JP6054079B2 - Stirling refrigerator - Google Patents

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Description

本発明は、冷凍性能および機械的な寿命の向上を図ったスターリング型冷凍機に関する。   The present invention relates to a Stirling refrigerator that has improved refrigeration performance and mechanical life.

スターリング型冷凍機は、熱力学的にカルノー効率と同じ冷凍効率が得られるため、高い冷凍効率が得られるという特徴を有している。そのため、液化等のキロワット（ｋＷ）級の高い冷凍能力が必要な大型冷凍機や、宇宙用等で小型軽量が必要なミリワット（ｍＷ）級の小型冷凍機として開発が進んでいる。一方、その中間の数ワットから数百ワット級の冷凍機では、エアコンのコンプレッサの流用により安価に製造が可能なギフォード・マクマホン（ＧＭ）型冷凍機が普及している。   The Stirling refrigerator has a feature that high refrigeration efficiency can be obtained because the same refrigeration efficiency as the Carnot efficiency is obtained thermodynamically. Therefore, development is progressing as a large-scale refrigerator requiring a high refrigeration capacity of kilowatt (kW) class such as liquefaction or a small-scale refrigerator of milliwatt (mW) class requiring small size and light weight for space use. On the other hand, Gifford McMahon (GM) type refrigerators that can be manufactured at low cost by diverting the compressor of an air conditioner are widely used as intermediate refrigerators of several watts to several hundreds of watts.

図６はスターリング型冷凍機として代表的なパルス管冷凍機の概略構成を示す図である。
周知のように、パルス管冷凍機は、シリンダーおよびピストンで構成された圧縮部と、パルス管で構成された膨張部とを蓄冷器を介して連通させ、シリンダー内を圧縮ピストンが往復してパルス管内のガスの圧縮および膨張を繰り返し行なうとともに、圧縮ピストンの移動とパルス管内のガスの圧縮・膨張との間に所定の位相差を持たせることにより、パルス管で構成された膨張部に寒冷を発生させるように構成されている。 FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a typical pulse tube refrigerator as a Stirling refrigerator.
As is well known, in a pulse tube refrigerator, a compression part composed of a cylinder and a piston and an expansion part composed of a pulse tube are communicated via a regenerator, and the compression piston reciprocates in the cylinder to pulse. By repeatedly compressing and expanding the gas in the tube, and by giving a predetermined phase difference between the movement of the compression piston and the compression and expansion of the gas in the pulse tube, it is possible to cool the expansion portion composed of the pulse tube. It is configured to generate.

以下、図６を参照してスターリング型パルス管冷凍機の詳細を説明する。
なお図６（ａ）は圧縮ピストン５の膨張時を、図６（ｂ）は圧縮時をそれぞれ示している。 The details of the Stirling pulse tube refrigerator will be described below with reference to FIG.
6A shows the expansion of the compression piston 5, and FIG. 6B shows the compression.

１は圧縮部を構成する圧縮ピストン５をシリンダー６内で往復動させるための外部駆動源として機能するリニアモータアクチュエータであり、円筒形状の電磁石２とその内部空間に移動可能に配置された永久磁石３とから構成され、電磁石２を交流で励磁すると、永久磁石３が軸方向に周期的に往復動し、この永久磁石３から駆動軸４を介して圧縮ピストン５がシリンダー６内で周期的に往復動するようになっている。圧縮ピストン５は、シリンダー６内で対向する高温熱交換器９の管板との間に圧縮部７を形成しているので、圧縮ピストン５の往復動によって圧縮部７の容積すなわち圧力変動が周期的に変化するようになっている。   Reference numeral 1 denotes a linear motor actuator that functions as an external drive source for reciprocating a compression piston 5 that constitutes a compression section within a cylinder 6, and is a cylindrical electromagnet 2 and a permanent magnet that is movably disposed in the internal space. 3, when the electromagnet 2 is excited with alternating current, the permanent magnet 3 periodically reciprocates in the axial direction, and the compression piston 5 periodically moves in the cylinder 6 from the permanent magnet 3 via the drive shaft 4. It is designed to reciprocate. Since the compression piston 5 forms a compression portion 7 between the tube plate of the high-temperature heat exchanger 9 facing in the cylinder 6, the volume of the compression portion 7, that is, the pressure fluctuation is cycled by the reciprocation of the compression piston 5. Changes.

圧縮部７の内部にはヘリウム等の冷媒ガス（作動ガス）が充填されており、この冷媒ガスは圧縮ピストン５の往復動により周期的な圧力変動を生じ、圧縮部７に連通して設けられた高温熱交換器９に導入される。冷媒ガスが圧縮されたことにより発生した圧縮熱は高温熱交換器９の外周に設けた放熱板１０を介して外部熱源に放熱される。   The compression unit 7 is filled with a refrigerant gas (working gas) such as helium, and this refrigerant gas is provided in communication with the compression unit 7 due to periodic pressure fluctuations caused by the reciprocating motion of the compression piston 5. Is introduced into the high-temperature heat exchanger 9. The compression heat generated by compressing the refrigerant gas is radiated to the external heat source via the heat radiating plate 10 provided on the outer periphery of the high temperature heat exchanger 9.

そして、高温熱交換器９を通過した高圧の冷媒ガスは、高温熱交換器９に連通して設けられた蓄冷器１１内に充填された蓄冷材１２の隙間を通り抜ける際に高圧状態を維持したまま蓄冷材１２と熱交換して冷却され、低温熱交換器１３を経て中空のパルス管で構成された膨張部１４へと導かれ、さらに、配管１５およびバッファタンク１６からなる位相制御機構に導かれる。配管１５の一部はオリフィス機能を有するように細管で構成され、この配管１５とバッファタンク１６とからなる位相制御機構によって、圧縮ピストン５の移動と膨張部１４内の冷媒ガスの圧縮・膨張との間の位相差を制御して、膨張部１４内に寒冷を発生させる。   The high-pressure refrigerant gas that has passed through the high-temperature heat exchanger 9 maintained a high-pressure state when passing through the gap of the regenerator material 12 filled in the regenerator 11 provided in communication with the high-temperature heat exchanger 9. As it is, it is cooled by exchanging heat with the regenerator material 12, passed through a low-temperature heat exchanger 13, led to an expansion section 14 composed of a hollow pulse tube, and further led to a phase control mechanism comprising a pipe 15 and a buffer tank 16. It is burned. A part of the pipe 15 is formed of a thin tube so as to have an orifice function, and the phase control mechanism including the pipe 15 and the buffer tank 16 moves the compression piston 5 and compresses / expands the refrigerant gas in the expansion portion 14. The phase difference between the two is controlled to generate cold in the expansion portion 14.

周囲温度より下がった冷媒ガスは、膨張部１４から低温熱交換器１３に戻る際に吸熱板（冷却ステージ）１７を介して外部の被冷却体の熱を奪い、さらに再び蓄冷器１１、高温熱交換器９で熱交換して温度が上昇し、圧縮部７へと戻る。 Refrigerant gas drops below the ambient temperature, through a heat absorption plate (cooling stage) 17 when returning from the expansion section 14 to the low temperature heat exchanger 13 removes heat of an external object to be cooled, further again regenerator 11, high temperature heat The heat is exchanged in the exchanger 9 and the temperature rises and returns to the compression unit 7.

ところで、図６の圧縮部７では、圧縮ピストン５とシリンダー６との間の摺動部にある程度の大きさのギャップが存在すると、圧縮された冷媒ガスはそのギャップを通り抜けて圧縮ピストン５の背面空間部にリークするために高い圧縮比を得ることができず、冷凍効率の低下を招く。   By the way, in the compression part 7 of FIG. 6, when a gap of a certain size exists in the sliding part between the compression piston 5 and the cylinder 6, the compressed refrigerant gas passes through the gap and the back surface of the compression piston 5 Since it leaks into the space, a high compression ratio cannot be obtained, resulting in a decrease in refrigeration efficiency.

この冷凍効率の低下を防止するために、圧縮ピストン５の外周部に環状の摺動シール８を嵌めるようにしているが、この摺動シール８は磨耗するために長時間の運転には限界がある。したがって、冷凍機を効率的に運転するためには、定期的に摺動シール８の交換等のメンテナンス作業が必要となる。   In order to prevent this reduction in refrigeration efficiency, an annular sliding seal 8 is fitted on the outer peripheral portion of the compression piston 5, but since this sliding seal 8 is worn, there is a limit to long-time operation. is there. Therefore, in order to operate the refrigerator efficiently, maintenance work such as periodic replacement of the sliding seal 8 is required.

図７は図６のパルス管冷凍機を改良したスターリング型パルス管冷凍機の例を示す概略構成図であり、摺動シール８を設けずにギャップの圧損によりリーク量を低減する構成のクリアランスシール方式の冷凍機の圧縮機部の構成を示す。
図７の場合、圧縮ピストン５とシリンダー６間のギャップをミクロンオーダーで管理をすることで、ギャップの圧損により圧縮ガスのリーク量を低減することができる。 FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing an example of a Stirling type pulse tube refrigerator improved from the pulse tube refrigerator of FIG. 6, and a clearance seal having a configuration in which the amount of leakage is reduced by gap loss without providing the sliding seal 8. The structure of the compressor part of the refrigerator of a system is shown.
In the case of FIG. 7, by managing the gap between the compression piston 5 and the cylinder 6 on the order of microns, the leak amount of the compressed gas can be reduced due to the pressure loss of the gap.

このクリアランスシール方式の冷凍機は磨耗部分が実質的にないために高寿命冷凍機として宇宙用等で採用されているが、一方でギャップ管理のために、圧縮ピストン５の往復動の直進性を精度よく保つため（圧縮ピストン５とシリンダー６が衝突しないため）に、円筒形電磁石２の両端部に複数枚の板バネ１８を配置し、かつ、圧縮ピストン５とシリンダー６間のギャップが圧縮ピストン５の円周方向に均一になるように精密な組立調整をしている。このように構成することで冷凍機の信頼性は大幅に向上するが、複雑な構成と精密な組立精度が必要なことから高コストとなり、かつ、圧縮ピストン５のストロークを増やすためには板バネ１８の直径を大きくせざるを得ず、この結果として冷凍機が大きくなるという課題があった。   This clearance seal type refrigerator is used for space use etc. as a long-life refrigerator because there is virtually no wear part, but on the other hand, the reciprocating motion of the compression piston 5 is improved for gap management. In order to maintain accuracy (so that the compression piston 5 and the cylinder 6 do not collide), a plurality of leaf springs 18 are arranged at both ends of the cylindrical electromagnet 2, and the gap between the compression piston 5 and the cylinder 6 is a compression piston. Precise assembly adjustment is performed so as to be uniform in the circumferential direction of 5. With this configuration, the reliability of the refrigerator is greatly improved. However, since a complicated configuration and precise assembly accuracy are required, the cost increases, and in order to increase the stroke of the compression piston 5, a leaf spring is required. There was a problem that the diameter of 18 had to be increased, and as a result, the refrigerator became larger.

特開平１１−２４６８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-2468 特開平１１−２４６９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-2469 特開平１１−２４７０号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-2470 特許第２９４３０３０号公報Japanese Patent No. 2943030 特開２００１−２４１７９５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-241895

耐久性に課題のある圧縮ピストン５の摺動シール８をなくすために設けた直進性の高い板バネ１８の構造は、複雑な構成と精密な加工および組立精度を必要としているため、スターリング型冷凍機の普及を妨げている要因の一つになっている。   Since the structure of the leaf spring 18 having high rectilinearity provided to eliminate the sliding seal 8 of the compression piston 5 having a problem in durability requires a complicated configuration and precise processing and assembly accuracy, the Stirling type refrigeration is required. This is one of the factors that hinder the spread of the machine.

そこで本発明は、上述した課題を解決するために、板バネ機構等の複雑な構成を採用せずに、高信頼性と低コストとを両立させることのできるスターリング型冷凍機を提供することを目的とするものである。   Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a Stirling refrigerator that can achieve both high reliability and low cost without employing a complicated configuration such as a leaf spring mechanism. It is the purpose.

上記の目的を達成するため、本発明によるスターリング型冷凍機は、 冷媒ガスが充填された圧縮部と、前記圧縮部に連通する高温熱交換器と、前記高温熱交換器に連通する蓄冷器と、前記蓄冷器に連通する低温熱交換器と、前記低温熱交換器に隣接する膨張部と、を備え、前記圧縮部側の圧力変動と前記膨張部側の圧力変動とに所定の位相差を設けるようにして前記膨張部に寒冷を発生させるようにしたスターリング型冷凍機において、前記圧縮部は、ほぼカップ形状に形成されたベローズの開口縁部を前記蓄冷器の外径と同径の外径を有する前記高温熱交換器の管板側の外周部に気密に取付けたことにより形成され、前記ベローズは、前記ベローズを構成する金属皮膜の厚みが均一の電着ベローズとして構成され、前記ベローズの閉塞板部に、周期的に往復動する第１の外部駆動源が取付けられ、前記ベローズ自体の圧縮および伸長により、前記圧縮部の容積が周期的に変動することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a Stirling refrigerator according to the present invention includes a compression unit filled with a refrigerant gas, a high-temperature heat exchanger that communicates with the compression unit, and a regenerator that communicates with the high-temperature heat exchanger. , and the low temperature heat exchanger communicating with the regenerator, an expansion portion adjacent to said cold heat exchanger, comprising a, a predetermined phase difference in the pressure fluctuation of the pressure variation and the expansion portion of the compression side In the Stirling refrigerator, in which the expansion part is provided to generate cold, the compression part has an opening edge of a bellows formed in a substantially cup shape with an outer diameter equal to the outer diameter of the regenerator. The bellows is formed as an electrodeposited bellows having a uniform thickness of a metal film constituting the bellows, and is formed by being hermetically attached to an outer peripheral portion on the tube plate side of the high-temperature heat exchanger having a diameter. Blocking plate part In addition, a first external drive source that reciprocates periodically is attached, and the volume of the compression portion varies periodically due to compression and expansion of the bellows itself .

本発明によるスターリング型冷凍機は、板バネ構成等の複雑な構成を採用しないので、高信頼性と低コストを両立させることができる。   Since the Stirling refrigerator according to the present invention does not employ a complicated configuration such as a leaf spring configuration, both high reliability and low cost can be achieved.

本発明の実施形態１に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The schematic block diagram of the Stirling type pulse tube refrigerator which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態２に係るスターリング型冷凍機の概略構成図。The schematic block diagram of the Stirling type refrigerator which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態３に係るスターリング型冷凍機の概略構成図。The schematic block diagram of the Stirling type refrigerator which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態４に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図。The schematic block diagram of the Stirling type pulse tube refrigerator which concerns on Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施形態３に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図。The schematic block diagram of the Stirling type pulse tube refrigerator which concerns on Embodiment 3 of this invention. 従来のスターリング型パルス管冷凍機の一例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows an example of the conventional Stirling type pulse tube refrigerator. 従来のスターリング型パルス管冷凍機の別の例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows another example of the conventional Stirling type pulse tube refrigerator.

以下、図面を参照して本発明に係るスターリング型冷凍機の実施形態について説明する。なお、各図を通して共通する要素、部品については同一符号もしくは関連符号を付けることによって重複する説明は適宜省略する。   Hereinafter, embodiments of a Stirling refrigerator according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the element and components which are common throughout each figure, the overlapping description is abbreviate | omitted suitably by attaching | subjecting the same code | symbol or a related code | symbol.

（実施形態１）
以下、図１を参照して実施形態１について説明する。
（構成）
図１は本実施形態１に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図であり、図１（ａ）は圧縮部７ａが膨張している状態を示し、図１（ｂ）は圧縮部７ａが圧縮されている状態を示す。
本実施形態１に係るスターリング型パルス管冷凍機は、図６および図７に示した従来例と同じ種類のスターリング型パルス管冷凍機であるが、以下の点で構造上異なっている。 (Embodiment 1)
Hereinafter, Embodiment 1 will be described with reference to FIG.
(Constitution)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a Stirling type pulse tube refrigerator according to the first embodiment. FIG. 1 (a) shows a state where the compression unit 7a is expanded, and FIG. 1 (b) shows a state where the compression unit 7a is expanded. Indicates the compressed state.
The Stirling type pulse tube refrigerator according to the first embodiment is the same type of Stirling type pulse tube refrigerator as the conventional example shown in FIGS. 6 and 7, but is structurally different in the following points.

すなわち、圧縮ピストン５、シリンダー６および高温熱交換器９の管板によって圧縮部７を構成する代わりに、ベローズ（以下、電着ベローズという）２０を高温熱交換器９の管板側に気密に取付けて内部に冷媒ガスを充填して圧縮部７ａを構成し、この電着ベローズ２０をリニアモータアクチュエータ等で構成された外部駆動源１（以下、後述する外部駆動源２３と区別するために、第１の外部駆動源１と呼称する）で圧縮および伸長を周期的に繰り返すことによって圧縮部７ａの容積変化（すなわち、圧力変動）を行なうように構成したことを特徴とするものである。その他の部品や要素は図６および図７に示したスターリング型パルス管冷凍機に使用したものと同じなので説明は省略する。   That is, instead of the compression piston 7, the cylinder 6, and the tube plate of the high temperature heat exchanger 9 constituting the compression unit 7, a bellows (hereinafter referred to as an electrodeposition bellows) 20 is airtightly connected to the tube plate side of the high temperature heat exchanger 9. It is attached and filled with a refrigerant gas to form a compression part 7a, and this electrodeposition bellows 20 is distinguished from an external drive source 1 (hereinafter referred to as an external drive source 23 described later) constituted by a linear motor actuator or the like. The first external drive source 1) is characterized in that the volume change (that is, pressure fluctuation) of the compression section 7a is performed by periodically repeating compression and expansion. The other parts and elements are the same as those used in the Stirling type pulse tube refrigerator shown in FIGS.

本実施形態１のスターリング型パルス管冷凍機で採用した電着ベローズ２０の形状は、軸方向の一方の端部を開口縁部２０１とし、他端部を閉塞板部２０２とし、そして中間部を蛇腹部としたほぼ円筒カップ形状に形成されている。そして、電着ベローズ２０の閉塞板部２０２の外側面は、第１の外部駆動源１と対向するように配置されてその中心部に駆動軸４が固定され、一方、開口縁部２０１は高温熱交換器９の管板側の外周部に気密に取付けられる。このように形成された電着ベローズ２０と高温熱交換器９との間の空間部にヘリウム等の冷媒ガスを充填することによって圧縮部７ａが形成される。 The shape of the electrodeposited bellows 20 employed in Stirling pulse tube refrigerator of the present embodiment 1, one end portion in the axial direction and opening edge portions 20 1, and the other end with the closing plate part 20 2, and the intermediate It is formed in a substantially cylindrical cup shape having a bellows portion. The outer surface of the closure panel portion 20 2 of the electrodeposited bellows 20, the drive shaft 4 is fixed to the central portion are disposed so as to face the first external drive source 1 and, on the other hand, the opening edge 20 1 Is airtightly attached to the outer periphery of the high temperature heat exchanger 9 on the tube plate side. The space between the electrodeposition bellows 20 thus formed and the high-temperature heat exchanger 9 is filled with a refrigerant gas such as helium to form the compression portion 7a.

次に、電着ベローズ２０の特徴について説明する。
電着ベローズ２０は、ベローズの蛇腹形状に合わせて製作されたマンドレルの表面にニッケル等の金属を電解メッキして必要十分な厚さの金属皮膜を形成させ、その後溶剤にてマンドレルだけを分解し取り除くことにより形成される（例えば、特開２００２−６０９８７号公報を参照）。電着ベローズ２０は成型ベローズと比較してベローズを構成する金属皮膜の厚みを均一に製造することができるため、ベローズの伸縮ストローク、伸縮回数と、繰り返し応力による機械的な寿命との相関を計算により割り出すことが容易であり、また、高信頼性、長寿命が要求される冷凍機への適用が可能である。さらに、ベローズの製造時に寿命の予測が可能である。またさらに、ベローズの形状は、成型ベローズに比較して自由度があり、かつ小型化も容易であるため、従来部品の加工精度で実現できなかった小型化も容易である。 Next, the characteristics of the electrodeposition bellows 20 will be described.
The electrodeposition bellows 20 is formed by electroplating a metal such as nickel on the surface of a mandrel manufactured in accordance with the bellows shape of the bellows to form a metal film having a necessary and sufficient thickness, and then only the mandrel is decomposed with a solvent. It is formed by removing (see, for example, JP-A-2002-60987 ). Electrodeposited bellows 20 can produce a uniform thickness of the metal film that forms the bellows compared to the molded bellows, so the correlation between the expansion stroke and expansion frequency of the bellows and the mechanical life due to repeated stress is calculated. And can be applied to a refrigerator that requires high reliability and long life. In addition, the lifetime can be predicted when the bellows is manufactured. Furthermore, the shape of the bellows is more flexible than a molded bellows and can be easily reduced in size. Therefore, it is easy to reduce the size of the bellows, which cannot be realized with the processing accuracy of conventional parts.

（作用）
第１の外部駆動源１の電磁石２を交流で励磁すると、電磁石２および永久磁石３間に発生する磁気吸引力または磁気反発力によって、永久磁石３は電磁石２の内部空間部を図示左右に周期的に往復動し、駆動軸４を介して電着ベローズ２０自体の圧縮および伸長を行なう。これによって圧縮部７ａの容積は、圧縮（図１（ｂ））と、膨張（図１（ａ））とを周期的に繰り返し、圧力変動が周期的に行なわれる。 (Function)
When the electromagnet 2 of the first external drive source 1 is excited with an alternating current, the permanent magnet 3 cycles the internal space of the electromagnet 2 in the left and right directions in the figure by the magnetic attractive force or magnetic repulsive force generated between the electromagnet 2 and the permanent magnet 3. The electrodeposition bellows 20 itself is compressed and extended through the drive shaft 4. As a result, the volume of the compression section 7a is cyclically repeated between compression (FIG. 1 (b)) and expansion (FIG. 1 (a)), and pressure fluctuations are periodically performed.

電着ベローズ２０の伸縮によって圧縮部７ａの容積が圧縮および膨張を周期的に繰り返すと、冷媒ガスは、圧縮・膨張を繰り返し、高温熱交換器９、蓄冷器１１、低温熱交換器１３、パルス管による膨張部１４を通り、配管１５およびバッファタンク１６からなる位相制御機構に達する一連の系の中を往復動する。   When the volume of the compression unit 7a is periodically compressed and expanded by the expansion and contraction of the electrodeposited bellows 20, the refrigerant gas repeats compression and expansion, and the high temperature heat exchanger 9, the regenerator 11, the low temperature heat exchanger 13, and the pulse It reciprocates in a series of systems that reach the phase control mechanism consisting of the pipe 15 and the buffer tank 16 through the expansion section 14 by the pipe.

その際、配管１５およびバッファタンク１６からなる位相制御機構は、圧縮部７ａからほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って送り出された流体の圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させる。その結果、パルス管で構成した膨張部１４内で圧力と流量との間に位相差が生じ、膨張部１４内に寒冷を発生させる。   At that time, the phase control mechanism including the pipe 15 and the buffer tank 16 generates a phase difference between the pressure change and the flow rate change of the fluid sent out from the compression unit 7a with a substantially sinusoidal pressure amplitude. As a result, a phase difference is generated between the pressure and the flow rate in the expansion portion 14 constituted by a pulse tube, and cold is generated in the expansion portion 14.

以上のように、本実施形態１によるスターリング型パルス管冷凍機は、第１の外部駆動源１の永久磁石３を周期的に往復動させて、電着ベローズ２０の容積を圧縮、伸長させることにより圧縮部７ａ内に充填した冷媒ガスを周期的に圧縮および膨張させ、パルス管で構成した膨張部１４内の冷媒ガスの圧力変化と流量変化との間で位相差を生じさせて、膨張部１４内に寒冷を発生させる。   As described above, the Stirling pulse tube refrigerator according to the first embodiment compresses and expands the volume of the electrodeposited bellows 20 by periodically reciprocating the permanent magnet 3 of the first external drive source 1. The refrigerant gas filled in the compression part 7a is periodically compressed and expanded by the above, and a phase difference is generated between the pressure change and the flow rate change of the refrigerant gas in the expansion part 14 constituted by the pulse tube, and the expansion part Cold is generated in 14.

（効果）
以上述べたように、本実施形態１のスターリング型パルス管冷凍機は、板バネ機構等の複雑な構成を採用していないので、高信頼性と低コストを両立させることができる。また、シリンダーおよびピストンによる従来の圧縮部に替えて、ベローズによる圧縮部を形成したので、摺動シール部がなく、かつ圧縮部の気密性に優れているため、磨耗やリークによる冷凍性能の劣化はほとんど生じない。さらに、ベローズとして均一な板厚に製作可能な電着ベローズを採用したので、機械的な寿命が大幅に向上させることができる。さらにまた、冷媒ガスを充填している圧縮部その他の部品をすべて金属で構成することが可能であるため、冷媒ガスの充填前に、アウトガス低減のためのベーキング処理（加熱＋真空引き）を容易に行うことができ、アウトガスによる冷媒不純物の発生による冷凍性能の劣化も抑えることができる。 (effect)
As described above, since the Stirling pulse tube refrigerator of the first embodiment does not employ a complicated configuration such as a leaf spring mechanism, it is possible to achieve both high reliability and low cost. In addition, since the compression part by the bellows is formed instead of the conventional compression part by the cylinder and the piston, there is no sliding seal part and the compression part has excellent airtightness, so the refrigeration performance deteriorates due to wear and leaks. Hardly occurs. Furthermore, since an electrodeposited bellows that can be manufactured with a uniform thickness is employed as the bellows, the mechanical life can be greatly improved. Furthermore, the compression part and other parts filled with refrigerant gas can be made of metal, so baking processing (heating + evacuation) to reduce outgas is easy before filling refrigerant gas. And the deterioration of the refrigerating performance due to generation of refrigerant impurities due to outgas can be suppressed.

このように、本実施形態１によるスターリング型パルス管冷凍機は、従来機に比較して性能を維持する寿命を大幅に向上させることができる。   As described above, the Stirling pulse tube refrigerator according to the first embodiment can greatly improve the life of maintaining the performance as compared with the conventional machine.

（実施形態１の変形例）
なお、図１では位相制御機構として配管１５がオリフィス機能を備えた例を示したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、ダブルインレット式、ダブルピストン式、ネックチューブ式等の他の位相制御機構を採用しても差し支えない。 (Modification of Embodiment 1)
1 shows an example in which the pipe 15 has an orifice function as a phase control mechanism, but the present embodiment is not limited to this, for example, a double inlet type, a double piston type, a neck tube type, etc. Other phase control mechanisms may be employed.

（実施形態２）
以下、図２を参照して実施形態２について説明する。
図２は本実施形態２に係るスターリング型冷凍機の概略構成図である。
本実施形態２は、前述の実施形態１で採用した中空のパルス管で構成した膨張部１４の代わりに、前述した電着ベローズ２０と同様に円筒カップ形状に形成され電着ベローズ２１を低温熱交換器１３の管板に気密に取付けて膨張部２２を構成し、この電着ベローズ２１の閉塞板部の外側面に前記第１の外部駆動源１と同じリニアモータアクチュエータで構成された第２の外部駆動源２３の駆動棒２６を取付け、この第２の外部駆動源２３によって圧縮部７ａ側の圧力変動の位相に対して、膨張部２２側の圧力変動の位相を所定の位相差だけ保つように制御して膨張部２２で寒冷を発生させる構成としたものである。なお、２４、２５はそれぞれ第２の外部駆動源２３を構成する円筒形の電磁石および永久磁石である。 (Embodiment 2)
Hereinafter, Embodiment 2 will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a Stirling refrigerator according to the second embodiment.
In the second embodiment, instead of the expansion portion 14 constituted by the hollow pulse tube employed in the first embodiment, the electrodeposition bellows 21 is formed at a low temperature by being formed in a cylindrical cup shape like the electrodeposition bellows 20 described above. exchanger 13 attached hermetically to the tube plate constitute an expansion portion 22, the second comprised of the first same linear motor actuator to an external drive source 1 to the outer surface of the closing plate part of the electrodeposited bellows 21 The drive rod 26 of the external drive source 23 is attached, and the second external drive source 23 keeps the phase of the pressure fluctuation on the expansion section 22 side by a predetermined phase difference from the phase of the pressure fluctuation on the compression section 7a side. In this way, the expansion part 22 is configured to generate cold. Reference numerals 24 and 25 denote cylindrical electromagnets and permanent magnets constituting the second external drive source 23, respectively.

本実施形態２のスターリング型冷凍機は、膨張部２２側の第２の外部駆動源２３で、圧縮器７ａ側の第１の外部駆動源１とは所定の位相差を保って電着ベローズ２１を往復動させることにより、実施形態１における配管１５とバッファタンク１６とから構成された位相制御機構と同様に膨張部２２内に寒冷を発生させることができる。   The Stirling refrigerator of the second embodiment is a second external drive source 23 on the expansion section 22 side, and maintains a predetermined phase difference from the first external drive source 1 on the compressor 7a side, and the electrodeposition bellows 21. As the phase control mechanism configured by the pipe 15 and the buffer tank 16 in the first embodiment is used, it is possible to generate cold in the expansion portion 22.

（実施形態３）
以下、図３を参照して実施形態３について説明する。
図３は本実施形態３に係るスターリング型冷凍機の概略構成図である。
本実施形態３は、前述した実施形態２の膨張器２２の容積を変化させる手段として、第２の外部駆動源２３の代わりに、適切に調整された位相シフト用重り２７を電着ベローズ２１の閉塞板部の外側面に固定するようにしたものである。 (Embodiment 3)
Hereinafter, Embodiment 3 will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a Stirling refrigerator according to the third embodiment.
In the third embodiment, as a means for changing the volume of the expander 22 of the second embodiment, an appropriately adjusted phase shift weight 27 is used instead of the second external drive source 23 in the electrodeposition bellows 21. This is fixed to the outer surface of the closing plate.

本実施形態３のスターリング型冷凍機は、リニアモータアクチュエータ等の外部駆動源を用いなくても、簡便な調整重り２７によって圧縮部７ａの圧力変動と膨張器２２の圧力変動とに適切な位相差をもたせて寒冷発生量の最適化を図ることができる。   The Stirling type refrigerator of the third embodiment is suitable for the pressure fluctuation of the compression unit 7a and the pressure fluctuation of the expander 22 by a simple adjustment weight 27 without using an external drive source such as a linear motor actuator. It is possible to optimize the amount of cold generation.

（実施形態４）
以下、図４を参照して実施形態４について説明する。
図４は本実施形態４に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図である。
本実施形態４に係るスターリング型パルス管冷凍機は、図１のスターリング型冷凍機と同じ種類のスターリング型パルス管冷凍機であるが、図１のスターリング型冷凍機と異なる点は、電着ベローズ２０および第１の外部駆動源１を圧力容器２８で一体的に包囲し、その圧力容器２８の内部空間にガスを充填することを特徴とするものである。 (Embodiment 4)
Hereinafter, Embodiment 4 will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a Stirling type pulse tube refrigerator according to the fourth embodiment.
The Stirling-type pulse tube refrigerator according to the fourth embodiment is the same type of Stirling-type pulse tube refrigerator as the Stirling-type refrigerator shown in FIG. 1, but is different from the Stirling-type refrigerator shown in FIG. 20 and the first external drive source 1 are integrally surrounded by a pressure vessel 28, and the internal space of the pressure vessel 28 is filled with gas.

この圧力容器２８内には、冷凍機と同じヘリウム等の冷媒ガスを充填してもよく、あるいは、別の種類のガス（空気等）でもよい。冷媒ガスと同じ種類のガスの場合は、冷凍機内に充填する冷媒と同様に初期充填し、バルブ等により封止して冷凍機内とは別の空間とするか、あるいは圧損をつけて連結し、常に平均圧力が冷凍機内と同じようにしておくことができる。   The pressure vessel 28 may be filled with a refrigerant gas such as helium, which is the same as that of the refrigerator, or may be another type of gas (air or the like). In the case of the same type of gas as the refrigerant gas, it is initially charged in the same manner as the refrigerant to be filled in the refrigerator, and sealed with a valve or the like to make a separate space from the inside of the refrigerator, or connected with pressure loss, The average pressure can always be the same as in the refrigerator.

このように、電着ベローズ２０および第１の外部駆動源１を圧力容器２８で一体的に包囲し、その圧力容器２８の内部空間にガスを充填した構成とすることで、電着ベローズ２０に加える駆動力を低減させることができる。その理由は、電着ベローズ２０の内部空間（圧縮部７ａ）と外部空間との差圧が減少するためである。なお、外側空間の圧力を内部空間（圧縮部７ａ）よりも若干高い圧力に保持すると、電着ベローズ２０には外周からの差圧が加わるため、電着ベローズ２０の往復動が安定化するという長所がある。   As described above, the electrodeposition bellows 20 and the first external drive source 1 are integrally surrounded by the pressure vessel 28 and the internal space of the pressure vessel 28 is filled with the gas. The applied driving force can be reduced. The reason is that the differential pressure between the internal space (compression portion 7a) of the electrodeposition bellows 20 and the external space decreases. If the pressure in the outer space is kept slightly higher than that in the inner space (compressing portion 7a), a differential pressure from the outer periphery is applied to the electrodeposited bellows 20, so that the reciprocating motion of the electrodeposited bellows 20 is stabilized. There are advantages.

以上述べたように、本実施形態４のスターリング型パルス管冷凍機によれば、第１の外部駆動源１を圧力容器２８で一体的に包囲するようにしたので、第１の外部駆動源１の駆動力を低下させることができ、冷凍効率を向上させることができる。また、電着ベローズ２０の内部空間（圧縮部７ａ）の圧力よりも外側の圧力を高めることにより、安定した運転が可能となる。   As described above, according to the Stirling type pulse tube refrigerator of the fourth embodiment, since the first external drive source 1 is integrally surrounded by the pressure vessel 28, the first external drive source 1 The driving force can be reduced, and the refrigeration efficiency can be improved. Moreover, the stable driving | operation is attained by raising the pressure outside the pressure of the internal space (compression part 7a) of the electrodeposition bellows 20. FIG.

（実施形態５）
以下、図５を参照して実施形態５について説明する。
図５は本実施形態５に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図であり、図５（ａ）は圧縮部７ａが膨張している状態を示し、図５（ｂ）は圧縮部７ａが圧縮されている状態を示す。 (Embodiment 5)
Hereinafter, Embodiment 5 will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a Stirling pulse tube refrigerator according to the fifth embodiment. FIG. 5A shows a state where the compression unit 7a is expanded, and FIG. 5B shows a state where the compression unit 7a is expanded. Indicates the compressed state.

本実施形態５に係るスターリング型パルス管冷凍機は、図１のスターリング型冷凍機と同じ種類のスターリング型パルス管冷凍機であるが、図１のスターリング型冷凍機と異なる点は、電着ベローズ２０を取付ける向きが異なる点である。   The Stirling-type pulse tube refrigerator according to the fifth embodiment is the same type of Stirling-type pulse tube refrigerator as the Stirling-type refrigerator shown in FIG. 1, but the difference from the Stirling-type refrigerator shown in FIG. The direction of attaching 20 is different.

すなわち、本実施形態５のスターリング型パルス管冷凍機は、高温熱交換器９の端部に円筒体２９を取付けることによって円筒体２９内部に空間部を形成し、この円筒体２９の開口部に対して、図１の場合とは逆向き状態の電着ベローズ２０ａの開口縁部を気密に取付けることによって円筒体２９内に電着ベローズ２０ａ全体が収納されるようにして前記圧縮部７ａを形成し、さらに、電着ベローズ２０の閉塞板部の内側面の中心部に駆動軸４を固定することを特徴とするものである。なお、円筒体２９と電着ベローズ２０ａとを予め別部品とせず、両者を一体的に構成してもよい。   That is, in the Stirling type pulse tube refrigerator of the fifth embodiment, the cylindrical body 29 is attached to the end of the high-temperature heat exchanger 9 to form a space inside the cylindrical body 29, and the cylindrical body 29 has an opening at the opening. On the other hand, the compression part 7a is formed so that the entire electrodeposition bellows 20a is accommodated in the cylindrical body 29 by airtightly attaching the opening edge of the electrodeposition bellows 20a in the opposite direction to the case of FIG. In addition, the drive shaft 4 is fixed to the central portion of the inner side surface of the closing plate portion of the electrodeposition bellows 20. In addition, the cylindrical body 29 and the electrodeposition bellows 20a may be configured integrally without being separately provided in advance.

図５（ａ）は、電着ベローズ２０ａが収縮して圧縮部７ａが膨張している状態にあり、この状態でリニアモータアクチュエータ１の駆動軸４を図示右側に移動させると、図５（ｂ）のように電着ベローズ２０ａが膨張して円筒体２９の内部まで伸長し、それにしたがって円筒体２９と電着ベローズ２０ａとで形成した圧縮部７ａの容積が収縮する。   FIG. 5A shows a state in which the electrodeposition bellows 20a is contracted and the compression portion 7a is inflated. In this state, when the drive shaft 4 of the linear motor actuator 1 is moved to the right side in the figure, FIG. The electrodeposited bellows 20a expands and extends to the inside of the cylindrical body 29, and the volume of the compression portion 7a formed by the cylindrical body 29 and the electrodeposited bellows 20a contracts accordingly.

本実施形態５のスターリング型パルス管冷凍機は、第１の外部駆動源１の電磁石２を交流で励磁することによって図５（ａ）に示す収縮状態と、図５（ｂ）に示す膨張状態を周期的に繰返す。このとき、円筒体２９と電着ベローズ２０ａとで構成する圧縮部７ａ内には高圧の冷媒ガスが存在し、電着ベローズ２０ａの内側は大気圧となる。この結果、前述した実施形態４と同様に電着ベローズ２０ａには外周から力が加わるようになり、安定した運転が可能となる。   The Stirling-type pulse tube refrigerator of the fifth embodiment has a contracted state shown in FIG. 5A and an expanded state shown in FIG. 5B by exciting the electromagnet 2 of the first external drive source 1 with an alternating current. Is repeated periodically. At this time, a high-pressure refrigerant gas exists in the compression portion 7a constituted by the cylindrical body 29 and the electrodeposition bellows 20a, and the inside of the electrodeposition bellows 20a is at atmospheric pressure. As a result, as in the fourth embodiment, a force is applied to the electrodeposition bellows 20a from the outer periphery, and a stable operation is possible.

本実施形態５のスターリング型パルス管冷凍機はこのように構成した結果、電着ベローズ２０ａは、往復動するような動きの間も、安定した形状を保ちやすくなり、冷凍機の制御性、安定性が向上する。   As a result of configuring the Stirling type pulse tube refrigerator of the fifth embodiment in this way, the electrodeposited bellows 20a can easily maintain a stable shape even during reciprocating movement, and the controllability and stability of the refrigerator can be maintained. Improves.

なお、以上述べた実施形態１乃至５では、ベローズ２０として電着ベローズを採用したが、電着ベローズと同様の高信頼性、長寿命を備えたベローズがあれば、電着ベローズに替えて採用するようにしても良い。その他、以上述べた実施形態は例として提示したものであって発明の範囲を限定することは意図していない。これらの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。これらの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ものである。   In Embodiments 1 to 5 described above, an electrodeposited bellows is used as the bellows 20, but if there is a bellows having the same high reliability and long life as the electrodeposited bellows, it is used instead of the electrodeposited bellows. You may make it do. In addition, the embodiment described above is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. These 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…第１の外部駆動源（リニアモータアクチュエータ）、２…電磁石、３…永久磁石、４…駆動軸、７ａ…圧縮部、９…高温熱交換器、１０…放熱板、１１…蓄冷器、１２…蓄冷材、１３…低温熱交換器、１４…膨張部（パルス管）、１５…配管、１６…バッファタンク１７…吸熱板（冷却ステージ）、２０、２０ａ…電着ベローズ、２０１…電着ベローズの開口縁部、２０２…電着ベローズの閉塞板部、２１…電着ベローズ、２２…膨張部、２３…第２の外部駆動源（リニアモータアクチュエータ）、２４…電磁石、２５…永久磁石、２６…駆動棒、２７…位相シフト用重り、２８…圧力容器、２９…円筒体。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st external drive source (linear motor actuator), 2 ... Electromagnet, 3 ... Permanent magnet, 4 ... Drive shaft, 7a ... Compression part, 9 ... High temperature heat exchanger, 10 ... Heat sink, 11 ... Regenerator, DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Cold storage material, 13 ... Low temperature heat exchanger, 14 ... Expansion part (pulse tube), 15 ... Piping, 16 ... Buffer tank 17 ... Endothermic plate (cooling stage), 20, 20a ... Electrodeposition bellows, 20 1 ... Electricity Opening edge of receiving bellows, 20 2 ... Closure plate part of electrodepositing bellows, 21 ... Electrodepositing bellows, 22 ... Expanding part, 23 ... Second external drive source (linear motor actuator), 24 ... Electromagnet, 25 ... Permanent Magnet, 26 ... drive rod, 27 ... weight for phase shift, 28 ... pressure vessel, 29 ... cylindrical body.

Claims (6)

冷媒ガスが充填された圧縮部と、前記圧縮部に連通する高温熱交換器と、前記高温熱交換器に連通する蓄冷器と、前記蓄冷器に連通する低温熱交換器と、前記低温熱交換器に隣接する膨張部と、を備え、前記圧縮部側の圧力変動と前記膨張部側の圧力変動とに所定の位相差を設けるようにして前記膨張部に寒冷を発生させるようにしたスターリング型冷凍機において、
前記圧縮部は、ほぼカップ形状に形成されたベローズの開口縁部を前記蓄冷器の外径と同径の外径を有する前記高温熱交換器の管板側の外周部に気密に取付けたことにより形成され、
前記ベローズは、前記ベローズを構成する金属皮膜の厚みが均一の電着ベローズであり、
前記ベローズの閉塞板部に、周期的に往復動する第１の外部駆動源が取付けられ、
前記ベローズ自体の圧縮および伸長により、前記圧縮部の容積が周期的に変動することを特徴とするスターリング型冷凍機。 A compression unit for a refrigerant gas is charged, and the high temperature heat exchanger communicating with the compression unit, and a regenerator communicating with said high temperature heat exchanger, and the low temperature heat exchanger communicating with the regenerator, said cold heat exchanger A Stirling type comprising: an expansion portion adjacent to a container; and generating a cold in the expansion portion by providing a predetermined phase difference between the pressure fluctuation on the compression portion side and the pressure fluctuation on the expansion portion side In the refrigerator,
The compression part is air-tightly attached to the outer peripheral part on the tube plate side of the high-temperature heat exchanger having the outer diameter of the bellows formed in a substantially cup shape and the outer diameter of the regenerator. Formed by
The bellows is an electrodeposition bellows in which the thickness of the metal film constituting the bellows is uniform,
A first external drive source that reciprocates periodically is attached to the closing plate portion of the bellows ,
A Stirling-type refrigerator , wherein the volume of the compression portion periodically varies due to compression and expansion of the bellows itself . 前記膨張部は、中空のパルス管により構成され、かつ、前記膨張部にオリフィスを有する配管とバッファタンクとからなる位相制御機構が連通していることを特徴とする請求項１記載のスターリング型冷凍機。 The inflatable portion is constituted by a hollow pulse tube, and the inflation portion Stirling refrigerating according to claim 1, wherein the phase control mechanism consisting of a pipe and a buffer tank having an orifice is characterized in that it communicates with the Machine. 前記膨張部は、ほぼカップ形状に形成された膨張部用ベローズの開口縁部を前記蓄冷器の外径と同径の外径を有する前記低温熱交換器の外周部に気密に取付けたことにより形成され、かつ、前記膨張部用ベローズの閉塞板部に前記第１の外部駆動源とは別の第２の外部駆動源または調整重りが取付けられ、
前記第２の外部駆動源または調整重りにより、前記圧縮部側の圧力変動と前記膨張部側の圧力変動との間に所定の位相差を設け、前記膨張部に寒冷を発生させることを特徴とする請求項１記載のスターリング型冷凍機。 The expansion portion is airtightly attached to the outer peripheral portion of the low-temperature heat exchanger having an outer diameter that is the same as the outer diameter of the regenerator, with the opening edge of the expansion portion bellows formed in a substantially cup shape. And a second external drive source or adjustment weight different from the first external drive source is attached to the closing plate portion of the expansion portion bellows,
A predetermined phase difference is provided between the pressure fluctuation on the compression section side and the pressure fluctuation on the expansion section side by the second external drive source or the adjustment weight, and cold is generated in the expansion section. The Stirling type refrigerator according to claim 1. 前記第１の外部駆動源が、前記閉塞板部の外側面に取付けられ、前記ベローズの伸長、収縮に応じて前記圧縮部の容積を膨張、圧縮させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスターリング型冷凍機。 The said 1st external drive source is attached to the outer side surface of the said obstruction board part, and expands and compresses the volume of the said compression part according to the expansion | extension and shrinkage | contraction of the said bellows. The Stirling type refrigerator according to any one of the above. 前記ベローズが、前記高温熱交換器の管板側の外周部に気密に取付けた円筒体を介して、前記ベローズの閉塞板部を前記高温熱交換器側に向けた状態で、前記円筒体内に収納され、
前記圧縮部が、前記円筒体の開口端に前記ベローズの開口縁部を気密に取付けたことにより形成され、
前記第１の外部駆動源が、前記閉塞板部の内側面に取付けられ、前記ベローズの伸長、収縮とは逆に前記圧縮部の容積を圧縮、膨張させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスターリング型冷凍機。 The bellows is in the cylindrical body with the closing plate portion of the bellows facing the high-temperature heat exchanger side through a cylindrical body that is airtightly attached to the outer peripheral portion on the tube plate side of the high-temperature heat exchanger. Stowed,
The compression part is formed by airtightly attaching the opening edge of the bellows to the opening end of the cylindrical body,
4. The first external drive source is attached to an inner surface of the closing plate portion, and compresses and expands the volume of the compression portion contrary to expansion and contraction of the bellows. The Stirling type refrigerator according to any one of the above. 前記ベローズは、当該ベローズの内部の冷媒の圧力よりも高い気体が充填されている圧力容器内に収容されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスターリング型冷凍機。   The Stirling refrigeration according to any one of claims 1 to 5, wherein the bellows is accommodated in a pressure vessel filled with a gas higher than a pressure of a refrigerant inside the bellows. Machine.
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