JP2002325488A - Method and apparatus for forcedly vibrating fluid in tube - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、管内流体の強制振
動方法及び装置に係り、特に、パルス管冷凍機やスター
リング冷凍機、振動流型ヒートパイプ等に用いるのに好
適な、管端に設けられたアクチュエータを駆動して、管
内の流体を強制的に振動させるための管内流体の強制振
動方法及び装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for forcibly vibrating a fluid in a pipe, and more particularly to a method for installing a pipe at a pipe end suitable for use in a pulse tube refrigerator, a Stirling refrigerator, an oscillating flow type heat pipe and the like. The present invention relates to a method and an apparatus for forcibly vibrating a fluid in a pipe for driving a given actuator to forcibly vibrate the fluid in the pipe.
【0002】[0002]
【従来の技術】管内に封入した作動気体(通常はヘリウ
ム等)に、周期的に変動する圧力を加えて、熱音響効果
により寒冷を発生するパルス管冷凍機(PTR)が知ら
れている。図1に、パルス管12と蓄冷器14が直列配
置された、いわゆる基本型パルス管冷凍機(B−PT
R)10の概略構成を示す。図において、10Aは低温
熱交換部、10B、10Cは室温熱交換部、20は、例
えばリニアモータにより往復動されるコンプレッサであ
る。2. Description of the Related Art A pulse tube refrigerator (PTR) is known which generates a cold by a thermoacoustic effect by applying a periodically fluctuating pressure to a working gas (usually helium or the like) sealed in a tube. FIG. 1 shows a so-called basic pulse tube refrigerator (B-PT) in which a pulse tube 12 and a regenerator 14 are arranged in series.
R) The schematic configuration of 10 is shown. In the figure, 10A is a low temperature heat exchange section, 10B and 10C are room temperature heat exchange sections, and 20 is a compressor reciprocated by, for example, a linear motor.
【0003】このB−PTRは、ピストン等の摺動部を
持たないことによる長寿命、高信頼性、単純な構造によ
る低コストが期待され、又、フロンなどのオゾン層破壊
ガスを用いる必要がないので、環境負荷が少ないという
利点も期待されている。The B-PTR is expected to have a long life, high reliability, and low cost due to a simple structure because it does not have a sliding part such as a piston. Further, it is necessary to use an ozone depleting gas such as Freon. There is no expectation of the advantage of low environmental impact.
【0004】このようなB−PTRで寒冷を発生するた
めには、図1に示すPTR10の中央部における低温熱
交換部10Aで、吸熱作用を持つ気注の振動モードを励
起する必要がある。これは、コンプレッサ20による圧
力変動を、対応する気柱の固有周期で加えることにより
達成される。但し、気柱の応答は固有周期において最大
となり、又、駆動周期が固有周期から離れるに従って、
急激に減少する。このため、PTRを効率的に駆動する
ためには、正確で安定した駆動周波数を有する必要があ
る。[0004] In order to generate cold in such a B-PTR, it is necessary to excite a pneumatic vibration mode having an endothermic effect in the low-temperature heat exchange section 10A in the center of the PTR 10 shown in FIG. This is achieved by adding pressure fluctuations from the compressor 20 at the natural period of the corresponding air column. However, the response of the air column is maximum in the natural period, and as the drive period moves away from the natural period,
Decrease sharply. Therefore, in order to drive the PTR efficiently, it is necessary to have an accurate and stable driving frequency.
【0005】図2に示す如く、PTR10を、リニアモ
ータ等の振動型のアクチュエータ22で電気駆動する
時、駆動電源としては、適切な周波数の交流電源が必要
となるので、例えばバッテリなどの直流電源24を用い
る場合には、インバータ26を介して適切な周波数の交
流電源に変換して、アクチュエータ22を駆動する。
又、商用の交流電源28を用いる場合には、図2に破線
で示す如く、更に、コンバータ30を設置して直流に変
換した上で、再びインバータ26により交流に変換する
ようにしている。As shown in FIG. 2, when the PTR 10 is electrically driven by a vibration type actuator 22 such as a linear motor, an AC power source having an appropriate frequency is required as a driving power source. When the actuator 24 is used, the actuator 22 is converted into an AC power supply having an appropriate frequency via the inverter 26 to drive the actuator 22.
When a commercial AC power supply 28 is used, as shown by a broken line in FIG. 2, a converter 30 is further provided to convert the DC power, and then the AC power is again converted by the inverter 26.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インバ
ータ26は、PTR本体のコストに比較して高価である
ので、全体システムの低コスト化の障害となる。又、効
果的に出力を得るためには、最適な周波数(PTR気柱
の共振周波数)に厳密に周波数を調整しなければならな
い。更に、最適周波数を安定して維持するためには、高
性能のインバータを必要とし、更なるコストアップ要因
となる等の問題点を有していた。However, since the inverter 26 is expensive compared to the cost of the PTR main body, it becomes an obstacle to reducing the cost of the entire system. Further, in order to obtain an effective output, the frequency must be strictly adjusted to an optimum frequency (resonance frequency of the PTR column). Further, in order to stably maintain the optimum frequency, a high-performance inverter is required, which has a problem that the cost is further increased.
【0007】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、高価なインバータを用いる必要がな
く、駆動周波数の調整も不要であり、且つ、最適周波数
が安定しているので、常に最高の性能が得られるように
することを課題とする。The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and does not require the use of an expensive inverter, does not require adjustment of a driving frequency, and has a stable optimum frequency. The task is to always obtain the best performance.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明は、管端に設けら
れたアクチュエータを駆動して、管内の流体を強制的に
振動させるための管内流体の強制振動方法において、管
内の圧力を検出して、アクチュエータの駆動信号に正帰
還することにより、電気−機械系からなる発振回路を形
成し、該発振回路により、流体を振動させるようにし
て、前記課題を解決したものである。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided a method for forcibly vibrating a fluid in a pipe for driving an actuator provided at the pipe end to forcibly vibrate the fluid in the pipe. Thus, the above problem is solved by forming an oscillation circuit composed of an electro-mechanical system by positively feeding back the drive signal of the actuator and causing the fluid to vibrate by the oscillation circuit.
【0009】又、管端に設けられたアクチュエータを駆
動して、管内の流体を強制的に振動させるための管内流
体の強制振動装置において、管内の圧力を検出する圧力
センサと、該圧力センサの出力信号をアクチュエータの
駆動信号に正帰還するための正帰還回路とを設け、これ
らにより形成される電気−機械系からなる発振回路によ
り、流体を振動させるようにして、同じく前記課題を解
決したものである。Further, in a forced fluid vibration device for a fluid in a pipe for driving an actuator provided at a pipe end to forcibly vibrate the fluid in the pipe, a pressure sensor for detecting a pressure in the pipe, and a pressure sensor for the pressure sensor. A positive feedback circuit for providing positive feedback of an output signal to a drive signal of an actuator, and an oscillation circuit including an electro-mechanical system formed by these components to vibrate the fluid to solve the above-described problem. It is.
【0010】又、前記アクチュエータ及び圧力センサと
して、同じ形式の動電型ボイスコイルを用いるようにし
たものである。Further, an electrodynamic voice coil of the same type is used as the actuator and the pressure sensor.
【0011】スピーカとマイクロホンで構成される系に
おいては、しばしばハウリング現象が生じる。これと同
様に、アクチュエータを駆動するアンプに対して、例え
ばPTRの気柱の応答を正帰還することにより、電気−
機械複合の発振回路が形成される。In a system composed of a speaker and a microphone, a howling phenomenon often occurs. Similarly, the response of the air column of the PTR is positively fed back to the amplifier for driving the actuator, so that the
A mechanical composite oscillation circuit is formed.
【0012】電気系においては、常に何らかのノイズが
存在する。これらのノイズに対するPTRの応答は、P
TRの固有周期成分が卓越する。このPTRの固有振動
応答が、駆動アンプに対して正帰還の制御信号として加
えられると、駆動力の固有周期成分が増大する。このル
ープの繰り返しにより、ループゲインが1より大きいと
き、駆動力の振幅は、図3に示す如く、徐々に増大し、
電源と駆動アンプの性能によって定まる最大値にまで達
する。この時の駆動周波数は、最適周波数であるPTR
の固有周波数であり、環境温度、負荷条件、電源の変動
等によらず安定している。本発明は、この原理を応用し
たものである。In an electric system, there is always some noise. The response of the PTR to these noises is P
The natural period component of TR is dominant. When the natural vibration response of the PTR is applied as a positive feedback control signal to the drive amplifier, the natural period component of the driving force increases. By repeating this loop, when the loop gain is larger than 1, the amplitude of the driving force gradually increases as shown in FIG.
It reaches the maximum value determined by the power supply and the performance of the drive amplifier. The driving frequency at this time is the optimum frequency PTR
And is stable irrespective of environmental temperature, load conditions, fluctuations in the power supply, and the like. The present invention is an application of this principle.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【0014】本実施形態は、図4に示す如く、パルス管
12内の圧力を検出する圧力センサ40と、該圧力セン
サ40の出力信号を駆動アンプ42を介して振動型アク
チュエータ22の駆動信号に正帰還するための正帰還回
路とを設け、これらにより形成される電気−機械系から
なる発振回路により、パルス管12内の作動流体(例え
ばヘリウム)を強制的に振動させるようにしたものであ
る。In this embodiment, as shown in FIG. 4, a pressure sensor 40 for detecting the pressure in the pulse tube 12 and an output signal of the pressure sensor 40 are converted into a drive signal of the vibration type actuator 22 via a drive amplifier 42. A positive feedback circuit for positive feedback is provided, and a working fluid (for example, helium) in the pulse tube 12 is forcibly vibrated by an oscillation circuit formed of the electro-mechanical system. .
【0015】本実施形態において、振動型アクチュエー
タ22には、アンプ42を介して直流電源24が与えら
れる。更に、PTR10に設置した圧力センサ40によ
り、気柱応答の信号を、アンプ42に対する入力信号
(制御信号)として正帰還する。この時、フィードバッ
クを正帰還とするために、必要であれば、破線で示す如
く、位相調整器44を設けることができる。更に、一点
鎖線に示す如く、振動のトリガ装置46を併設すること
で、振動を円滑に始動させることもできる。In the present embodiment, the vibration type actuator 22 is supplied with a DC power supply 24 via an amplifier 42. Further, the signal of the air column response is positively fed back as an input signal (control signal) to the amplifier 42 by the pressure sensor 40 installed in the PTR 10. At this time, if necessary, a phase adjuster 44 can be provided as shown by a broken line in order to make the feedback a positive feedback. Further, as shown by the dashed line, the vibration can be started smoothly by additionally providing the vibration trigger device 46.
【0016】具体的には、図5に示す如く、前記アクチ
ュエータ22及び圧力センサ40として、同一形式の動
電型ボイスコイル50a、50sを用い、これらを管1
2の両端(駆動端及びセンサ端と称する)に設置する。
圧力センサ40(ボイスコイル50s)の出力を駆動ア
ンプ42の入力として直流電源24を投入すると、電気
−機械系の発振回路が形成され、容易にハウリングが生
じる。この時の振動モードは、管12及びボイスコイル
50a、50bを適切に設定すると、図6に示す、両端
が閉じた管の気柱の一次固有振動とすることができる。
図6における圧力分布、速度分布は、ある瞬間における
分布を示したもので、速度と圧力は位相が90度異な
り、例えば速度が0の時は圧力が最大、逆に圧力が0の
時は速度が最大となる。More specifically, as shown in FIG. 5, electrodynamic voice coils 50a and 50s of the same type are used as the actuator 22 and the pressure sensor 40, and these are connected to the tube 1
2 at both ends (referred to as a drive end and a sensor end).
When the DC power supply 24 is turned on with the output of the pressure sensor 40 (voice coil 50s) as the input of the drive amplifier 42, an electromechanical oscillation circuit is formed, and howling easily occurs. When the tube 12 and the voice coils 50a and 50b are appropriately set, the vibration mode at this time can be the primary natural vibration of the air column of the tube having both ends closed as shown in FIG.
The pressure distribution and the velocity distribution in FIG. 6 show the distribution at a certain moment, and the phase differs between the velocity and the pressure by 90 degrees. Is the largest.
【0017】この一次固有モードにおけるハウリングの
正帰還メカニズムは、定性的に、次のように解釈でき
る。即ち、図の左側のボイスコイル50aを、電気−力
変換を行うアクチュエータ22と見なすと、駆動電流を
与えると図の左側の駆動端に圧力が発生すると共に、ボ
イスコイル50aには、駆動電流とは逆向きの逆起電力
が生じる。簡単のため、この逆起電力は、発生した圧力
に比例するものとする。The positive feedback mechanism of howling in the first-order eigenmode can be qualitatively interpreted as follows. That is, when the voice coil 50a on the left side of the figure is regarded as the actuator 22 that performs electric-force conversion, when a drive current is applied, pressure is generated at the drive end on the left side of the figure, and the drive current and Generates a counter electromotive force in the opposite direction. For simplicity, this back electromotive force is proportional to the generated pressure.
【0018】一方、図の右側のセンサ端の圧力は、一次
固有振動モードにおいては、駆動端の圧力とは逆向きに
なる。従って、圧力センサ40として作用するボイスコ
イル50sに生じる起電力は、アクチュエータ22とし
て作用するボイスコイル50aに与えた駆動電流と同じ
向きとなる。即ち、センサ電流を直接フィードバックす
ることにより、正帰還が実現される。なお、センサの位
置を、何らかの必要性から、圧力が駆動端と同符号の位
置(例えば図6の矢印Aに示す位置)にする必要がある
場合には、正帰還とするために、図4に示した位相調整
器44を設けて、フィードバック電流の位相を調整し、
その符号を反転する。又、圧力センサ40として、速度
に比例する出力を与える形式のセンサを用いる場合に
は、やはり位相調整器44を設けて、位相を90度ずら
す必要がある。ちなみに、直接速度フィードバックは、
振動に対して減衰作用があるので、振動抑制するための
振動制御で広く用いられている。On the other hand, the pressure at the sensor end on the right side in the drawing is opposite to the pressure at the drive end in the primary natural vibration mode. Therefore, the electromotive force generated in the voice coil 50s acting as the pressure sensor 40 has the same direction as the drive current applied to the voice coil 50a acting as the actuator 22. That is, positive feedback is realized by directly feeding back the sensor current. When the position of the sensor needs to be a position having the same sign as the pressure of the driving end (for example, a position indicated by an arrow A in FIG. 6) due to some necessity, FIG. Is provided to adjust the phase of the feedback current,
Invert its sign. When a sensor that provides an output proportional to the speed is used as the pressure sensor 40, it is necessary to provide a phase adjuster 44 to shift the phase by 90 degrees. By the way, direct speed feedback is
Since it has a damping effect on vibration, it is widely used in vibration control for suppressing vibration.
【0019】なお、正帰還をさせるための位相調整器4
4は、PTR10に対するセンサ位置を選択することに
より正帰還信号が得られる場合には、省略することがで
きる。The phase adjuster 4 for providing positive feedback
4 can be omitted when a positive feedback signal is obtained by selecting a sensor position with respect to the PTR 10.
【0020】又、電気ノイズによらず、より円滑で確実
な始動が必要な場合には、図4に示したトリガ装置46
を設置することができる。When a smoother and more reliable start is required irrespective of electric noise, the trigger device 46 shown in FIG.
Can be installed.
【0021】本発明の駆動方式は、本質的に直流電源で
駆動可能であるので、商用電源のない場所でも使用で
き、例えば自動車用空調機として適用すれば、オゾン層
破壊ガスを使用しないPTRの特徴を最大限に生かすこ
とができる。又、電気−機械系による発振回路を形成し
て系を駆動する概念は、PTRに限定されず、ガスの脈
動を利用し、ディスプレーサがガス圧変化と位相のずれ
た往復動を行うことによって逆スターリングサイクルを
実行して、断熱膨張により対象物を冷却するスターリン
グ冷凍機、軸方向に温度勾配を有するヒートパイプ中に
振動流を強制的に励起して熱拡散を促進する振動流型ヒ
ートパイプ等、PTR以外の機器の駆動にも用いること
ができる。更に、作動流体も気体に限定されず、アクチ
ュエータや圧力センサも、動電型ボイスコイルに限定さ
れない。Since the driving method of the present invention can be driven by a DC power supply in essence, it can be used even in a place where there is no commercial power supply. Features can be maximized. The concept of driving the system by forming an oscillating circuit by an electro-mechanical system is not limited to the PTR, and the displacer performs a reciprocating motion out of phase with a change in the gas pressure using gas pulsation. A Stirling refrigerator that cools an object by executing a Stirling cycle and adiabatic expansion, an oscillating flow heat pipe that forcibly excites an oscillating flow in a heat pipe that has a temperature gradient in the axial direction to promote heat diffusion, etc. , And PTRs. Further, the working fluid is not limited to gas, and the actuator and the pressure sensor are not limited to the electrodynamic voice coil.
【0022】[0022]
【発明の効果】本発明によれば、高価なインバータを用
いる必要がなく、単純なアンプとセンサを用いるのみで
よく、コストが安価である。又、駆動周波数の調整が不
要であり、且つ、最適周波数で安定しているので、常に
最高の能力が得られる。According to the present invention, it is not necessary to use an expensive inverter, only a simple amplifier and a sensor are used, and the cost is low. Further, since the adjustment of the driving frequency is unnecessary and the operation is stabilized at the optimum frequency, the highest performance is always obtained.
【図1】本発明の適用対象の一例である基本型パルス管
冷凍機の構成を示す断面図FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a basic pulse tube refrigerator that is an example of an object to which the present invention is applied.
【図2】前記パルス管冷凍機の従来の駆動電源の構成例
を示すブロック図FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a conventional drive power supply of the pulse tube refrigerator.
【図3】本発明におけるアクチュエータ出力の変化状態
を示す線図FIG. 3 is a diagram showing a change state of an actuator output according to the present invention.
【図4】本発明の実施形態の構成を示すブロック図FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.
【図5】本発明の原理を説明するための管の断面図FIG. 5 is a sectional view of a tube for explaining the principle of the present invention.
【図6】同じく両端が閉じた気柱の一次固有振動の速度
分布と圧力分布を示す線図FIG. 6 is a diagram showing a velocity distribution and a pressure distribution of a primary natural vibration of an air column having both ends closed.
【符号の説明】 10…パルス管冷凍機(PTR) 12…パルス管 14…蓄冷器 20…コンプレッサ 22…アクチュエータ 24…直流電源 40…圧力センサ 42…駆動アンプ 44…位相調整器 46…トリガ装置 50a、50b…ボイスコイル型アクチュエータ及びセ
ンサ[Description of Signs] 10 ... Pulse tube refrigerator (PTR) 12 ... Pulse tube 14 ... Cooler 20 ... Compressor 22 ... Actuator 24 ... DC power supply 40 ... Pressure sensor 42 ... Drive amplifier 44 ... Phase adjuster 46 ... Trigger device 50a , 50b ... voice coil type actuator and sensor
Claims (3)
て、管内の流体を強制的に振動させるための管内流体の
強制振動方法において、 管内の圧力を検出して、 アクチュエータの駆動信号に正帰還することにより、電
気−機械系からなる発振回路を形成し、 該発振回路により、流体を振動させることを特徴とする
管内流体の強制振動方法。In a method for forcibly vibrating a fluid in a pipe by driving an actuator provided at a pipe end to forcibly vibrate the fluid in the pipe, a pressure in the pipe is detected, and a driving signal of the actuator is corrected. A method for forcibly vibrating a fluid in a pipe, comprising forming an oscillation circuit composed of an electro-mechanical system by feedback, and causing the oscillation circuit to vibrate the fluid.
て、管内の流体を強制的に振動させるための管内流体の
強制振動装置において、 管内の圧力を検出する圧力センサと、 該圧力センサの出力信号をアクチュエータの駆動信号に
正帰還するための正帰還回路とを設け、 これらにより形成される電気−機械系からなる発振回路
により、流体を振動させることを特徴とする管内流体の
強制振動装置。2. A forced fluid vibration device for a fluid in a pipe for driving an actuator provided at a pipe end to forcibly vibrate the fluid in the pipe, comprising: a pressure sensor for detecting a pressure in the pipe; A positive feedback circuit for positively feedbacking an output signal to a drive signal of an actuator; and a vibrating device for a fluid in a pipe, characterized in that the fluid is vibrated by an oscillating circuit comprising an electro-mechanical system formed by them. .
て、同じ形式の動電型ボイスコイルを用いることを特徴
とする請求項2に記載の管内流体の強制振動装置。3. The apparatus according to claim 2, wherein the same type of electrodynamic voice coil is used as the actuator and the pressure sensor.
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| JP2001126058A JP2002325488A (en) | 2001-04-24 | 2001-04-24 | Method and apparatus for forcedly vibrating fluid in tube |
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- 2001-04-24 JP JP2001126058A patent/JP2002325488A/en active Pending
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