストン1とデ
イスプレーサ3との振動位相差で運転できるため、第4
図の実施例と同様の効果が期待される。
According to the present embodiment, the operation can be performed with the vibration phase difference between the piston 1 and the displacer 3 which is suitable for the operating condition.
The same effect as that of the embodiment shown in the figure is expected.

なお、第5図の実施例で、位相差検出回路18はさまざま
な方式が考えられるが、制御精度を満足するものであれ
ばいずれの方式でも差支えない。
In the embodiment of FIG. 5, various methods can be considered for the phase difference detection circuit 18, but any method can be used as long as it satisfies the control accuracy.

次に、第6図の実施例は、蓄冷器7、可変絞り機構13等
を間にはさんだ圧縮空間領域5と膨脹空間領域6との圧
力差を検出し可変絞り機構13を制御しようとするもので
ある。なお、第6図中、第4図と同一符号の部分は、第
4図の実施例と同等のものである。
Next, in the embodiment shown in FIG. 6, the variable throttle mechanism 13 is controlled by detecting the pressure difference between the compression space region 5 and the expansion space region 6 with the regenerator 7, variable throttle mechanism 13 and the like interposed therebetween. It is a thing. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG. 4 are equivalent to those in the embodiment of FIG.

第6図において、19は、圧縮空間領域5と膨脹空間領域
6との圧力差、すなわち蓄冷器7両側の作動流体の圧力
差を検出する差圧検出手段、20は、その検出圧力差から
蓄冷器7の圧力損失係数を演算する圧力損失係数演算回
路である。
In FIG. 6, 19 is a pressure difference detecting means for detecting the pressure difference between the compression space area 5 and the expansion space area 6, that is, the pressure difference between the working fluids on both sides of the regenerator 7, and 20 is the cold storage from the detected pressure difference. It is a pressure loss coefficient calculation circuit for calculating the pressure loss coefficient of the device 7.

圧力損失係数演算回路20、CPU15、絞り機構駆動回路16
をもつて、差圧検出手段19が検出する圧力差と、予め記
憶された圧力差と圧力損失係数との関係に従つて制御信
号を出力する演算制御手段を構成している。
Pressure loss coefficient calculation circuit 20, CPU15, throttle mechanism drive circuit 16
In addition, an arithmetic control unit that outputs a control signal in accordance with the pressure difference detected by the differential pressure detection unit 19 and the relationship between the pressure difference and the pressure loss coefficient stored in advance is configured.

圧力差は、ピストン1およびデイスプレーサ3の振動
(往復動)によつて変化する、すなわち、駆動周波数で
変動する量となる。この圧力差変位により、先に示した
式(2)によつて圧力差(Pe−Pc)と圧力損失係数Cdd,
Cppとの関係をあらかじめ把握しておけば、圧力損失を
可変絞り機構13によつて直接制御することにより圧力損
失係数を決定でき、最適性能状態での運転が可能にな
る。
The pressure difference changes due to the vibration (reciprocating motion) of the piston 1 and the displacer 3, that is, the amount of change in the drive frequency. By this pressure difference displacement, the pressure difference (Pe-Pc) and the pressure loss coefficient Cdd, according to the equation (2) shown above,
If the relationship with Cpp is grasped in advance, the pressure loss coefficient can be determined by directly controlling the pressure loss by the variable throttle mechanism 13, and the operation in the optimum performance state becomes possible.

第7図は、圧力損失と圧力損失係数との関係を示す線図
である。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between pressure loss and pressure loss coefficient.

第7図は、横軸に圧力損失、縦軸に蓄冷器通過流量Qを
とつており、破線Q0は基準となる通過流量、矢印を付し
た実線は圧力損失係数である。一定の通過流量に対して
圧力損失係数が大きくなると圧力損失が大きくなること
が、図から明らかである。
In FIG. 7, the horizontal axis represents the pressure loss and the vertical axis represents the regenerator flow rate Q, the broken line Q 0 is the reference flow rate, and the solid line with an arrow is the pressure loss coefficient. It is clear from the figure that the pressure loss increases as the pressure loss coefficient increases for a constant flow rate.

なお、前述の各実施例は、デイスプレーサ変位、ピスト
ン,デイスプレーサ間の振動位相差、蓄冷器両側の作動
流体の圧力差等を、それぞれ独立に検知して可変絞り機
構によつて蓄冷器通過流量を調整し、最適な圧力損失状
態を得るように制御する例を説明したが、本発明は、前
記独立の3つの制御手段に限るものではなく、これらの
制御手段の2つあるいはそれ以上を組合わせて可変絞り
機構を制御してもよい。
In each of the above-described embodiments, the displacement of the displacer, the vibration phase difference between the piston and the displacer, the pressure difference between the working fluids on both sides of the regenerator, etc. are detected independently and the variable throttle mechanism is used to store the cold energy. Although the example of adjusting the flow rate through the device and controlling so as to obtain the optimum pressure loss state has been described, the present invention is not limited to the above-mentioned three independent control means, and two or more of these control means may be used. The variable diaphragm mechanism may be controlled by combining the above.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように、本発明によれば、熱的に充分な蓄冷
器構造のもとで、負荷や圧縮空間領域内の作動流体冷却
状態が変化しても、ピストンとデイスプレーサとの振動
位相差や、デイスプレーサの振動振幅を最適値に保ち、
安定した冷凍能力,冷凍効率を保ちうるフリーピストン
形スターリング冷凍機を提供することができる。
As described above, according to the present invention, under the thermally sufficient regenerator structure, even if the working fluid cooling state in the load or the compression space region changes, the vibration between the piston and the displacer Keeping the phase difference and the vibration amplitude of the displacer at optimum values,
It is possible to provide a free piston Stirling refrigerator that can maintain stable refrigeration capacity and refrigeration efficiency.

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

第1図は、本発明の一実施例に係るフリーピストン形ス
ターリング冷凍機の縦断面図、第2図は、本発明の他の
実施例に係るフリーピストン形スターリング冷凍機の部
分断面図、第3図は、本発明の制御対称である圧力損失
係数と各特性との関係を示す線図、第4図ないし第6図
は、いずれも本発明のさらに他の実施例に係るフリーピ
ストン形スターリング冷凍機の制御系統図、第7図は、
圧力損失と圧力損失係数との関係を示す線図である。 1……ピストン、2……直動電動機、3……デイスプレ
ーサ、4……シリンダ、5……圧縮空間領域、6……膨
脹空間領域、7……蓄冷器、8……作動流体流路、9…
…絞り機構、13……可変絞り機構、14……変位検出手
段、15……CPU、16……絞り機構駆動回路、17……ピス
トン変位検出手段、18……位相差検出回路、19……差圧
検出手段、20……圧力損失係数演算回路。
1 is a vertical sectional view of a free piston Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partial sectional view of a free piston Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the pressure loss coefficient which is the control symmetry of the present invention and each characteristic, and FIGS. 4 to 6 are all free piston type Stirling according to still another embodiment of the present invention. Fig. 7 is a control system diagram of the refrigerator.
It is a diagram which shows the relationship between a pressure loss and a pressure loss coefficient. 1 ... Piston, 2 ... Linear motor, 3 ... Displacer, 4 ... Cylinder, 5 ... Compression space area, 6 ... Expansion space area, 7 ... Regenerator, 8 ... Working fluid flow Road, 9 ...
… Throttle mechanism, 13 …… Variable diaphragm mechanism, 14 …… Displacement detection means, 15 …… CPU, 16 …… Diffusion mechanism drive circuit, 17 …… Piston displacement detection means, 18 …… Phase difference detection circuit, 19 …… Differential pressure detection means, 20 ... Pressure loss coefficient calculation circuit.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】作動流体を圧縮するためのピストンと、こ
のピストンを往復動させるための直動電動機と、 作動流体を膨脹させるためのデイスプレーサと前記ピス
トンおよびデイスプレーサを往復動せしめて前記作動流
体の圧縮空間領域および膨脹空間領域を形成するための
シリンダと、前記圧縮空間領域および膨脹空間領域に連
通して冷熱エネルギを回収するための蓄冷器と、これら
の各要素を接続し逆スターリングサイクルを構成する作
動流体流路とからなるフリーピストン形スターリング冷
凍機において、前記蓄冷器の一端あるいは両端の作動流
体流路部に流体の絞り手段を設けたことを特徴とするフ
リーピストン形スターリング冷凍機。
1. A piston for compressing a working fluid, a linear motor for reciprocating the piston, a displacer for expanding the working fluid, and a reciprocating piston and displacer. A cylinder for forming a compression space region and an expansion space region of the working fluid, a regenerator for communicating cold and heat energy by communicating with the compression space region and the expansion space region, and connecting and connecting these elements to each other. A free-piston type Stirling refrigerator comprising a working fluid flow path constituting a Stirling cycle, characterized in that a working fluid flow path portion at one end or both ends of the regenerator is provided with a fluid throttling means. refrigerator.
【請求項2】特許請求の範囲第1項記載のものにおい
て、作動流体流路部に設ける流体の絞り手段を可変絞り
機構とし、この可変絞り機構の絞りを制御する制御手段
を備えたものであるフリーピストン形スターリング冷凍
機。
2. A variable throttle mechanism according to claim 1, wherein the fluid throttle means provided in the working fluid passage is a variable throttle mechanism, and a control means for controlling the throttle of the variable throttle mechanism is provided. A free piston Stirling refrigerator.
【請求項3】特許請求の範囲第2項記載のものにおい
て、可変絞り機構の制御手段は、少なくとも、デイスプ
レーサの変位検出手段を設け、その検出変位を、あらか
じめ設定した目標変位と比較して制御信号を出力する演
算制御手段を備えたものであるフリーピストン形スター
リング冷凍機。
3. The control means of the variable diaphragm mechanism according to claim 2, wherein at least displacement detecting means of the displacer is provided, and the detected displacement is compared with a preset target displacement. A free-piston Stirling refrigerator equipped with arithmetic control means for outputting a control signal.
【請求項4】特許請求の範囲第2項記載のものにおい
て、可変絞り機構の制御手段は、少なくとも、ピストン
変位検出手段とデイスプレーサ変位検出手段とを設け、
これら両変位検出手段により検出するピストン,デイス
プレーサ間の振動位相差を、あらかじめ設定した目標振
動位相差と比較して制御信号を出力する演算制御手段を
備えたものであるフリーピストン形スターリング冷凍
機。
4. The variable aperture mechanism control means according to claim 2, wherein at least a piston displacement detection means and a displacer displacement detection means are provided.
The free-piston type Stirling refrigerating machine is provided with arithmetic control means for comparing the vibration phase difference between the piston and the displacer detected by these displacement detection means with a preset target vibration phase difference and outputting a control signal. Machine.
【請求項5】特許請求の範囲第2項記載のものにおい
て、可変絞り機構の制御手段は、少なくとも、蓄冷器両
側の作動流体の圧力差を検出する差圧検出手段を設け、
その検出差圧と、予め記憶された圧力差と圧力損失係数
との関係に従つて制御信号を出力する演算制御手段を備
えたものであるフリーピストン形スターリング冷凍機。
5. The variable throttle mechanism control means according to claim 2, wherein at least differential pressure detection means for detecting a pressure difference between the working fluids on both sides of the regenerator is provided.
A free piston type Stirling refrigerator having arithmetic control means for outputting a control signal in accordance with the detected differential pressure and the relationship between the pressure difference and the pressure loss coefficient stored in advance.
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