JP2016053468A - refrigerator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、冷凍機に関する。 Embodiments described herein relate generally to a refrigerator.
一般に、スターリングサイクルの冷凍機として、図7に示す構成の装置が知られている。図7中で、参照符号aは蓄冷器である。この蓄冷器aを介して一端側に高温側の圧縮部b、他端側に低温側の膨張部cが配設されている。ここでは、圧縮部bには圧縮ピストンd、膨張部cには膨張ピストンeがそれぞれ配設されている。圧縮ピストンdと膨張ピストンeとは例えば膨張側で圧力と変位が90°位相となるような冷凍サイクルとして適切な変位位相差を保持した状態で駆動される。そして、図8の(1)〜(4)に示す動作が行われる。すなわち、図8の(1)に示すように圧縮ピストンdの移動により例えばヘリウムガスなどの作動媒体を圧縮する際に放熱する。続いて、図8の(2)に示すように圧縮ピストンdと膨張ピストンeとが容積を保ったまま軸方向に移動することで、圧縮された作動媒体が蓄冷器aを通ることで高圧のまま冷却される。その後、図8の(3)に示すように膨張ピストンeの移動により作動媒体を膨張させる際に作動媒体の温度が下がり、吸熱する。続いて、図8の(4)に示すように圧縮ピストンdと膨張ピストンeとが連動して軸方向に移動する際に作動媒体が蓄冷器aを通ることで蓄冷器aを冷却し、作動媒体の温度が上昇し、図8の(1)〜(4)に示す1サイクルが終了する。この1サイクルの過程で、膨張部cの膨張空間における作動媒体の膨張に伴って吸熱し、圧縮部bの圧縮空間における作動媒体の圧縮に伴って放熱する。さらに、膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体との熱交換によって膨張部cの膨張空間と圧縮部bの圧縮空間との間の温度差を維持する。これにより、低温側から高温側への熱輸送があり、低温側が冷凍される。通常は、圧縮、膨張ピストンを、ともに連続的な単振動で駆動し、両者の位相差を適切にとることで上記の冷凍サイクルを周期的に行う。 In general, an apparatus having a configuration shown in FIG. 7 is known as a refrigerator of a Stirling cycle. In FIG. 7, reference symbol a is a regenerator. Via this regenerator a, a high temperature side compression part b is arranged on one end side, and a low temperature side expansion part c is arranged on the other end side. Here, a compression piston d is disposed in the compression portion b, and an expansion piston e is disposed in the expansion portion c. The compression piston d and the expansion piston e are driven in a state where an appropriate displacement phase difference is maintained as a refrigeration cycle in which, for example, the pressure and the displacement have a 90 ° phase on the expansion side. Then, the operations shown in (1) to (4) of FIG. 8 are performed. That is, as shown in FIG. 8 (1), heat is dissipated when a working medium such as helium gas is compressed by the movement of the compression piston d. Subsequently, as shown in (2) of FIG. 8, the compression piston d and the expansion piston e move in the axial direction while maintaining the volume, so that the compressed working medium passes through the regenerator a to increase the pressure. It is cooled as it is. Thereafter, when the working medium is expanded by the movement of the expansion piston e as shown in (3) of FIG. 8, the temperature of the working medium decreases and absorbs heat. Subsequently, as shown in (4) of FIG. 8, when the compression piston d and the expansion piston e move in the axial direction in conjunction with each other, the working medium cools the regenerator a by passing through the regenerator a and operates. The temperature of the medium rises, and one cycle shown in (1) to (4) of FIG. 8 ends. In the process of this one cycle, heat is absorbed as the working medium expands in the expansion space of the expansion section c, and heat is dissipated as the working medium compresses in the compression space of the compression section b. Furthermore, the temperature difference between the expansion space of the expansion part c and the compression space of the compression part b is maintained by heat exchange with the working medium that reciprocates between the expansion space and the compression space. Thereby, there is heat transport from the low temperature side to the high temperature side, and the low temperature side is frozen. Usually, both the compression and expansion pistons are driven by continuous simple vibration, and the above-described refrigeration cycle is periodically performed by appropriately taking the phase difference between the two.
上記従来構成のスターリングサイクルの冷凍機では、圧縮ピストンdは仕事をして、膨張ピストンeは仕事を受ける構成になっている。このとき、膨張ピストンeの仕事のエネルギー回収が通常は困難である。そのため、冷凍機全体のエネルギー損失を小さくすることが難しく、運転効率の向上が難しい。 In the conventional Stirling cycle refrigerator, the compression piston d works and the expansion piston e receives work. At this time, it is usually difficult to recover the work energy of the expansion piston e. Therefore, it is difficult to reduce the energy loss of the entire refrigerator, and it is difficult to improve the operation efficiency.
本実施形態の課題は、冷凍機全体のエネルギー損失を小さくすることができ、運転効率の向上が図れる冷凍機を提供することにある。 The subject of this embodiment is providing the refrigerator which can reduce the energy loss of the whole refrigerator, and can aim at the improvement of operation efficiency.
実施形態によれば、圧縮膨張兼用部と、周波数調整手段と、位相調整手段と、温度センサと、制御部と、を有する。圧縮膨張兼用部は、圧力室内を仕切るダイアフラムの一面側の内部空間を圧縮器、その裏面側の内部空間を膨張器として機能させる。周波数調整手段は、ダイアフラムと、リング状の圧電素子を有する。圧電素子の変形動作に応じてダイアフラムの張力を変化させて圧力振動の振動周波数を調整する。位相調整手段は、パルスチューブと、一対の平面状の圧電素子とを有する。一対の圧電素子の変形動作に応じてパルスチューブのパイプ断面積とパイプ長を変更して圧力振動の振動位相を調整する。 According to the embodiment, the compression / expansion combined unit, the frequency adjusting unit, the phase adjusting unit, the temperature sensor, and the control unit are included. The compression / expansion combined portion functions as an internal space on one surface side of the diaphragm partitioning the pressure chamber as a compressor and an internal space on the back surface side as an expander. The frequency adjusting means has a diaphragm and a ring-shaped piezoelectric element. The vibration frequency of the pressure vibration is adjusted by changing the tension of the diaphragm according to the deformation operation of the piezoelectric element. The phase adjusting means has a pulse tube and a pair of planar piezoelectric elements. The vibration phase of the pressure vibration is adjusted by changing the pipe cross-sectional area and the pipe length of the pulse tube according to the deformation operation of the pair of piezoelectric elements.
[第1の実施の形態]
(構成)
図1乃至図5は、第1の実施の形態を示す。図1は、第1の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機1の概略構成を示す縦断面図である。図1中で、参照符号2は、真空断熱容器(冷凍槽)である。この真空断熱容器2の一端側に放熱器3が配設されている。
[First Embodiment]
(Constitution)
1 to 5 show a first embodiment. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a refrigerator 1 of the Stirling cycle according to the first embodiment. In FIG. 1, reference numeral 2 is a vacuum heat insulating container (freezer). A radiator 3 is disposed on one end side of the vacuum heat insulating container 2.
放熱器3の中心部には、外部圧縮器4が配設されている。この外部圧縮器4は、シリンダ4aと、このシリンダ4a内で往復移動するピストン4bとがそれぞれ設けられている。また、シリンダ4a内には、このシリンダ4aの基端部と、ピストン4bとの間に予圧ばね5が配設されている。本実施の形態では外部圧縮器4のシリンダ4aの外周部位には、モータステータ6が配設されている。ピストン4bには、図示しないモータマグネットと位置検出用のエンコーダとが配設されている。そして、モータステータ6とピストン4bのモータマグネットとにより、ピストン4bを軸方向(図1中で左右方向)に往復駆動するリニアモータMが構成されている。 An external compressor 4 is disposed at the center of the radiator 3. The external compressor 4 is provided with a cylinder 4a and a piston 4b that reciprocates within the cylinder 4a. A preload spring 5 is disposed in the cylinder 4a between the base end of the cylinder 4a and the piston 4b. In the present embodiment, a motor stator 6 is disposed on the outer peripheral portion of the cylinder 4 a of the external compressor 4. The piston 4b is provided with a motor magnet (not shown) and a position detection encoder. The motor stator 6 and the motor magnet of the piston 4b constitute a linear motor M that reciprocally drives the piston 4b in the axial direction (left-right direction in FIG. 1).
真空断熱容器2の内部には、外部圧縮器4とともにスターリングサイクルの冷凍機1を構成する4段の圧縮膨張兼用部7と、4つの蓄冷器8とが設けられている。4つの蓄冷器8は、例えば金属メッシュを多数積層させた積層体や、発抱金属、スチールウールなどのようにへリウムなどの作動媒体との熱交換によって蓄熱(蓄冷)作用を有する材料が充填されている。 Inside the vacuum heat insulating container 2, there are provided a four-stage compression / expansion combined portion 7 and four regenerators 8 that constitute the Stirling cycle refrigerator 1 together with the external compressor 4. The four regenerators 8 are filled with a material having a heat storage (cold storage) action by heat exchange with a working body such as helium, such as a laminated body in which a large number of metal meshes are laminated, metal hydrate, steel wool, and the like. Has been.
ここで、4段の圧縮膨張兼用部7は、外部圧縮器4側から順に第1の圧縮膨張兼用部7a、第2の圧縮膨張兼用部7b、第3の圧縮膨張兼用部7c、第4の圧縮膨張兼用部7dと表示する。そして、外部圧縮器4と第1の圧縮膨張兼用部7aとの間に第1の蓄冷器8a、第1の圧縮膨張兼用部7aと第2の圧縮膨張兼用部7bとの間に第2の蓄冷器8b、第2の圧縮膨張兼用部7bと第3の圧縮膨張兼用部7cとの間に第3の蓄冷器8c、第3の圧縮膨張兼用部7cと第4の圧縮膨張兼用部7dとの間に第4の蓄冷器8dがそれぞれ配置されている。 Here, the four-stage compression / expansion combined portion 7 includes the first compression / expansion combined portion 7a, the second compression / expansion combined portion 7b, the third compression / expansion combined portion 7c, and the fourth compression portion in order from the external compressor 4 side. It is displayed as a compression / expansion combined portion 7d. And between the external compressor 4 and the 1st compression / expansion combined part 7a, between the 1st regenerator 8a and the 1st compression / expansion combined part 7a and the 2nd compression / expansion combined part 7b, the 2nd Between the regenerator 8b, the second compression / expansion combined part 7b, and the third compression / expansion combined part 7c, the third regenerator 8c, the third compression / expansion combined part 7c, and the fourth compression / expansion combined part 7d A fourth regenerator 8d is arranged between the two.
また、4段の圧縮膨張兼用部7は、同一構成になっている。すなわち、圧縮膨張兼用部7は、圧力室9と、この圧力室9内を仕切るダイアフラム10とを有する。ダイアフラム10は、弾性を有した例えば金属薄膜または薄板からできている隔壁である。図2(A),(B)に示すようにダイアフラム10の外周部には、リング状の圧電素子11が固定されている。この圧電素子11の外周部は、圧力室9の周壁部に固定されている。これにより、圧電素子付きダイアフラム15が構成されている。この圧電素子付きダイアフラム15は、外周の圧電素子11の変位に応じて、ダイアフラム10の張力を変化できる。ダイアフラム10の中央部には共振周波数を合わせるための錘12が付加されている。なお、圧電素子11で共振周波数を調整できれば、錘12はなくても良い。 The four-stage compression / expansion combined portion 7 has the same configuration. That is, the compression / expansion combined portion 7 includes a pressure chamber 9 and a diaphragm 10 that partitions the inside of the pressure chamber 9. The diaphragm 10 is a partition made of, for example, a metal thin film or a thin plate having elasticity. As shown in FIGS. 2A and 2B, a ring-shaped piezoelectric element 11 is fixed to the outer periphery of the diaphragm 10. The outer peripheral portion of the piezoelectric element 11 is fixed to the peripheral wall portion of the pressure chamber 9. Thereby, the diaphragm 15 with a piezoelectric element is comprised. The diaphragm 15 with the piezoelectric element can change the tension of the diaphragm 10 in accordance with the displacement of the piezoelectric element 11 on the outer periphery. A weight 12 for adjusting the resonance frequency is added to the center of the diaphragm 10. Note that the weight 12 may be omitted as long as the resonance frequency can be adjusted by the piezoelectric element 11.
この圧縮膨張兼用部7は、圧力室9内のダイアフラム10の一面側の内部空間を圧縮器13、その裏面側の内部空間を膨張器14として機能させるものである。本実施の形態では、図1中で、圧力室9内のダイアフラム10の左側が圧縮器13、右側が膨張器14としてそれぞれ機能する。 The compression / expansion combined unit 7 functions as an internal space on one surface side of the diaphragm 10 in the pressure chamber 9 as a compressor 13 and an internal space on the back surface side as an expander 14. In the present embodiment, in FIG. 1, the left side of the diaphragm 10 in the pressure chamber 9 functions as the compressor 13 and the right side functions as the expander 14.
そして、圧電素子付きのダイアフラム15によって圧電素子11の変形動作に応じてダイアフラム10の張力を変化させて圧縮器13側と膨張器14側との圧力振動の振動周波数を調整する周波数調整手段が形成されている。 The diaphragm 15 with the piezoelectric element changes the tension of the diaphragm 10 in accordance with the deformation operation of the piezoelectric element 11 to form frequency adjusting means for adjusting the vibration frequency of the pressure vibration between the compressor 13 side and the expander 14 side. Has been.
また、外部圧縮器4と第1の蓄冷器8aとの間には圧縮側熱交換器16、第1の蓄冷器8aと1段目の第1の圧縮膨張兼用部7aとの間には膨張側熱交換器17がそれぞれ配設されている。圧縮側熱交換器16は、放熱器3に接続されている。さらに、1段目の第1の圧縮膨張兼用部7aと第2の蓄冷器8bとの間には圧縮側熱交換器18が配設されている。 Further, between the external compressor 4 and the first regenerator 8a, expansion is performed between the compression side heat exchanger 16 and between the first regenerator 8a and the first compression / expansion unit 7a at the first stage. Side heat exchangers 17 are respectively provided. The compression side heat exchanger 16 is connected to the radiator 3. Further, a compression side heat exchanger 18 is disposed between the first compression / expansion combined portion 7a and the second regenerator 8b.
第1の圧縮膨張兼用部7aの圧力室9の外側には、膨張側熱交換器17と圧縮側熱交換器18との間を接続する熱伝導部19が配設されている。この熱伝導部19は、熱伝導のよい材質で形成されている。さらに、熱伝導部19には、膨張側熱交換器17との接続部に温度センサ20が配設されている。 On the outside of the pressure chamber 9 of the first compression / expansion combined portion 7a, a heat conducting portion 19 that connects the expansion side heat exchanger 17 and the compression side heat exchanger 18 is disposed. The heat conducting portion 19 is made of a material having good heat conduction. Further, a temperature sensor 20 is disposed in the heat conduction part 19 at a connection part with the expansion side heat exchanger 17.
2〜4段目の第2〜4の圧縮膨張兼用部7b〜7dは、第1の圧縮膨張兼用部7aと同様に構成されている。ただし、4段目の第4の圧縮膨張兼用部7dは、熱伝導部19の先端が固定部材21に接続されている。この固定部材21の先端部には、例えばLNA(ローノイズアンプ)や、超伝導回路を含む電子回路などの冷却対象物22が固定されている。さらに、固定部材21には温度センサ20が配設されている。 The second to fourth compression / expansion combined parts 7b to 7d in the second to fourth stages are configured in the same manner as the first compression / expansion combined part 7a. However, in the fourth compression / expansion and combined portion 7d in the fourth stage, the tip of the heat conducting portion 19 is connected to the fixing member 21. A cooling object 22 such as an LNA (low noise amplifier) or an electronic circuit including a superconducting circuit is fixed to the distal end portion of the fixing member 21. Further, a temperature sensor 20 is disposed on the fixing member 21.
また、各段の圧縮膨張兼用部7の膨張器14側には、弾性を有した薄膜または薄板のパイプによって形成されているパルスチューブ23の一端が連結されている。このパルスチューブ23の他端側には、図3(A)に示すように例えば渦巻き状に巻回された巻回部23aが形成されている。この巻回部23aは、図3(B)に示すように離間対向配置された一対の平面状の圧電素子24a、24b間に挟持される状態で設置されている。一対の平面状の圧電素子24a、24bは、それぞれ固定壁部25a、25bに固定されている。固定壁部25a、25bの壁面から圧電素子24a、24bの変位に応じて、パルスチューブ23のパイプ断面がつぶれたり、引き伸ばされたりして、パルスチューブ23の断面積が変更できる。これにより、圧電素子付きパルスチューブ26が構成されている。パルスチューブ23の断面はベローズのような「ひだ」構造をとってもよい。 In addition, one end of a pulse tube 23 formed by an elastic thin film or thin pipe is connected to the expander 14 side of the compression / expansion combined portion 7 of each stage. On the other end side of the pulse tube 23, as shown in FIG. 3A, for example, a winding portion 23a wound in a spiral shape is formed. As shown in FIG. 3B, the winding portion 23a is installed in a state of being sandwiched between a pair of planar piezoelectric elements 24a and 24b that are spaced apart from each other. The pair of planar piezoelectric elements 24a and 24b are fixed to the fixed wall portions 25a and 25b, respectively. Depending on the displacement of the piezoelectric elements 24a, 24b from the wall surfaces of the fixed wall portions 25a, 25b, the pipe cross section of the pulse tube 23 is crushed or stretched, so that the cross sectional area of the pulse tube 23 can be changed. Thereby, the pulse tube 26 with a piezoelectric element is comprised. The cross section of the pulse tube 23 may have a “folded” structure like a bellows.
この圧電素子付きパルスチューブ26によって一対の圧電素子24a、24bの変形動作に応じてパルスチューブ23のパイプ断面積を変更して圧縮器13側と膨張器14側との圧力振動の位相を調整する位相調整手段が形成されている。 With this pulse tube with piezoelectric element 26, the pipe cross-sectional area of the pulse tube 23 is changed in accordance with the deformation operation of the pair of piezoelectric elements 24a and 24b to adjust the phase of pressure vibration between the compressor 13 side and the expander 14 side. Phase adjusting means is formed.
図4は、第1の実施の形態のスターリングサイクル冷凍機の制御系を示すブロック図である。図4に示すように外部圧縮器4のリニアモータMと、温度センサ20と、4段の圧縮膨張兼用部7のそれぞれの圧電素子付きダイアフラム15および圧電素子付きパルスチューブ26とは、CPUとその周辺回路からなるコントローラである制御部31に接続されている。この制御部31により、各段の圧縮膨張兼用部7および固定部材21の温度センサ20によって検出される温度と、各段の圧縮膨張兼用部7のダイアフラム10の振動周波数と位相とが検出される。このとき、各段の圧縮膨張兼用部7のダイアフラム10の振動周波数と位相とを検出するために、ダイアフラム10に付加されている圧電素子11をセンサとして用いる。圧電素子11は、適切な張力をダイアフラム10に与えるために静的な電圧を付加されている。これに外力が加わると圧電素子11の電圧に変動が生じる。これを制御部31で検知して、ダイアフラム10の外力、すなわち圧力振動の周波数と、位相を検出する。ダイアフラム10の外力のレベルは用いず、周波数と位相のみの検出なので、このような簡易な検出が可能である。 FIG. 4 is a block diagram illustrating a control system of the Stirling cycle refrigerator according to the first embodiment. As shown in FIG. 4, the linear motor M of the external compressor 4, the temperature sensor 20, the piezoelectric element-equipped diaphragm 15 and the piezoelectric element-equipped diaphragm 15 of each of the four stages of the compression / expansion unit 7 are the CPU and its It is connected to a control unit 31 which is a controller composed of peripheral circuits. The control unit 31 detects the temperature detected by the compression / expansion combined unit 7 of each stage and the temperature sensor 20 of the fixing member 21 and the vibration frequency and phase of the diaphragm 10 of the combined compression / expansion part 7 of each stage. . At this time, the piezoelectric element 11 added to the diaphragm 10 is used as a sensor in order to detect the vibration frequency and phase of the diaphragm 10 of the compression / expansion combined portion 7 of each stage. The piezoelectric element 11 is applied with a static voltage in order to give an appropriate tension to the diaphragm 10. When an external force is applied to this, the voltage of the piezoelectric element 11 varies. This is detected by the control unit 31 to detect the external force of the diaphragm 10, that is, the frequency and phase of pressure vibration. Since the level of the external force of the diaphragm 10 is not used and only the frequency and phase are detected, such a simple detection is possible.
そして、温度センサ20によって検出される温度と、ダイアフラム10の圧力振動の周波数と、位相の検出結果に応じて圧電素子付きダイアフラム15および圧電素子付きパルスチューブ26の制御が制御部31により、次のように行なわれる。 The control unit 31 controls the diaphragm 15 with the piezoelectric element and the pulse tube 26 with the piezoelectric element in accordance with the temperature detected by the temperature sensor 20, the frequency of the pressure vibration of the diaphragm 10, and the phase detection result. It is done as follows.
(1−1)膨張器14の圧力振動周波数<圧縮器13の圧力振動周波数のときの圧電素子付きダイアフラム15の制御
図2(A)に示すように圧電素子付きダイアフラム15の圧電素子11を収縮させる。これにより、図2(A)中に矢印で示すようにダイアフラム10に張力を与えて、圧電素子11の固有振動周波数をあげることができる。
(1-1) Control of diaphragm 15 with piezoelectric element when pressure vibration frequency of expander 14 <pressure vibration frequency of compressor 13 As shown in FIG. 2A, the piezoelectric element 11 of the diaphragm 15 with piezoelectric element contracts. Let As a result, as shown by the arrow in FIG. 2A, tension is applied to the diaphragm 10, and the natural vibration frequency of the piezoelectric element 11 can be increased.
(1−2)膨張器14の圧力振動周波数>圧縮器13の圧力振動周波数のときの制御
圧電素子付きダイアフラム15の圧電素子11を膨張させる。これにより、ダイアフラム10には、図2(A)中の矢印と逆方向の力が作用することで、ダイアフラム10の張力を緩めて、圧電素子11の固有振動周波数を下げることができる。
(1-2) Control when pressure vibration frequency of expander 14> pressure vibration frequency of compressor 13 The piezoelectric element 11 of the diaphragm 15 with a piezoelectric element is expanded. Thereby, a force in the direction opposite to the arrow in FIG. 2A acts on the diaphragm 10, whereby the tension of the diaphragm 10 can be relaxed and the natural vibration frequency of the piezoelectric element 11 can be lowered.
(2−1)膨張器14の圧力振動位相<圧縮器13の圧力位相−90度のときの圧電素子付きパルスチューブ26の制御
圧電素子付きパルスチューブ26の圧電素子24a、24bを収縮させる。これにより、パルスチューブ23には、図3(B)中の矢印と逆方向の力が作用することで、パルスチューブ23の断面積を縮小させる。この状態では、パルスチューブ23の内部を流れるガス流速を下げ、ガス慣性をさげることができるので、位相が進む。
(2-1) Control of Pulse Tube 26 with Piezoelectric Element when Pressure Vibration Phase of Expander 14 <Pressure Phase of Compressor 13 -90 Degrees The piezoelectric elements 24a and 24b of the pulse tube 26 with a piezoelectric element are contracted. As a result, a force in the direction opposite to the arrow in FIG. 3B acts on the pulse tube 23 to reduce the cross-sectional area of the pulse tube 23. In this state, the flow velocity of the gas flowing inside the pulse tube 23 can be lowered and the gas inertia can be reduced, so that the phase advances.
(2−2)膨張器14の圧力振動位相>圧縮器13の圧力位相−90度のときの制御
圧電素子付きパルスチューブ26の圧電素子24a、24bを膨張させる。これにより、図3(B)中に矢印で示すようにパルスチューブ23の断面積を拡大させる。この状態では、パルスチューブ23の内部を流れるガス流速を上げ、ガス慣性を高めることができるので、位相が遅れる。
(2-2) Control when Pressure Vibration Phase of Expander 14> Pressure Phase of Compressor 13 -90 Degrees The piezoelectric elements 24a and 24b of the pulse tube 26 with a piezoelectric element are expanded. Thereby, the cross-sectional area of the pulse tube 23 is enlarged as shown by an arrow in FIG. In this state, the flow velocity of the gas flowing inside the pulse tube 23 can be increased and the gas inertia can be increased, so that the phase is delayed.
(作用)
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態の冷凍機1の使用時には、外部圧縮器4のリニアモータMによってシリンダ4a内のピストン4bが駆動される。外部圧縮器4が駆動すると、蓄冷器8を通じてガスの圧力振動として4段の圧縮膨張兼用部7の各ダイアフラム10が圧力振動を起こす。このとき、4段の圧縮膨張兼用部7の各ダイアフラム10の圧縮器13側の面と膨張器14側の面の圧力変化に応じて、ダイアフラム10は受動的に駆動(振動)する。各ダイアフラム10の圧力振動は、蓄冷器8を通じてガスの圧力振動として冷凍機先端の膨張器14にまで伝達する。
(Function)
Next, the operation of the above configuration will be described. When the refrigerator 1 of the present embodiment is used, the piston 4b in the cylinder 4a is driven by the linear motor M of the external compressor 4. When the external compressor 4 is driven, each diaphragm 10 of the four-stage compression / expansion combined portion 7 causes pressure vibration as gas pressure vibration through the regenerator 8. At this time, the diaphragm 10 is passively driven (vibrated) according to the pressure change of the surface on the compressor 13 side and the surface on the expander 14 side of each diaphragm 10 of the four-stage compression / expansion combined portion 7. The pressure vibration of each diaphragm 10 is transmitted to the expander 14 at the tip of the refrigerator as gas pressure vibration through the regenerator 8.
ここで、圧縮器13側の圧力振動が、膨張器14側の圧力振動と同じ周波数で振動し、かつ位相が90度ずれていると、冷凍サイクルが成立する。そこで、本実施の形態では、4段の圧縮膨張兼用部7の圧電素子付きダイアフラム15と圧電素子付きパルスチューブ26で各段の圧縮膨張兼用部7のダイアフラム10の圧力振動の周波数と、位相コントロールをそれぞれ行う。これにより、外部圧縮器4のリニアモータM以外に駆動素子を持たない、受動的な(パッシブな)駆動をする多段冷凍機が構成される。 Here, when the pressure vibration on the compressor 13 side vibrates at the same frequency as the pressure vibration on the expander 14 side and the phase is shifted by 90 degrees, a refrigeration cycle is established. Therefore, in this embodiment, the frequency and phase control of the pressure vibration of the diaphragm 10 of the compression / expansion combined portion 7 of each stage by the diaphragm 15 with the piezoelectric element of the compression / expansion combined portion 7 of four stages and the pulse tube 26 with the piezoelectric element are controlled. Do each. Thereby, the multistage refrigerator which does not have a drive element other than the linear motor M of the external compressor 4 and performs passive (passive) drive is comprised.
冷凍サイクルが動作すると、各段の圧縮膨張兼用部7のダイアフラム10のガス温度は、温度差をもち、不均一になる。ガスは、温度によって密度などの物性値が異なるので、制御部31は、温度に応じて、ダイアフラム10の張力制御とパルスチューブ23の断面積制御を行なう。 When the refrigeration cycle is operated, the gas temperature of the diaphragm 10 of the compression / expansion combined unit 7 at each stage has a temperature difference and becomes non-uniform. Since gas has different physical properties such as density depending on temperature, the control unit 31 performs tension control of the diaphragm 10 and cross-sectional area control of the pulse tube 23 according to the temperature.
また、エネルギの観点からみると(図5参照)、外部圧縮器4からの運動エネルギは、冷凍サイクルに伴うダイアフラム10の圧力差における仕事に消費されるが、同時に、ばねによる弾性エネルギと、慣性による運動エネルギが、振幅に応じてエネルギ授受(共振)が平行して行われている。冷凍サイクルによるガス、ダイアフラム10の振動にともなうガスの粘性損失、ダイアフラム10、圧電素子11による内部損失、また、冷凍サイクルによって生じた温度差による熱エネルギの放熱という、エネルギの損失がある。 From the viewpoint of energy (see FIG. 5), the kinetic energy from the external compressor 4 is consumed by work in the pressure difference of the diaphragm 10 accompanying the refrigeration cycle, but at the same time, the elastic energy by the spring and the inertia The energy transfer (resonance) is performed in parallel according to the amplitude of the kinetic energy due to. There are energy losses such as gas loss due to refrigeration cycle, gas viscosity loss due to vibration of diaphragm 10, internal loss due to diaphragm 10 and piezoelectric element 11, and heat dissipation due to temperature difference caused by refrigeration cycle.
(効果)
上記構成の本実施の形態のスターリングサイクル冷凍機1の圧縮膨張兼用部7では、内部のダイアフラム10の協調駆動(同一周波数、位相90度ずれ)は、共振現象(ダイアフラム10の固有振動数の設定と、パルスチューブ23の断面積の設定により、周波数と位相の制御がされている)によっている。そのため、圧力室9の内部に、駆動アクチュエータとして使用する圧電素子を持たないことで、駆動アクチュエータの発熱による冷凍機損失を防止できる。圧電素子を駆動アクチュエータとして使用する場合は、電気機械変換ヒステリシスがもたらす往復運動による損失(=発熱)が大きい。これに対し、ダイアフラム10の共振現象を制御するために使用する圧電素子11の場合は静的な一定変位による単なる電気機械変換であり、この場合は損失(=発熱)は少ないことが知られている。
(effect)
In the compression / expansion combined section 7 of the Stirling cycle refrigerator 1 of the present embodiment having the above-described configuration, the cooperative driving (same frequency, 90 ° phase shift) of the internal diaphragm 10 causes the resonance phenomenon (setting of the natural frequency of the diaphragm 10). The frequency and phase are controlled by setting the cross-sectional area of the pulse tube 23). Therefore, by not having a piezoelectric element used as a drive actuator inside the pressure chamber 9, it is possible to prevent a refrigerator loss due to heat generated by the drive actuator. When the piezoelectric element is used as a drive actuator, the loss (= heat generation) due to the reciprocating motion caused by the electromechanical conversion hysteresis is large. On the other hand, in the case of the piezoelectric element 11 used for controlling the resonance phenomenon of the diaphragm 10, it is known that the electromechanical conversion is merely a static constant displacement, and in this case, the loss (= heat generation) is small. Yes.
したがって、ダイアフラム10を往復動させる駆動アクチュエータとして圧電素子を使用する場合は、圧電素子による損失(=発熱)が大きくなる。これに対し、本実施の形態の圧電素子付きダイアフラム15の圧電素子11や、圧電素子付きパルスチューブ26の圧電素子24a、24bのようにダイアフラム10の共振現象を制御するために使用する静的な一定変位駆動の設定用アクチュエータとして使用する場合は、損失(=発熱)が小さい。これにより、冷凍機全体のエネルギー損失を小さくすることができ、運転効率の向上が図れる冷凍機を提供することができる。 Therefore, when a piezoelectric element is used as a drive actuator for reciprocating the diaphragm 10, a loss (= heat generation) due to the piezoelectric element increases. On the other hand, the static element used for controlling the resonance phenomenon of the diaphragm 10 like the piezoelectric element 11 of the diaphragm 15 with a piezoelectric element of this embodiment and the piezoelectric elements 24a and 24b of the pulse tube 26 with a piezoelectric element. When used as a constant displacement drive setting actuator, loss (= heat generation) is small. Thereby, the energy loss of the whole refrigerator can be made small, and the refrigerator which can aim at the improvement of operating efficiency can be provided.
[変形例]
図6(A),(B)は、第1の実施の形態(図1乃至図5参照)のスターリングサイクル冷凍機1の圧電素子付きパルスチューブ26の変形例を示す。本変形例は、図6(B)に示すように一対の圧電素子24a、24bをそれぞれ複数の小型圧電素子41を並設させた圧電素子の集合体によって形成し、各小型圧電素子41を個別に制御可能にしたものである。これにより、パルスチューブ23の長さ方向に沿って、部分的に個別な制御を行うことができる。
[Modification]
6A and 6B show a modification of the pulse tube 26 with a piezoelectric element of the Stirling cycle refrigerator 1 of the first embodiment (see FIGS. 1 to 5). In this modification, as shown in FIG. 6B, a pair of piezoelectric elements 24a and 24b is formed by an assembly of piezoelectric elements in which a plurality of small piezoelectric elements 41 are arranged in parallel, and each small piezoelectric element 41 is individually provided. Can be controlled. Thereby, a partly individual control can be performed along the length direction of the pulse tube 23.
本変形例では、パルスチューブ23の管路の途中に、部分的に断面積を極端に小さくするような制御を行えば、見かけ上、パルスチューブ23の管路長を短く制御できる。これにより、パルスチューブ23の内部のガス流路となる管路長の変更を行うことができる。 In this modification, if the control is performed so that the cross-sectional area is partially made extremely small in the middle of the pipeline of the pulse tube 23, the pipeline length of the pulse tube 23 can be apparently controlled. Thereby, the change of the pipe length used as the gas flow path inside the pulse tube 23 can be performed.
また、パルスチューブ23の管路の途中を、まとめて一定長さだけ、断面積を拡大するような制御を行えば、見かけ上、パルスチューブ23内のチャンバとしてはたらく。
したがって、本変形例では、より精密な冷凍サイクルを実現することができる。
Further, if control is performed so that the cross-sectional area is enlarged by a certain length in the middle of the pipe tube of the pulse tube 23, it apparently functions as a chamber in the pulse tube 23.
Therefore, in this modification, a more precise refrigeration cycle can be realized.
これらの実施形態によれば、冷凍機全体のエネルギー損失を小さくすることができ、運転効率の向上が図れる冷凍機を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
According to these embodiments, it is possible to provide a refrigerator that can reduce the energy loss of the entire refrigerator and can improve the operation efficiency.
Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…スターリングサイクル冷凍機、2…真空断熱容器、3…放熱器、4…外部圧縮器、4a…シリンダ、4b…ピストン、5…予圧ばね、6…モータステータ、7…圧縮膨張兼用部、7a…第1の圧縮膨張兼用部、7b…第2の圧縮膨張兼用部、7c…第3の圧縮膨張兼用部、7d…第4の圧縮膨張兼用部、8…蓄冷器、8a…第1の蓄冷器、8b…第2の蓄冷器、8c…第3の蓄冷器、8d…第4の蓄冷器、9…圧力室、10…ダイアフラム、11…圧電素子、12…錘、13…圧縮器、14…膨張器、15…圧電素子付きダイアフラム(周波数調整手段)、16…圧縮側熱交換器、17…膨張側熱交換器、18…圧縮側熱交換器、19…熱伝導部、20…温度センサ、21…固定部材、22…冷却対象物、23…パルスチューブ、23a…巻回部、24a…圧電素子、24b…圧電素子、25a…固定壁部、25b…固定壁部、26…圧電素子付きパルスチューブ(位相調整手段)、31…制御部、41…小型圧電素子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Stirling cycle refrigerator, 2 ... Vacuum insulation container, 3 ... Radiator, 4 ... External compressor, 4a ... Cylinder, 4b ... Piston, 5 ... Preload spring, 6 ... Motor stator, 7 ... Compression / expansion combined part, 7a ... 1st compression / expansion combined part, 7b ... 2nd compression / expansion combined part, 7c ... 3rd compression / expansion combined use part, 7d ... 4th compression / expansion combined use part, 8 ... Regenerator, 8a ... 1st cold storage 8b ... second regenerator, 8c ... third regenerator, 8d ... fourth regenerator, 9 ... pressure chamber, 10 ... diaphragm, 11 ... piezoelectric element, 12 ... weight, 13 ... compressor, 14 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Expander, 15 ... Diaphragm with piezoelectric element (frequency adjusting means), 16 ... Compression side heat exchanger, 17 ... Expansion side heat exchanger, 18 ... Compression side heat exchanger, 19 ... Heat conduction part, 20 ... Temperature sensor , 21 ... fixing member, 22 ... cooling object, 23 ... pulse tube, 23a Winding portion, 24a ... piezoelectric element, 24b ... piezoelectric elements, 25a ... fixed wall portion, 25b ... fixed wall portion, 26 ... piezoelectric element with a pulse tube (phase adjusting means), 31 ... control unit, 41 ... small piezoelectric elements.
Claims (3)
前記圧縮部と前記膨張部との間に配設され、圧力室内を仕切るダイアフラムの一面側の内部空間を圧縮器、その裏面側の内部空間を膨張器として機能させる圧縮膨張兼用部と、
前記ダイアフラムの外周部位と、前記圧力室の周壁部との間に配設され、外周部が前記圧力室の周壁部に固定されるリング状の圧電素子を有し、前記圧電素子の変形動作に応じて前記ダイアフラムの張力を変化させて前記圧縮器側の圧力振動と前記膨張器側の圧力振動との振動周波数を調整する周波数調整手段と、
一端側が前記圧力室内の前記膨張器側に連通された弾性を有するパルスチューブと、前記パルスチューブを挟持する一対の平面状の圧電素子とを有し、前記一対の圧電素子の変形動作に応じて前記パルスチューブのパイプ断面積とパイプ長を変更して前記圧縮器側の圧力振動と前記膨張器側の圧力振動との振動位相を調整する位相調整手段と、
を有することを特徴とする冷凍機。 A Stirling cycle refrigerator in which a high temperature side compression unit is disposed on one end side via a regenerator, and a low temperature side expansion unit is disposed on the other end side,
A compression / expansion combined portion which is disposed between the compression portion and the expansion portion and functions as an internal space on one side of a diaphragm partitioning the pressure chamber, and an internal space on the back side thereof as an expander;
There is a ring-shaped piezoelectric element that is disposed between the outer peripheral portion of the diaphragm and the peripheral wall portion of the pressure chamber, and the outer peripheral portion is fixed to the peripheral wall portion of the pressure chamber. And a frequency adjusting means for adjusting the vibration frequency of the pressure vibration on the compressor side and the pressure vibration on the expander side by changing the tension of the diaphragm accordingly.
One end side has an elastic pulse tube communicated with the expander side in the pressure chamber, and a pair of planar piezoelectric elements sandwiching the pulse tube, and according to the deformation operation of the pair of piezoelectric elements Phase adjusting means for adjusting the vibration phase between the pressure vibration on the compressor side and the pressure vibration on the expander side by changing the pipe cross-sectional area and the pipe length of the pulse tube;
A refrigerator having the above.
前記温度センサの検出温度に応じて前記各段の前記周波数調整手段と前記位相調整手段を制御するコントローラを有することを特徴とする請求項2に記載の冷凍機。 Each of the multiple stages of the compression / expansion combined portion includes a temperature sensor,
The refrigerator according to claim 2, further comprising a controller that controls the frequency adjusting unit and the phase adjusting unit of each stage according to a temperature detected by the temperature sensor.
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