JPH0737862B2

JPH0737862B2 - Gas cycle engine

Info

Publication number: JPH0737862B2
Application number: JP1341891A
Authority: JP
Inventors: 芳男数本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1995-04-26
Anticipated expiration: 2010-04-26
Also published as: JPH03199856A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は，ガスサイクル機関に関し，特に，スターリ
ング冷却機のようなガス冷却機に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas cycle engine, and more particularly to a gas cooler such as a Stirling cooler.

[Conventional technology]

第２図は，例えば特開昭64-63761号公報に開示された従
来のスターリングサイクルガス冷却機の概略構成を示す
断面側面図である。図において，（１）はシリンダであ
り，この内部でフリーディスプレーサ（２）が往復運動
を行う。第１ピストン（3a）の作動表面（4a），第２ピ
ストン（3b）の作動表面（4b）及び，フリーディスプレ
ーサ（２）の下部作動表面（2a）の間にある圧縮空間
（５）は冷却器（６）及び連通孔（７）を備える。FIG. 2 is a sectional side view showing a schematic configuration of a conventional Stirling cycle gas cooler disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 64-63761. In the figure, (1) is a cylinder in which the free displacer (2) reciprocates. The compression space (5) between the working surface (4a) of the first piston (3a), the working surface (4b) of the second piston (3b) and the lower working surface (2a) of the free displacer (2) is cooled. The container (6) and the communication hole (7) are provided.

フリーディスプレーサ（２）の上部作動表面（2b）は膨
張空間（８）の境界をなしており，この膨張空間（８）
は圧縮空間（５）と共に作動空間を構成する。フリーデ
ィスプレーサ（２）内に備える蓄熱器（９）は中心孔
（10）を経てその下側の作動媒体に，また中心孔（11）
と半径方向流通ダクト（12）を経てその上側の作動媒体
に通ずることができる。この機械は膨張させられた冷作
動媒体と冷却すべき物体の間の熱交換のための熱交換器
としてフリーザ（13）を備える。The upper working surface (2b) of the free displacer (2) bounds the expansion space (8), and this expansion space (8)
Together with the compression space (5) make up the working space. The heat accumulator (9) provided in the free displacer (2) passes through the central hole (10) to the working medium below it, and also to the central hole (11).
And the working medium above it via the radial flow duct (12). This machine comprises a freezer (13) as a heat exchanger for heat exchange between the expanded cold working medium and the object to be cooled.

第１ピストン（3a）及び第２ピストン（3b）と圧縮シリ
ンダ（14）の壁の間にはそれぞれ第１ピストンシール
（15a），（16a）及び第２ピストンシール（15b），（1
6b）を備え，フリーディスプレーサ（２）とシリンダ
（１）の間にはシール（17），（18）を備える。第１ピ
ストン（3a）及び第２ピストン（3b）はそれぞれ合成樹
脂やアルミニウムなどの非磁性材料から成る軽量の第１
スリーブ（19a）及び第２スリーブ（19b）を備え，スリ
ーブ（19a），（19b）には導電体を巻きつけて第１可動
コイル（20a）及び第２可動コイル（20b）を形成し，第
１可動コイル（20a），第２可動コイル（20b）はハウジ
ング（21）の壁を通して外部に伸びる第１リード線（22
a），（23a）及び第２リード線（22b），（23b）と接続
している。これらのリード線（22a），（23a），（22
b），（23b）はハウジング（21）の外にそれぞれ第１電
気接点（24a），（25a）及び第２電気接点（24b），（2
5b）を持つ。可動コイル（20a），（20b）はピストン
（3a），（3b）と連結され，ピストン（3a），（3b）の
軸線方向に第１間隙（26a）及び第２間隙（26b）内で往
復運動できる構造になっている。上記間隙（26a），（2
6b）内には可動コイル（20a），（20b）の移動方向を横
切る半径方向に永久磁界が存在し、第１間隙（26a）で
は内径から外径方向へ，第２間隙（26b）では外径から
内径方向へ磁束が向かうように構成されている。これら
の間隙（26a），（26b）の磁界は永久磁石（27a），（2
7b），環状ディスク（28a），（28b），軟鉄シリンダ
（29a），（29b）からなる閉磁気回路によって供給され
る。ピストン（3a），（3b）はそれぞれ支持バネ（30
a），（30b）を備え，これがピストン（3a），（3b）の
固定中心位置を確保している。また支持バネ（30a），
（30b）の両端は横移動しないようにロックされ，それ
ぞれ突起（31a），（32a）及び突起（31b），（32b）の
回りに配置されている。フリーディスプレーサ（２）の
下側には弾性部材（33）が設けられ，フリーディスプレ
ーサ（２）の行程を制限する。また，第３図（ａ）はこ
の従来例によるガスサイクル機関の磁気回路を示す説明
図で，矢印は磁束の向きを示す。第３図（ｂ）はピスト
ンの作用表面の変位を示すグラフで，横軸はピストンの
変位，縦軸は時間を示す。The first piston seals (15a), (16a) and the second piston seals (15b), (1) are provided between the first piston (3a) and the second piston (3b) and the wall of the compression cylinder (14), respectively.
6b), and seals (17), (18) between the free displacer (2) and the cylinder (1). The first piston (3a) and the second piston (3b) are made of a non-magnetic material such as synthetic resin or aluminum.
A sleeve (19a) and a second sleeve (19b) are provided, and a conductor is wound around the sleeves (19a) and (19b) to form a first moving coil (20a) and a second moving coil (20b). The first moving coil (20a) and the second moving coil (20b) have a first lead wire (22) extending to the outside through the wall of the housing (21).
a), (23a) and the second lead wires (22b), (23b). These lead wires (22a), (23a), (22
b) and (23b) are the first electrical contacts (24a), (25a) and the second electrical contacts (24b), (2) outside the housing (21), respectively.
Have 5b). The moving coils (20a) and (20b) are connected to the pistons (3a) and (3b), and reciprocate in the first gap (26a) and the second gap (26b) in the axial direction of the pistons (3a) and (3b). It has a structure that allows exercise. The gap (26a), (2
There is a permanent magnetic field in 6b) in the radial direction that traverses the moving direction of the moving coils (20a), (20b). The magnetic flux is configured to go from the diameter toward the inner diameter. The magnetic fields in these gaps (26a) and (26b) are permanent magnets (27a) and (2
7b), annular disks (28a), (28b), soft iron cylinders (29a), (29b). The pistons (3a) and (3b) are supported springs (30
It is equipped with a) and (30b), which secures the fixed center position of the pistons (3a) and (3b). Support spring (30a),
Both ends of (30b) are locked so as not to move laterally, and are arranged around the protrusions (31a), (32a) and the protrusions (31b), (32b), respectively. An elastic member (33) is provided below the free displacer (2) to limit the stroke of the free displacer (2). Further, FIG. 3 (a) is an explanatory view showing a magnetic circuit of the gas cycle engine according to this conventional example, and arrows indicate the directions of magnetic flux. FIG. 3 (b) is a graph showing the displacement of the working surface of the piston, where the horizontal axis represents the piston displacement and the vertical axis represents the time.

次に動作について説明する。Next, the operation will be described.

可動コイル（20a），（20b）に電気接点（24a），（25
a），（24b），（25b）及びリード線（22a），（23
a），（22b），（23b）を介して交番電流を流すと可動
コイル（20a），（20b）には、それぞれ間隙（26a），
（26b）中の永久磁界と電流の相互作用により，軸方向
にローレンツ力が働き，その結果ピストン（3a）（3
b），スリーブ（19a），（19b）及び可動コイル（20
a），（20b）からなる組立体は左右の方向に振動を始め
る。The moving coils (20a) and (20b) have electrical contacts (24a) and (25
a), (24b), (25b) and lead wires (22a), (23
When an alternating current is passed through a), (22b) and (23b), the moving coils (20a) and (20b) have gaps (26a) and
Due to the interaction between the permanent magnetic field in (26b) and the electric current, Lorentz force acts in the axial direction, and as a result, the piston (3a) (3
b), sleeves (19a), (19b) and moving coil (20
The assembly consisting of (a) and (20b) begins to oscillate in the left and right directions.

今，第１可動コイル（20a）と第２可動コイル（20b）の
特性を同一にし，間隙（26a）及び間隙（26b）内の磁界
の強さを等しくした条件で，第１可動コイル（20a）と
第２可動コイル（20b）に同位相，同振幅の電流を流す
と，間隙（26a）と間隙（26b）における磁界の方向が逆
であるため，第１可動コイル（20a）と第２可動コイル
（20b）は第３図（ｂ）に示すように互いに逆方向に同
振幅で振動し，この結果，ピストン（3a）及び（3b）で
囲まれた圧縮空間（５）の体積が振動により周期的に変
動することになる。ピストン（3a），（3b）の振動によ
り圧縮空気（５）の体積が変化すると作動空間内に封入
された作動ガスが圧縮，膨張を受け，ガスの圧力が変動
する。更に，この圧力変動は蓄熱器（９）の両端に周期
的な圧力差の変動をもたらし，この結果圧力差と弾性部
材（33）の共振によりフリーディスプレーサ（２）がピ
ストン（3a），（3b）と同じ周波数で，かつ異なった位
相で動くようになる。Now, under the condition that the characteristics of the first moving coil (20a) and the second moving coil (20b) are the same and the magnetic fields in the gap (26a) and the gap (26b) have the same strength, the first moving coil (20a) ) And the second moving coil (20b) are supplied with currents of the same phase and same amplitude, the directions of the magnetic fields in the gap (26a) and the gap (26b) are opposite to each other. The moving coil (20b) vibrates in opposite directions with the same amplitude as shown in FIG. 3 (b), and as a result, the volume of the compression space (5) surrounded by the pistons (3a) and (3b) vibrates. Will change periodically. When the volume of the compressed air (5) changes due to the vibration of the pistons (3a), (3b), the working gas enclosed in the working space is compressed and expanded, and the gas pressure fluctuates. Further, this pressure fluctuation causes a cyclic pressure difference fluctuation at both ends of the heat accumulator (9). As a result, the free displacer (2) causes the pistons (3a), (3b) due to the resonance of the pressure difference and the elastic member (33). ) With the same frequency and different phases.

ピストン（3a），（3b）とフリーディスプレーサ（２）
が異なった位相を持って動く時，作動空間内の作動ガス
（例えばヘリウム）は，逆スターリングサイクルとして
良く知られる熱力学的サイクルを構成し，膨張空間
（８）内に寒冷を発生させる。Pistons (3a), (3b) and free displacer (2)
When moving with different phases, the working gas (eg helium) in the working space constitutes a thermodynamic cycle, better known as the reverse Stirling cycle, producing cold in the expansion space (8).

尚，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.Plenu
m Press,York,1983,pp.177〜123）に詳細に説明されて
いる。Regarding the above-mentioned "reverse Stirling cycle" and the principle of cold heat generation, refer to "Cryocoolers" (G. Walker. Plenu
m Press, York, 1983, pp.177-123).

[Problems to be Solved by the Invention]

従来のガスサイクル機関は以上のように構成されている
ので，上記第一コイルと第二コイルの抵抗やインダクタ
ンスに差があると，第一コイルと第二コイルに流れる電
流に差が生じ，これによって，第一ピストンと第二ピス
トンの往復運動の位相や振幅にも差が生じ，この結果，
ガスサイクル機関の振動が大きくなる問題点があった。Since the conventional gas cycle engine is configured as described above, if there is a difference in resistance or inductance between the first coil and the second coil, a difference occurs in the current flowing through the first coil and the second coil. Due to the difference in the phase and amplitude of the reciprocating motion of the first piston and the second piston, as a result,
There was a problem that the vibration of the gas cycle engine increased.

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので，極低振動なガスサイクル機関を得ることを目
的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to obtain a gas cycle engine with extremely low vibration.

[Means for Solving the Problems]

この発明にかかるガスサイクル機関は，第一コイルと第
二コイルを直列に接続したものであり，第一コイルと第
二コイルに流れる電流を同一にすることにより，第一ピ
ストンと第二ピストンの往復運動の位相や振幅のアンバ
ランスを小さくし，ガスサイクル機関の振動を低減す
る。The gas cycle engine according to the present invention has a first coil and a second coil connected in series, and by making the currents flowing through the first coil and the second coil the same, the first piston and the second piston are The unbalance of the phase and amplitude of the reciprocating motion is reduced, and the vibration of the gas cycle engine is reduced.

[Action]

この発明にかかるガスサイクル機関は，第一コイルと第
二コイルが直列に接続され，第一コイルと第二コイルに
同一の電流が流れるため，第一コイルと第二コイルのピ
ストンを動かす駆動力が等しくなり，これによって第一
ピストンと第二ピストンの往復運動の位相や振幅のアン
バランスも小さくなるため，ガスサイクル機関の振動が
低減される。In the gas cycle engine according to the present invention, the first coil and the second coil are connected in series, and the same current flows through the first coil and the second coil. Therefore, the driving force for moving the pistons of the first coil and the second coil Are equal to each other, and the phase and amplitude imbalance of the reciprocating motion of the first piston and the second piston are also reduced, which reduces vibration of the gas cycle engine.

〔Example〕

以下，この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において，（34）は外部配線であり，第一電気接点
（25a）と第二電気接点（25b）を接続することにより第
一コイル（20a）と第二コイル（20b）が電気的に直列に
接続されるように配線されている。なお，図中，第３図
と同一符号の部品は同一，又は相当部分を示しており，
ここでの説明は省略する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. First
In the figure, (34) is external wiring, and the first coil (20a) and the second coil (20b) are electrically connected in series by connecting the first electrical contact (25a) and the second electrical contact (25b). Is wired to be connected to. In the figure, parts having the same reference numerals as those in FIG. 3 indicate the same or corresponding parts,
The description here is omitted.

以下，本実施例の動作について説明する。図において，
第一電気接点（24a）と第二電気接点（24b）に交流電源
（図示していない）を接続すると第一コイル（20a）と
第二コイル（20b）には，順次，リード線（22a），（23
a），外部配線（34），リード線（22b）及び（22b）を
介して交番電流が流れる。すると，可動コイル（20a）
及び（20b）には，環状間隙（26a）及び（26b）の永久
磁界と電流の相互作用により，軸方向のローレンツ力が
働き，その結果，ピストン（3a）と（3b）は軸方向に振
動をし始める。この振動は，互いに同振動で逆方向の運
動であるため，作動空間内に封入された作動ガスは圧
縮，膨張を受け，この結果，従来例において説明したの
と全く同一の動作原理により，膨張空間（８）内に寒冷
が発生することになる。The operation of this embodiment will be described below. In the figure,
When an AC power source (not shown) is connected to the first electrical contact (24a) and the second electrical contact (24b), the lead wire (22a) is sequentially attached to the first coil (20a) and the second coil (20b). ,(twenty three
An alternating current flows through a), the external wiring (34), the lead wires (22b) and (22b). Then, the moving coil (20a)
In (20b) and (20b), the axial Lorentz force acts due to the interaction between the permanent magnetic field in the annular gaps (26a) and (26b) and the current, and as a result, the pistons (3a) and (3b) vibrate in the axial direction. Start playing. Since these vibrations have the same vibration and opposite motions, the working gas enclosed in the working space is compressed and expanded, and as a result, the working gas is expanded by exactly the same operating principle as described in the conventional example. Cold will be generated in the space (8).

ここで，本実施例と従来例の違いは次の点にある。すな
わち，本実施例においては，第一コイル（20a）と第二
コイル（20b）が直列に接続されているため，第一コイ
ル（20a）と第二コイル（20b）の抵抗やインダクタンス
に差があっても，第一コイル（20a）と第二コイル（20
b）に流れる電流は全く同一になる。こうして，第一ピ
ストン（3a）と第二ピストン（3b）を駆動する力が等し
くなることにより，両ピストンの往復運動の位相や振幅
のアンバランスも小さくなり，ガスサイクル機関の振動
が従来例に比べ著しく低減されるのである。Here, the difference between this embodiment and the conventional example is as follows. That is, in the present embodiment, since the first coil (20a) and the second coil (20b) are connected in series, there is a difference in resistance and inductance between the first coil (20a) and the second coil (20b). Even if there is, the first coil (20a) and the second coil (20a)
The currents flowing in b) are exactly the same. In this way, by equalizing the forces that drive the first piston (3a) and the second piston (3b), the phase and amplitude imbalance of the reciprocating motion of both pistons is also reduced, and the vibration of the gas cycle engine is reduced to the conventional example. This is a significant reduction in comparison.

〔The invention's effect〕

以上のように，この発明によれば，第一ピストンと第二
ピストンの往復運動の位相や振幅のアンバランスが小さ
くなるため，極低振動なガスサイクル機関が得られる効
果がある。As described above, according to the present invention, the unbalance of the phase and amplitude of the reciprocating motion of the first piston and the second piston becomes small, so that there is an effect that a gas cycle engine with extremely low vibration can be obtained.

[Brief description of drawings]

第１図はこの発明の一実施例によるガスサイクル機関を
示す断面側面図，第２図は従来のガスサイクル機関を示
す断面側面図，第３図（ａ）は従来のガスサイクル機関
におけるピストンの運動の原理を示す説明図，及び第３
図（ｂ）はピストンの作用表面の変位を示す曲線図であ
る。（3a）…第一ピストン，（3b）…第二ピストン，（20
a）…第一可動コイル，（20b）…は第二可動コイル，
（26a），（26b）…間隙，（27a），（27b）…永久磁
石，（34）…外部配線。なお，図中，同一符号は同一又は相当部分を示す。1 is a sectional side view showing a gas cycle engine according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional side view showing a conventional gas cycle engine, and FIG. 3 (a) is a piston side view of a conventional gas cycle engine. Explanatory drawing showing the principle of movement, and the third
Figure (b) is a curve diagram showing the displacement of the working surface of the piston. (3a) ... first piston, (3b) ... second piston, (20
a) ... first moving coil, (20b) ... second moving coil,
(26a), (26b) ... Gap, (27a), (27b) ... Permanent magnet, (34) ... External wiring. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

Claims

[Claims]

1. A first piston and a second piston, which are respectively connected to the respective moving coils, are made the same as each other by applying an alternating current to the first and second moving coils inserted in the gap of the magnetic flux created by the permanent magnet. A gas cycle engine configured to compress and expand a working gas by oscillating in opposite directions with the same phase and amplitude, wherein a first and a second movable coil are electrically connected in series.