JPH0737860B2 - 冷凍機 - Google Patents

冷凍機

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JPH0737860B2
JPH0737860B2 JP1316974A JP31697489A JPH0737860B2 JP H0737860 B2 JPH0737860 B2 JP H0737860B2 JP 1316974 A JP1316974 A JP 1316974A JP 31697489 A JP31697489 A JP 31697489A JP H0737860 B2 JPH0737860 B2 JP H0737860B2
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JP
Japan
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cylinder
piston
compression chamber
chamber
low temperature
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JP1316974A
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信生 藤井
浩之 清田
好弘 片岸
武 宮澤
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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
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

Landscapes

  • Compressor (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

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(例えば77K
前後)に冷却するスターリング冷凍機に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
第3図に従来のスターリング冷凍機の構成例を示す。
第3図において,スターリング冷凍機は大きく分けて圧
縮機(1)とコールドフインガ(2)とこれらを結ぶ連
結管(3)より構成される。圧縮機(1)は第1のシリ
ンダ(4a)および第2のシリンダ(4b)と第1のピスト
ン(5a)および第2のピストン(5b)を有する。第1の
ピストン(5a)および第2のピストン(5b)は各々支持
ばね(6a),(6b)により位置決めされ,第1のシリン
ダ(4a)および第2のシリンダ(4b)内部を往復動する
構造となつている。
第1のピストン(5a)および第2のピストン(5b)には
各々非磁性材料からなる軽量の第1のスリーブ(7a)お
よび第2のスリーブ(7b)が連結され,スリーブ(7
a),(7b)には導電体を巻き付けて第1の可動コイル
(8a)および第2の可動コイル(8b)を形成する。可動
コイル(8a),(8b)はハウジング(9)の壁を通して
外部に伸びる第1のリード線(10a),(11b)及び第2
のリード線(11a),(11b)と接続している。これらの
リード線(10a),(10b),(11a),(11b)はハウジ
ング(9)の外側に第1の電気接点(12a),(12b)お
よび第2の電気接点(13a),(13b)を持つ。ハウジン
グ(9)内には永久磁石(14a),(14b)及びヨーク
(15a),(15b)が設けられており、これらは閉磁気回
路を構成している。可動コイル(8a),(8b)は永久磁
石(14)及びヨーク(15)からなる閉磁気回路に設けら
れた第1の間隙(16a),第2の間隙(16b)内でピスト
ン(5a),(5b)の軸線方向に往復運動できる構造にな
つている。間隙(16a),(16b)内には可動コイル(8
a),(8b)の運動方向を横切る半径方向に永久磁界が
存在する。
シリンダ(4a),(4b)およびピストン(5a),(5b)
でしきられた内部空間を圧縮室(17)と呼ぶ。圧縮室
(17)には例えばヘリウムなどの高圧の作動ガスが封入
されている。圧縮室(17)内の作動ガスがシリンダ(4
a)とピストン(5a)の隙間,および,シリンダ(4b)
とピストン(5b)の間隙を通過しないように,シリンダ
(4a)とピストン(5a)の隙間,および,シリンダ(4
b)とピストン(5b)の隙間には各々シール(28a),
(28b)が設けられている。以上が圧縮機(1)の構成
である。
一方、前記コールドフインガ(2)は円筒状の低温シリ
ンダ(18)および,共振ばね(19)により係合され,低
温シリンダ(18)内を摺動自在に往復するデイスプレー
サ(20)を有している。低温シリンダ(18)内部の空間
はデイスプレーサ(20)によつて2分割されており,デ
イスプレーサ(20)より上方の空間を低温室(21),下
方の空間を高温室(22)と呼ぶ。デイスプレーサ(20)
内部には再生器(23)とガス通過孔(24)が設けられ、
低温室(21)と高温室(22)は再生器(23)とガス通過
孔(24)を介して連通しており,再生器(23)内には例
えば銅の金網などの蓄冷材(25)が充填されている。低
温シリンダ(18)とデイスプレーサ(20)の隙間を作動
ガスが通過しないようにデイスプレーサ(20)と低温シ
リンダの隙間にはシール(26)が設けられている。コー
ルドフインガ(2)の各室には圧縮機(1)と同様に例
えばヘリウムなどの高圧の作動ガスが封入されている。
以上がコールドフインガ(2)の構成であり,圧縮機
(1)の圧縮室(17)と前記コールドフインガ(2)の
高温室(22)は,連結管(3)を介して連通している。
また,圧縮室(17),連結管(3)内部の空間,低温室
(21),高温室(22),再生器(23)及びガス通過孔
(24)は互いに連通しており,これらの室全体を総合し
て作動室(27)と呼ぶ。
上記のように構成された従来の冷凍機の動作について説
明する。
可動コイル(8a),(8b)に電気接点(12a),(12
b),(13a),(13b)およびリード線(10a),(10
b),(11a),(11b)を介して交番電流を印加する
と,可動コイル(8a),(8b)には各々間隙(16a),
(16b)中の永久磁界との相互作用により軸方向にロー
レンツ力が働く。その結果ピストン(5a),(5b),ス
リーブ(7a),(7b)および可動コイル(8a),(8b)
からなる組立体はピストン(5)の軸方向で左右に移動
する。
今第1の可動コイル(8a)と第2の可動コイル(8b)の
特性を同一にし,第1の間隙(16a)および第2の間隙
(16b)内の磁界の強さを等しくした条件で,第0の可
動コイル(8a),第2の可動コイル(8b)が互いに逆方
向に同振幅で振動するような正弦波電流を印加すると,
ピストン(5a),(5b)は互いに逆方向にシリンダ(4
a),(4b)の内部を往復運動し,圧縮室(17)から低
温室(21)に至る作動室(27)のガス圧力に正弦状の波
動を与える。
この正弦状の圧力波動に伴うデイスプレーサ(20)及び
再生器(23)を通過するガスの流量変化により,再生器
(23)を含むデイスプレーサ(20)はピストン(5a),
(5b)と同じ周波数かつ異なつた位相でコールドフイン
ガ(2)内を軸方向に往復する。
ピストン(5a),(5b)及びデイスプレーサ(20)が適
当な位相差を保つて運動するとき,作動室(27)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
知の熱学的サイクルを構成し,主として低温室(21)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,文献「Cryocoolers」
(G.Walker,Plenum Prese,New York,1983,PP.177〜12
3)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(5a),(5b)により圧縮された圧縮室(17)
内のガスは連結管(3)を経て流れる管に圧縮熱が冷却
され,高温室(23),再生器(23),ガス通過孔(24)
に流れ込む。作動ガスは,再生器(23)では半サイクル
前に蓄えられた冷熱により予冷され,低温室(21)内に
入る。そして,大部分の作動ガスが低温室(20)内に入
ると膨張が始まり,低温室(21)内に冷熱を発生する。
作動ガスは,次に逆の順序で再生器(23)に冷熱を放出
しながら流路を戻り圧縮室(17)内に入る。この時,コ
ールドフインガ(2)先端部から熱を奪いその外部を冷
却する。このようにして,大部分の作動ガスが圧縮室
(17)内に戻ると再び圧縮が始まり,次のサイクルに移
動する。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」が完成して冷熱が発生する。
〔発明が解決しようとする課題〕
前記のような従来装置には以下に述べるような課題があ
つた。すなわちピストン,可動コイル,スリーブからな
る組立体は支持ばねにより位置決めされているため,一
自由度のばね−質量振動系を構成することになる。第4
図は上記の振動系のモデル図である。図において,mは各
々のピストン,可動コイル,スリーブからなる組立体の
質量,kは支持ばねのばね定数,f0は振動系の共振周波数
を示している。f0はmおよびkにより, と示される。
よつて,例えば航空機や車両など外部より振動を受ける
環境に設置された場合,ピストン機軸方向にf=f0なる
成分を有する振動が従来装置に与えられた場合,ピスト
ン,可動コイル,スリーブからなる組立体は共振し,第
4図に示すように,第1のピストン,第2の可動コイ
ル,第1のスリーブからなる組立体,第2のピストン,
第2の可動コイル,第2のスリーブからなる組立体およ
び圧縮室内の作動ガスが一体となり同周期,同位相で振
動する。この共振では圧縮室内の作動ガスによる振動減
衰効果が存在しないため,共振倍率が大きく,振幅の大
きな振動となる。
したがつて,外部より受ける振動が大きくなると,振動
しているピストン,可動コイル,スリーブがハウジング
あるいはヨークと衝突し,騒音および部品の欠損が生じ
るという課題があつた。
この発明はかかる課題を解決するためになされたもので
あり,ばね一質量系の共振を減衰させるとともに騒音お
よび部品の欠損を防止することができる冷凍機を得るこ
とを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る冷凍機は,同軸上に配置された二つのシ
リンダの間に設けられた圧縮室を二分する隔壁と,二分
された圧縮室を連通させる連通管を備えることにより,
ピストン,可動コイル,スリーブ,支持ばねにより構成
されるばね−質量系の共振を,作動ガスが連通管を通過
する際に生じる抵抗力により減衰できるように構成した
ものである。
〔作用〕
この発明においては,同軸上に配置されたピストン,可
動コイル,スリーブ組立体が外部からの振動によつて共
振する場合,作動ガスは連通管を通つて片側の圧縮室よ
り他方の圧縮室に移動し連結管より管摩擦抵抗力および
流れの周囲による抵抗力を受け,これらの抵抗力が第2
図に示す様な振動モデルの振動減衰力として作用して共
振倍率が低下するため部品の衝突が発生しないので,騒
音および部品の欠損を防ぐことができる。
〔実施例〕
第1図は,この発明の一実施例を示す図である。図中
(1)〜(16),(18)〜(28)は従来装置と全く同じ
ものである。第1のシリンダ(4a)と第2のシリンダ
(4b)の間には隔壁(29)が設けられている。第1のシ
リンダ,第1のピストン,隔壁でしきられた空間を第1
の圧縮室(30),第2のシリンダ,第2のピストン,隔
壁(29)でしきられた空間を第2の圧縮室(31)と呼
ぶ。第1の圧縮室(30)と第2の圧縮室(31)は連通管
(32)により連通している。連通管(3)は連通管(3
2)に接続されることにより圧縮機(1)の第1の圧縮
室(30)および第2の圧縮室(31)とコールドフインガ
(2)の高温室(22)を連通させている。
このような装置においては、外部よりピストン(5a),
(5b)の機軸方向に、ピストン(5a),(5b),可動コ
イル(8a),(8b),スリーブ(7a),(7b)および支
持ばね(6a),(6b)により構成される一自由度のばね
−質量振動系の共振周波数に等しい周波数成分を有する
振動が与えられた場合,第1のピストン(5a),第1の
可動コイル(8a)および第1のスリーブ(7a)からなる
組立体と第2のピストン(5b),第2の可動コイル(8
b)および第2のスリーブ(7b)からなる組立体が同一
方向に揺動するのに伴い,作動ガスは第1の圧縮室(3
0)と第2の圧縮室(31)の間を連通管(32)を通つて
移動する。この時,作動ガスは連通管(32)より管摩擦
抵抗力および流れの屈曲による抵抗力を受け,これらの
抵抗力が振動減衰力として作用して共振倍率を低下させ
ることになる。第2図は上記の振動減衰機構の振動モデ
ル図である。第2図において,mは第1のピストン,第1
の可動コイルおよび第1のスリーブからなる組立体,あ
るいは,第2のピストン,第2の可動コイルおよび第2
のスリーブからなる組立体の質量,kは第1の支持ばね,
あるいは,第2の支持ばねのばね定数,cは上記の振動減
衰力による減衰係数を示している。上記の振動減衰機構
を現象により具体的に説明する。前記の管摩擦抵抗力お
よび流れの屈曲による抵抗力により第1の圧縮室(30)
と第2の圧縮室(31)に圧力差が発生し,この圧力差が
発生し,この圧力差が必ずピストン(5a),(5b),可
動コイル(8a),(8b),スリーブ(7a),(7b)の組
立体の移動を抑制する。方向に働くため振動を減衰する
ことになる。この結果,ピストン(5a),(5b),可動
コイル(8a),(8b),スリーブ(7a),(7b)がハウ
ジング(9)あるいはヨーク(15a),(15b)と衝突す
ることを防ぎ,騒音および部品の欠損をなくすことがで
きる。
一方,通常の動作,すなわち,作動ガスが第1の圧縮室
(30)および第2の圧縮室(31)と高温室(22)を往復
する過程においては,管摩擦抵抗力は流路が短い分だけ
小さく,また,流れの屈曲もないため作動ガスが連通管
(32)より受ける抵抗力は従来装置と変らないため性能
が低下するということはない。
なお,上記実施例では圧縮機(1)とコールドフインガ
(2)が連結管(3)を介して互いに分離された分離型
のスターリング冷凍機の場合について説明したが,コー
ルドフインガ(2)と圧縮機(1)が機械的に強く結合
された一体型のスターリング冷凍機であつても良く,上
記実施例と全く同様の効果を奏する。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明によれば,磁石と可動コイ
ルによりピストンを駆動する冷凍機の圧縮機内で,二つ
のシリンダの間に隔壁を設けることにより圧縮室を二分
し,二つの圧縮室を連通させる連通管を設けるという簡
単な構成により,外部からの振動に起因するピストン,
可動コイル,スリーブおよび支持ばねによつて構成され
るばね−質量系の共振を減衰させ,ピストン,シリン
ダ,スリーブがハウジングあるいはヨークと衝突するこ
とを防ぎ,衝突時の騒音および冷凍機構成部品の欠損を
なくすことができる。
【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凍機を示す断面
図,第2図はこの発明による振動の減衰モデルを示す
図,第3図は従来の冷凍機を示す断面図,第4図はピス
トン,可動コイル,スリーブおよび支持ばねによつて構
成されるばね−質量系の振動モデルを示す図である。図
において,(1)…圧縮機,(2)…コールドフイン
ガ,(3)…連結管,(4a),(4b)…シリンダ,(5
a),(5b)…ピストン,(6a),(6b)…支持ばね,
(7a)(7b)…スリーブ,(8a),(8b)…可動コイ
ル,(9)…ハウジング,(14a),(14b)…永久磁
石,(15a),(15b)…ヨーク,(16a),(16b)…間
隙,(17)…圧縮室,(22)…高温室,(27)…作動
室,(29)…隔壁,(30)…第1の圧縮室,(31)…第
2の圧縮室,(32)…連通管である。 なお,図中同一符号は同一,又は相当部分を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮澤 武 神奈川県鎌倉市上町屋730番地 三菱電機 エンジニアリング株式会社鎌倉事業所内 (56)参考文献 特開 昭64−63761(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに同軸上に配置された第1,第2のシリ
    ンダと、互いに対向し、磁石が作る磁束中に設けられ交
    番電流を流すことにより往復運動が可能な第1,第2の可
    動コイルと、前記第1の可動コイルに連結され、前記第
    1のシリンダの中を往復運動する第1のピストンと、前
    記第2の可動コイルに連結され、前記第2のシリンダの
    中を往復運動する第2のピストンと、前記第1のシリン
    ダ、前記第2のシリンダ、前記第1のピストン及び前記
    第2のピストンによって仕切られた圧縮室と、低温シリ
    ンダと、前記低温シリンダの内部を低温室と高温室とに
    分け、かつ前記低温シリンダ内部を摺動自在に往復する
    ディスプレーサと、前記ディスプレーサ内部に設けられ
    た再生器とを具備した冷凍機において、前記第1のシリ
    ンダと前記第2のシリンダの間に設けられ、前記圧縮室
    を第1の圧縮室と第2の圧縮室とに分ける隔壁および、
    前記第1の圧縮室と前記第2の圧縮室を連通させる連通
    管とを備えたことを特徴とする冷凍機。
JP1316974A 1989-12-06 1989-12-06 冷凍機 Expired - Lifetime JPH0737860B2 (ja)

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