JP2006144591A - 圧電ポンプおよびスターリング冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 負圧・正圧状態において流体を効率よく循環させる圧電ポンプおよびスターリング冷却庫を提供する。
【解決手段】 圧電ポンプ６は、複数の金属製部材を溶接して形成されるケーシング３２と、ケーシング３２内の空間を作動空間３４と背圧空間３５とに仕切る圧電素子３６と、ケーシング３２と圧電素子３６との間に設けられ、圧電素子３６を保持する樹脂製の内部部品３３Ａ，３３Ｂとを備える。内部部品３３Ａ，３３Ｂは、加工、成型が行ないやすい樹脂で構成される。内部部品３３Ａは、作動空間３４の外周を規定し、内部部品３３Ｂは、背圧空間３５の外周を規定する。内部部品３３Ａ，３３Ｂを対向させることにより、内部部品３３Ａ，３３Ｂ間に凹部が形成され、該凹部内に圧電素子３６が受け入れられて保持される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電ポンプおよびスターリング冷却庫（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ／Ｆｒｅｅｚｅｒ）に関し、特に、負圧・正圧状態において流体を効率よく循環させる圧電ポンプおよび該圧電ポンプを備えたスターリング冷却庫に関する。

媒体を循環させるポンプとして、水晶やニオブ酸リチウムなどの圧電素子を用いた圧電ポンプが従来から用いられている。

図６は、従来の圧電ポンプの一例を示した断面図である。図６を参照して、圧電ポンプ１０６は、図６に示すように、ケーシング１３２と、該ケーシング１３２内に作動空間１３４および背圧空間１３５とを備える。ここで、作動空間１３４と背圧空間１３５とは圧電素子１３６によって隔てられている。また、作動空間１３４側のケーシングには、媒体を吸引する入口部１３７と、該媒体を吐出する出口部１３８とが設けられ、背圧空間１３５側のケーシングには、背圧空間１３５の圧力を調整するための背圧孔１３５Ａが設けられている。なお、入口部１３７と出口部１３８には、媒体を逆流させない逆止弁１３９，１４０がそれぞれ設けられている。

上記の圧電ポンプ１０６を動作させる際は、圧電素子１３６に電気信号を与える。これにより、圧電素子１３６は図６中の破線矢印の方向に振幅運動する。なお、この際、圧電素子１３６の端部はケーシング１３２に固定されており、圧電素子１３６は凸面形状に変形しながら振幅運動する。この結果、作動空間１３４の体積が変動し、作動空間１３４内の圧力が圧電素子１３６の変形状態に応じて変動して、媒体を吸込／吐出する。

ここで、上記の圧電素子１３６の変形により、背圧空間１３５の体積も変化することになるが、この結果、背圧空間１３５の圧力が変動すると、圧電素子１３６の運動方向と逆向きの力を生じさせることになり、結果として圧電ポンプ１０６の動作効率が低下する。これに対し、圧電素子１３６の変形状態に関わらず背圧空間１３５の圧力が一定となるように、ケーシング１３２の背圧空間１３５側に背圧孔１３５Ａが設けられている。

また、逆スターリングサイクルによる熱交換を冷却庫に適用したものとして、たとえば、特開２００３−５００７３号公報（従来例１）に記載されたものなどが挙げられる。

従来例１においては、逆スターリングサイクルによる作動ガスの圧縮熱を外部に放熱するための高温部と、逆スターリングサイクルによる作動ガスの膨張熱を外部から吸熱するための低温部と、低温部に熱的に結合された低温側凝縮器および複数の低温側蒸発器をサーモサイフォンを構成するように連結した閉回路からなる低温側循環回路とを備え、低温部の冷熱を搬送する冷熱搬送媒体を低温側循環回路内に封入したことを特徴とするスターリング冷凍システムが開示されている。ここで、高温部における熱は、高温側熱交換サイクル（放熱システム）により放熱される。高温側熱交換サイクルは、配管により接続された高温側蒸発器と高温側凝縮器とを含み、サーモサイフォン原理により熱が搬送、放出される。

なお、登録実用新案第２５０５７２７号公報（従来例２）においては、ケーシングと、ケーシングの内部に設けられた圧電振動子と、圧電振動子の片側のポンプ室に設けられた吸込用、吐出用のチェック弁とを備えた圧電ポンプが開示されている。この圧電ポンプにおいて、ポンプ室と圧電振動子に対して上記ポンプ室の反対側に位置する反ポンプ室とが連通している。
特開２００３−５００７３号公報 登録実用新案第２５０５７２７号公報

しかしながら、上記のような圧電ポンプにおいては、以下のような問題があった。

図６に示すような圧電ポンプにおいては、内部に空間を形成するように対向する複数の部材を用いてケーシングが構成される。ここで、複数の部材間のシールは、一般に、Ｏリングなどを用いて行なわれる。このような構成においては、作動媒体のスローリークが生じるため、回路内の圧力が大気圧よりも低いまたは高い状態（本願明細書では、負圧状態または正圧状態と称する。）の密閉系において、長期間に亘って使用しつづけることができない。このような問題は、従来例２に示される圧電ポンプによっても解決されない。

また、圧電ポンプに用いられる圧電素子は耐熱性が低いため、シール性を向上させるために上記複数の部材を溶接により接合する場合には、その溶接熱をいかに圧電素子に伝えにくくするかが課題となる。圧電素子に伝わる熱量を低減することで、該圧電素子の機能が向上し、結果として、流体の循環効率が向上する。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、負圧・正圧状態において流体を効率よく循環させる圧電ポンプおよびスターリング冷却庫を提供することにある。

本発明に係る圧電ポンプは、複数の金属製部材を接合して形成されるケーシングと、ケーシング内の空間を第１と第２内部空間に仕切る圧電素子と、ケーシングと圧電素子との間に設けられ、圧電素子を保持する非金属製の第１と第２内部部品とを備える。

ケーシングを構成する複数の金属製部材は、溶接により接合されることが好ましい。該部材を溶接で接合することにより、作動媒体のリークに対する耐久性を向上させることができる。この結果、大気圧よりも低いまたは高い圧力で運転する密閉系において長期間使用可能な圧電ポンプが提供される。また、金属製のケーシングと圧電素子との間に非金属製の内部部品を設け、ケーシングと圧電素子とを離間させることで、溶接熱が圧電素子に伝わることを抑制することができる。

ここで、第１と第２内部部品は樹脂製であり、第１と第２内部部品がそれぞれ第１と第２内部空間の外周を規定し、第１と第２内部部品の間に圧電素子を挟むようにして該圧電素子を保持することが好ましい。

成型が行ないやすい樹脂を用い、かつ、簡単な構造で圧電素子を保持することにより、圧電ポンプを低コストで作製することができる。

上記圧電ポンプは、１つの局面では、第１内部部品上に形成され、ケーシング外部の吸込パイプから作動空間としての第１内部空間に向かう作動媒体が通過する入口部と、第１内部部品上に形成され、第１内部空間からケーシング外部の吐出パイプに向かう作動媒体が通過する出口部と、入口部と第１内部空間との間に設置される第１逆止弁と、出口部と第１内部空間との間に設置される第２逆止弁と、第１および第２内部空間と圧電素子との間の隙間と、入口部および出口部とケーシングとの間の隙間とをそれぞれシールする複数のＯリングとをさらに備える。ここで、第１内部部品に、第１と第２逆止弁がそれぞれ設置される第１と第２逆止弁設置部と、複数のＯリングがそれぞれ設置される複数の溝部とを設けることが好ましい。

本構成においては、樹脂からなる内部部品に凹部や溝を設けることにより、逆止弁およびＯリングが設けられる設置台や溝を簡単に形成することができる。

ここで、背圧空間としての第２内部空間と入口部または出口部とを連通させる連通部をさらに備え、連通部は、第１と第２内部部品に形成された孔または溝により構成されることが好ましい。

連通部を形成することにより、作動空間（第１内部空間）と背圧空間（第２内部空間）との圧力をほぼ等しくすることができる。また、樹脂からなる内部部品に溝や孔を設けることにより、ケーシングの外部に連通管を設けることなく簡単に連通部を形成することができる。この結果、流体を効率よく循環させるコンパクトな圧電ポンプが低コストで形成される。

さらに、上記連通部は、ケーシングにおける複数の金属製部材の接合箇所と連通することが好ましい。これにより、連通部をケーシングのリークチェック孔として用いることができる。

上記圧電ポンプは、他の局面では、第１内部部品上に形成され、ケーシング外部の第１吸込パイプから作動空間としての第１内部空間に向かう作動媒体が通過する第１入口部と、第２内部部品上に形成され、ケーシング外部の第２吸込パイプから作動空間としての第２内部空間に向かう作動媒体が通過する第２入口部と、第１内部部品上に形成され、第１内部空間からケーシング外部の第１吐出パイプに向かう作動媒体が通過する第１出口部と、第２内部部品上に形成され、第２内部空間からケーシング外部の第２吐出パイプに向かう作動媒体が通過する第２出口部と、第１および第２入口部と第１および第２内部空間との間にそれぞれ設置される第１と第２逆止弁と、第１および第２出口部と第１および第２内部空間との間にそれぞれ設置される第３と第４逆止弁と、第１および第２内部空間と圧電素子との間の隙間と、第１および第２入口部ならびに第１および第２出口部とケーシングとの間の隙間とをそれぞれシールする複数のＯリングとをさらに備える。ここで、第１と第２内部部品に、第１から第４逆止弁がそれぞれ設置される第１から第４逆止弁設置部と、複数のＯリングがそれぞれ設置される複数の溝部とを設けることが好ましい。

本構成においては、圧電素子の両側を作動空間として利用することができる。また、樹脂からなる内部部品に凹部や溝を設けることにより、逆止弁やＯリングが設けられる設置台や溝を簡単に形成することができる。この結果、流体を効率よく循環させる圧電ポンプが低コストで提供される。

（第１と第２）入口部または（第１と第２）出口部と金属製部材の接合箇所とを連通させる連通孔を設けることが好ましい。

この連通孔は、ケーシングのリークチェック孔として用いることができる。

上記圧電ポンプは、さらに他の局面では、第１内部部品上に形成され、ケーシング外部の吸込パイプから作動空間としての第１内部空間に向かう作動媒体が通過する第１入口部と、第２内部部品上に形成され、第１入口部から第２内部空間に向かう作動媒体が通過する第２入口部と、第１内部部品上に形成され、第１内部空間からケーシング外部の吐出パイプに向かう作動媒体が通過する第１出口部と、第２内部部品上に形成され、第２内部空間から第１出口部に向かう作動媒体が通過する第２出口部と、第１と第２内部部品に形成された孔または溝により構成され第１と第２入口部を連通させる第１連通部と、第１と第２内部部品に形成された孔または溝により構成され第１と第２出口部を連通させる第２連通部と、第１および第２入口部と第１および第２内部空間との間にそれぞれ設置される第１と第２逆止弁と、第１および第２出口部と第１および第２内部空間との間にそれぞれ設置される第３と第４逆止弁と、第１および第２内部空間と圧電素子との間の隙間と、第１および第２入口部ならびに第１および第２出口部とケーシングとの間の隙間とをそれぞれシールする複数のＯリングとをさらに備える。ここで、第１と第２内部部品に、第１から第４逆止弁がそれぞれ設置される第１から第４逆止弁設置部と、複数のＯリングがそれぞれ設置される複数の溝部とを設けることが好ましい。

本構成においては、圧電素子の両側を作動空間として利用することができる。また、ケーシングの外部に連通管を設けることなく第１と第２連通部を形成することができる。さらに、樹脂からなる内部部品に凹部や溝を設けることにより、逆止弁やＯリングが設けられる設置台や溝を簡単に形成することができる。この結果、流体を効率よく循環させるコンパクトな圧電ポンプが低コストで提供される。

ここで、第１と第２連通部の一方をケーシングにおける金属製部材の接合箇所と連通させてもよい。これにより、連通部をケーシングのリークチェック孔として用いることができる。

また、第１内部部品と第２内部部品との接合面において第１連通部または第２連通部をシールする他のＯリングをさらに設けてもよい。これにより、作動媒体の通路となる第１と第２連通部の密閉性を確保することができる。

なお、ケーシングを構成する複数の金属製部材はそれぞれフランジ部を有し、フランジ部の先端部どうしを溶接してケーシングを形成してもよい。これにより、溶接箇所と圧電素子とをさらに遠ざけることができる。したがって、圧電素子への入熱の抑制効果をさらに高めることができる。

本発明に係るスターリング冷却庫においては、上述した圧電ポンプが高温側の作動媒体循環回路に設けられている。

本発明によれば、負圧・正圧の密閉系において長期間使用しつづけてもスローリークが生じることのない圧電ポンプが提供される。

以下に、本発明に基づく圧電ポンプおよびスターリング冷却庫の実施の形態について、図１から図５を用いて説明する。

なお、本願明細書において、「冷却庫」とは、「冷蔵庫」、「冷凍庫」および「冷凍冷蔵庫」の全てを含む概念である。

また、本願明細書においては、スターリング冷凍機を備えたスターリング機関搭載機器としてのスターリング冷却庫について説明するが、本発明に係る圧電ポンプが設けられるスターリング機関搭載機器は、スターリング冷却庫に限定されるものではない。スターリング機関は、たとえば、発電機としても用いられる。

（スターリング冷却庫についての説明）
図１は、後述する本発明の実施の形態１〜３に係る圧電ポンプが高温側の作動媒体循環回路に設けられたスターリング冷却庫の配管系統図の一例である。

スターリング冷却庫１は、図１に示すように、放熱部２と吸熱部３とを有するスターリング冷凍機４（スターリング機関）と、放熱部２に取付けられた高温側蒸発器５、高温側凝縮器７およびパイプ２Ａ，２Ｂを含む第１高温側循環回路（第１循環回路）と、高温側蒸発器５、循環ポンプ６、発露防止パイプ９およびパイプ２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆを含む第２高温側循環回路（第２循環回路）と、吸熱部３に取付けられた低温側凝縮器１０、低温側蒸発器１１およびパイプ３Ａ，３Ｂを含む低温側循環回路とを備える。第１高温側循環回路は、スターリング冷凍機４の放熱部２の冷却を行ない、第２高温側循環回路は、発露防止パイプ９に熱を供給する。また、低温側循環回路は、冷却庫内の空気とスターリング冷凍機４の吸熱部３との熱交換を行なう。

第１と第２高温側循環回路内には水（Ｈ₂Ｏ）などが冷媒として封入されている。高温側蒸発器５において蒸発した冷媒はパイプ２Ａ（高温側導管）を介して高温側凝縮器７に達する（図１中の破線矢印）。高温側凝縮器７において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮する。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器７近傍に気流を生じさせるファン８が設けられている。凝縮した冷媒は、パイプ２Ｂ（高温側戻り管）を介して高温側蒸発器５に戻る。第１高温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、放熱部２で発生した熱を伝達することができるように、高温側凝縮器７が高温側蒸発器５より上方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整（ほぼ真空状態に減圧）されている。

一方、高温側蒸発器５の下部には、パイプ２Ｃが接続されている。高温側蒸発器５からパイプ２Ｃに液相の冷媒が流入する。パイプ２Ｃに流入した冷媒は、パイプ２Ｄを介して、スターリング冷凍機４よりも下方に設けられた循環ポンプ６に達する。循環ポンプ６から吐出された冷媒は、パイプ２Ｅを介して発露防止パイプ９に送られる。ここで、発露防止パイプ９内を流れる冷媒は、スターリング冷凍機４の放熱部２から与えられた熱により比較的高温に保たれている。したがって、発露防止パイプ９を冷却庫の前面に配置することで、ドア部等における発露を抑制することができる。発露防止パイプ９内を流れた冷媒は、パイプ２Ｆを介して高温側蒸発器５内に戻る。このように、第２高温側循環回路においては、循環ポンプ６による強制循環が行なわれている。

低温側循環回路内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。低温側凝縮器１０において凝縮した冷媒はパイプ３Ａ（低温側導管）を介して低温側蒸発器１１に達する。低温側蒸発器１１において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。この熱交換を促進するために、低温側蒸発器１１近傍に気流を生じさせるファン１２が設けられている。熱交換の後、ガス化された冷媒は、パイプ３Ｂ（低温側戻り管）を介して低温側凝縮器１０に戻る。低温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、吸熱部３で発生した冷熱を伝達することができるように、低温側蒸発器１１が低温側凝縮器１０より下方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整（ほぼ真空状態に減圧）されている。

スターリング冷凍機４を作動させると、該冷凍機４の放熱部２で発生した熱が、高温側凝縮器７を介して空気と熱交換される。一方、スターリング冷凍機４の吸熱部３で発生した冷熱は、低温側蒸発器１１を介して冷却庫内の空気と熱交換される。冷却庫内からの暖かくなった気流は、再び低温側蒸発器１１近傍に送られ、繰り返し冷却される。

（実施の形態１）
図２は、実施の形態１に係る圧電ポンプを示した断面図である。

本実施の形態に係る圧電ポンプ６は、図２に示すように、複数の金属製部材を溶接して形成されるケーシング３２と、ケーシング３２内の空間を作動空間３４（第１内部空間）と背圧空間３５（第２内部空間）とに仕切る圧電素子３６と、ケーシング３２と圧電素子３６との間に設けられ、圧電素子３６を保持する非金属製の内部部品３３Ａ，３３Ｂ（第１と第２内部部品）とを備える。

内部部品３３Ａ，３３Ｂは、加工、成型が行ないやすい樹脂で構成される。内部部品３３Ａは、作動空間３４（ポンプ室）の外周を規定し、内部部品３３Ｂは、背圧空間３５の外周を規定する。内部部品３３Ａ，３３Ｂを対向させることにより、内部部品３３Ａ，３３Ｂ間に凹部が形成され、該凹部内に圧電素子３６が受け入れられて保持される。すなわち、内部部品３３Ａ，３３Ｂは、圧電素子３６を挟むようにして圧電素子３６を保持する。

図２の例では、内部部品３３Ａ上に形成され、ケーシング３２外部の入口パイプ４１（吸込パイプ）から作動空間３４に向かう作動媒体が通過する入口部３７と、内部部品３３Ａ上に形成され、作動空間３４からケーシング３２外部の出口パイプ４２（吐出パイプ）に向かう作動媒体が通過する出口部３８と、入口部３７と作動空間３４との間に設置される逆止弁３９（第１逆止弁）と、出口部３８と作動空間３４との間に設置される逆止弁４０（第２逆止弁）と、作動空間３４および背圧空間３５と圧電素子３６との間の隙間と、入口部３７および出口部３８とケーシング３２内面との間の隙間とをそれぞれシールする複数のＯリング４３とが設けられている。ここで、逆止弁３９，４０がそれぞれ設置される設置台（第１と第２逆止弁設置部）と、各々のＯリング４３が取付けられる溝部とは、内部部品３３Ａ，３３Ｂに予め加工を施すことによって設けられている。

圧電ポンプ６は、背圧空間３５と入口部３７とを連通させる連通部４４を有する。連通部４４は、内部部品３３Ａ，３３Ｂに形成された孔または溝により構成される。連通部４４は、ケーシング３２の内面上に達し、複数の金属製部材の溶接箇所と連通している。なお、連通部４４に代えて、背圧空間３５と出口部３８とを連通させる連通部が設けられてもよい。

実際に圧電ポンプ６を作動させる際は、電源端子４５を介して圧電素子３６に電気信号を与え、圧電素子３６を図２中の左右方向に振幅運動させる。

上記構成においては、ケーシング３２を構成する複数の部材を溶接で接合することにより、作動媒体のリークに対する耐久性を向上させることができる。この結果、負圧・正圧状態の密閉系において長期間使用可能な圧電ポンプ６が提供される。また、金属製のケーシング３２と圧電素子３６との間に樹脂製の内部部品３３Ａ，３３Ｂを設け、ケーシング３２と圧電素子３６とを離間させることで、金属部材を溶接する際の溶接熱が圧電素子３６に伝わることを抑制することができる。したがって、圧電素子３６の動作効率が向上し、結果として、作動媒体の循環効率が向上する。

また、内部部品３３Ａ，３３Ｂとして、成型が行ないやすい樹脂製の部品を用い、かつ、上述したように簡単な構造で圧電素子３６を保持することにより、圧電ポンプ６を低コストで作製することができる。

また、逆止弁３９，４０や複数のＯリング４３がそれぞれ設けられる設置台や溝は、樹脂製の内部部品３３Ａ，３３Ｂに凹部や溝を設けることにより簡単に形成することができる。

さらに、連通部４４が形成されることにより、作動空間３４（第１内部空間）と背圧空間３５（第２内部空間）との圧力をほぼ等しく保つことができる。この結果、負圧・正圧状態において、作動媒体の循環効率は向上する。ここで、連通部４４は、樹脂製の内部部品３３Ａ，３３Ｂに溝や孔を設けることにより、ケーシングの外部に連通管を設けることなく簡単に形成することができる。この結果、圧電ポンプ６のコンパクトな構造が低コストで実現される。また、連通部４４を複数の金属製部材の溶接箇所と連通させることにより、連通部４４をケーシングのリークチェック孔（連通孔）として用いることができる。

ケーシング３２を構成する複数の金属製部材はそれぞれフランジ部４６を有し、フランジ部４６の先端部どうしを溶接することによりケーシング３２が形成されている。フランジ部４６が設けられることにより、溶接箇所と圧電素子３６とをさらに遠ざけることができる。したがって、圧電素子３６への入熱の抑制効果をさらに高めることができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る圧電ポンプを示した断面図である。

本実施の形態に係る圧電ポンプ６は、実施の形態１に係る圧電ポンプ６の変形例であって、圧電素子３６の両側をポンプ室（作動空間３４Ａ，３４Ｂ）として利用することを特徴とする。

圧電ポンプ６は、図３に示すように、内部部品３３Ａ（第１内部部品）上に形成され、ケーシング３２外部の入口パイプ４１Ａ（第１吸込パイプ）から作動空間３４Ａ（第１内部空間）に向かう作動媒体が通過する入口部３７Ａ（第１入口部）と、内部部品３３Ｂ（第２内部部品）上に形成され、ケーシング３２外部の入口パイプ４１Ｂ（第２吸込パイプ）から作動空間３４Ｂ（第２内部空間）に向かう作動媒体が通過する入口部３７Ｂ（第２入口部）と、内部部品３３Ａ上に形成され、作動空間３４Ａからケーシング３２外部の出口パイプ４２Ａ（第１吐出パイプ）に向かう作動媒体が通過する出口部３８Ａ（第１出口部）と、内部部品３３Ｂ上に形成され、作動空間３４Ｂからケーシング３２外部の出口パイプ４２Ｂ（第２吐出パイプ）に向かう作動媒体が通過する出口部３８Ｂ（第２出口部）と、入口部３７Ａ，３７Ｂと作動空間３４Ａ，３４Ｂとの間にそれぞれ設置される逆止弁３９Ａ，３９Ｂ（第１と第２逆止弁）と、出口部３８Ａ，３８Ｂと作動空間３４Ａ，３４Ｂとの間にそれぞれ設置される逆止弁４０Ａ，４０Ｂ（第３と第４逆止弁）と、作動空間３４Ａ，３４Ｂと圧電素子３６との間の隙間ならびに入口部３７Ａ，３７Ｂおよび出口部３８Ａ，３８Ｂとケーシング３２内面との間の隙間をそれぞれシールする複数のＯリング４３とが設けられている。ここで、ここで、逆止弁３９Ａ，３９Ｂ，４０Ａ，４０Ｂがそれぞれ設置される設置台（第１から第４逆止弁設置部）と、各々のＯリング４３が取付けられる溝部とは、内部部品３３Ａ，３３Ｂに予め加工を施すことによって設けられている。

圧電ポンプ６は、内部部品３３Ａ，３３Ｂに、入口部３７Ａ，３７Ｂからケーシング３２の内面上に達し、複数の金属製部材の溶接箇所と連通するリークチェック孔４４Ａ（連通孔）を有する。なお、リークチェック孔４４Ａは、内部部品３３Ａ，３３Ｂの一方にのみ設けられてもよいし、リークチェック孔４４Ａに代えて、出口部３８Ａ，３８Ｂからケーシング３２の内面上に達し、複数の金属製部材の溶接箇所と連通するリークチェック孔が設けられてもよい。

上記構成によっても、実施の形態１と同様に、負圧・正圧状態の密閉系において長期間使用可能な循環効率の高い圧電ポンプ６が低コストで提供される。

さらに、リークチェック孔４４Ａを複数の金属製部材の溶接箇所と連通させることにより、ケーシングのリークチェックを行なうことが可能になる。

なお、本実施の形態において、上述した実施の形態１と同様の事項については、詳細な説明は繰り返されない。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係る圧電ポンプを示した断面図である。

本実施の形態に係る圧電ポンプ６は、実施の形態１に係る圧電ポンプ６の変形例であって、圧電素子３６の両側をポンプ室（作動空間３４Ａ，３４Ｂ）として利用することを特徴とする。

圧電ポンプ６は、図４に示すように、内部部品３３Ａ（第１内部部品）上に形成され、ケーシング３２外部の入口パイプ４１（吸込パイプ）から作動空間３４Ａ（第１内部空間）に向かう作動媒体が通過する入口部３７Ａ（第１入口部）と、内部部品３３Ｂ（第２内部部品）上に形成され、入口部３７Ａから作動空間３４Ｂ（第２内部空間）に向かう作動媒体が通過する入口部３７Ｂ（第２入口部）と、内部部品３３Ａ上に形成され、作動空間３４Ａからケーシング３２外部の出口パイプ４２（吐出パイプ）に向かう作動媒体が通過する出口部３８Ａ（第１出口部）と、内部部品３３Ｂ上に形成され、作動空間３４Ｂから出口部３８Ａに向かう作動媒体が通過する出口部３８Ｂ（第２出口部）と、内部部品３３Ａ，３３Ｂに形成された孔または溝により構成され、入口部３７Ａ，３７Ｂを連通させる入口連通部４４Ｂ（第１連通部）と、内部部品３３Ａ，３３Ｂに形成された孔または溝により構成され、出口部３８Ａ，３８Ｂを連通させる出口連通部４４Ｃ（第２連通部）と、入口部３７Ａ，３７Ｂと作動空間３４Ａ，３４Ｂとの間にそれぞれ設置される逆止弁３９Ａ，３９Ｂ（第１と第２逆止弁）と、出口部３８Ａ，３８Ｂと作動空間３４Ａ，３４Ｂとの間にそれぞれ設置される逆止弁４０Ａ，４０Ｂ（第３と第４逆止弁）と、作動空間３４Ａ，３４Ｂと圧電素子３６との間の隙間ならびに入口部３７Ａ，３７Ｂおよび出口部３８Ａ，３８Ｂとケーシング３２内面との間の隙間とをそれぞれシールする複数のＯリング４３とが設けられている。ここで、ここで、逆止弁３９Ａ，３９Ｂ，４０Ａ，４０Ｂがそれぞれ設置される設置台（第１から第４逆止弁設置部）と、各々のＯリング４３が取付けられる溝部とは、内部部品３３Ａ，３３Ｂに予め加工を施すことによって設けられている。

ここで、入口連通部４４Ｂは、ケーシング３２の内面上に達し、複数の金属製部材の溶接箇所とを連通している。これにより、入口連通部４４Ｂをリークチェック孔として用いることができる。一方、出口連通部４４Ｃは、図４に示すように、内部部品３３Ａ，３３Ｂの接合面にＯリング（他のＯリング）を設けることによりシールされており、複数の金属製部材の溶接箇所とは連通しない。なお、入口連通部４４Ｂをシールし、出口連通部４４Ｃを溶接箇所と連通させてもよい。このように、入口連通部４４Ｂおよび出口連通部４４Ｃの一方のみを溶接箇所と連通させ、他方をＯリングによりシールすることで、作動媒体の通路となる入口部３７Ａ，３７Ｂと出口部３８Ａ，３８Ｂとが互いに連通することを避けることができる。

上記構成によっても、実施の形態１と同様に、負圧・正圧状態の密閉系において長期間使用可能な循環効率の高い圧電ポンプ６が低コストで提供される。

また入口連通部４４Ｂおよび出口連通部４４Ｃは、樹脂製の内部部品３３Ａ，３３Ｂに溝や孔を設けることにより、ケーシングの外部に連通管を設けることなく簡単に形成することができる。この結果、圧電ポンプ６のコンパクトな構造が実現される。

なお、本実施の形態において、上述した実施の形態１と同様の事項については、詳細な説明は繰り返されない。

（スターリング冷凍機についての説明）
図５を用いて、スターリング冷凍機４の構造の一例およびその動作について説明する。

図５に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機４は、フリーピストン型のスターリング機関であって、ケーシング３０と、該ケーシング３０に組付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で往復動するピストン１４およびディスプレーサ１５と、再生器１６と、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを含む作動空間１７と、放熱部２と、吸熱部３と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ２３と、ピストンスプリング２４と、ディスプレーサスプリング２５と、ディスプレーサロッド２６と、背圧空間２７とを備える。

図５の例では、スターリング冷凍機４の外殻体（外壁）は、単一の容器で構成されず、背圧空間２７側に位置するケーシング３０（ベッセル部分）と、作動空間１７側に位置する放熱部２、チューブ１８Ａおよび吸熱部３とで主に構成される。ケーシング３０は、背圧空間２７を規定する。ケーシング３０には、シリンダ１３、リニアモータ２３、ピストンスプリング２４およびディスプレーサスプリング２５をはじめとする種々の部品が組付けられる。上記外殻体の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。

シリンダ１３は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１４とフリーピストンとしてのディスプレーサ１５とを往復動可能に受け入れる。シリンダ１３内において、ピストン１４とディスプレーサ１５とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン１４およびディスプレーサ１５によってシリンダ１３内の作動空間１７が圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとに区画される。より詳しくは、作動空間１７は、ピストン１４におけるディスプレーサ１５側の端面よりもディスプレーサ１５側に位置する空間であり、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に圧縮空間１７Ａが形成され、ディスプレーサ１５と吸熱部３との間に膨張空間１７Ｂが形成される。圧縮空間１７Ａは主に放熱部２によって囲まれ、膨張空間１７Ｂは主に吸熱部３によって囲まれている。

圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、チューブ１８Ａの内周面上に所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器１６が配設されており、この再生器１６を介して圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとが連通する。それにより、スターリング冷凍機４内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン１４およびディスプレーサ１５の動作に合わせて流動することにより、後述する逆スターリングサイクルが実現される。

シリンダ１３の外側に位置する背圧空間２７にはリニアモータ２３が配設される。リニアモータ２３は、インナーヨーク２０と、可動マグネット部２１と、アウターヨーク２２とを有し、このリニアモータ２３によって、シリンダ１３の軸方向にピストン１４が駆動される。

ピストン１４の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング２４と接続される。該ピストンスプリング２４は、ピストン１４に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能する。該ピストンスプリング２４に弾性力を付加することにより、シリンダ１３内でピストン１４をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ１５の一端は、ディスプレーサロッド２６を介してディスプレーサスプリング２５と接続される。ディスプレーサロッド２６はピストン１４を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング２５は板バネなどで構成される。該ディスプレーサスプリング２５の周縁部と、ピストンスプリング２４の周縁部は、リニアモータ２３からピストン１４の背圧空間２７側（以下、後方と称する場合がある。）に延びる支持部材により支持される。

ピストン１４に対しディスプレーサ１５と反対側には、ケーシング３０によって囲まれた背圧空間２７が配設されている。背圧空間２７は、ケーシング３０内でピストン１４の周囲に位置する外周領域と、ケーシング３０内でピストン１４よりもピストンスプリング２４側（後方側）に位置する後方領域とを含む。この背圧空間２７内にも、作動媒体が存在する。

放熱部２、吸熱部３の内周面上には、それぞれ熱交換器１８と熱交換器１９とが設けられる。熱交換器１８，１９は、それぞれ、圧縮空間１７Ａ，膨張空間１７Ｂと放熱部２，吸熱部３との間の熱交換を行なう。

ケーシング３０の後方側には、板バネ２８を介してバランスマス２９が取付けられている。バランスマス２９は、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによって生じるケーシング３０の振動を吸収する質量部材である。具体的には、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによってケーシング３０に振動が生じた場合に、このケーシング３０の振動に対して追従するようにバランスマス２９が振動することにより、スターリング冷凍機４の振動が低減される。

次に、このスターリング冷凍機４の動作について説明する。

まず、リニアモータ２３を作動させてピストン１４を駆動する。リニアモータ２３によって駆動されたピストン１４は、ディスプレーサ１５に接近し、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体（作動ガス）を圧縮する。

ピストン１４がディスプレーサ１５に接近することにより、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度は上昇するが、放熱部２によってこの圧縮空間１７Ａ内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。

ピストン１４がディスプレーサ１５に接近した後にディスプレーサ１５は吸熱部３側に移動する。他方、ピストン１４によって圧縮空間１７Ａ内において圧縮された作動媒体は再生器１６内に流入し、さらに膨張空間１７Ｂへと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器１６に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。

膨張空間１７Ｂ内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ１５がピストン１４側（後方側）へ移動することにより膨張する。このようにディスプレーサ１５が後方側へ移動するのに伴い、ディスプレーサスプリング２５の中央部も後方側に突出するように変形する。

上記のように膨張空間１７Ｂ内で作動媒体が膨張することにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体の温度は下降するが、吸熱部３によって外部の熱が膨張空間１７Ｂ内へと伝熱されるため、膨張空間１７Ｂ内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。

その後、ディスプレーサ１５がピストン１４から遠ざかる方向に移動し始める。それにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体は再生器１６を通過して再び圧縮空間１７Ａ側へと戻る。その際に再生器１６に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。

この一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱部３は徐々に低温になり、極低温（たとえば−５０℃程度）を有するに至る。一方で、放熱部２は徐々に高温（たとえば６０℃程度）になる。上述したように、吸熱部３における冷熱は、低温側循環回路を介して冷却庫内に供給され、放熱部２における熱は、第１と第２高温側循環回路を介して冷却庫外に放出される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上述した各実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。また、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

スターリング冷却庫の配管系統図の一例である。 本発明の実施の形態１に係る圧電ポンプの断面図である。 本発明の実施の形態２に係る圧電ポンプの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る圧電ポンプの断面図である。 スターリング冷却庫におけるスターリング冷凍機を示した側断面図の一例である。 従来の圧電ポンプの断面図である。

符号の説明

１ スターリング冷却庫、２ 放熱部、２Ａ〜２Ｆ パイプ（高温側循環回路）、３ 吸熱部、３Ａ，３Ｂ パイプ（低温側循環回路）、４ スターリング冷凍機、５ 高温側蒸発器、６ 循環ポンプ、７ 高温側凝縮器、８ ファン、９ 発露防止パイプ、１０ 低温側凝縮器、１１ 低温側蒸発器、１２ ファン、１３ シリンダ、１４ ピストン、１５ ディスプレーサ、１６ 再生器、１７ 作動空間、１７Ａ 圧縮空間、１７Ｂ 膨張空間、１８，１９ 熱交換器、１８Ａ チューブ、２０ インナーヨーク、２１ 可動マグネット、２２ アウターヨーク、２３ リニアモータ、２４ ピストンスプリング、２５ ディスプレーサスプリング、２６ ディスプレーサロッド、２７ 背圧空間、２８ 板バネ、２９ バランスマス、３０，３２ ケーシング、３３Ａ，３３Ｂ 内部部品、３４，３４Ａ，３４Ｂ 作動空間、３５ 背圧空間、３６ 圧電素子、３７，３７Ａ，３７Ｂ 入口部、３８，３８Ａ，３８Ｂ 出口部、３９，３９Ａ，３９Ｂ，４０，４０Ａ，４０Ｂ 逆止弁、４１，４１Ａ，４１Ｂ 入口パイプ、４２，４２Ａ，４２Ｂ 出口パイプ、４３ Ｏリング、４４ 連通部、４４Ａ リークチェック孔、４４Ｂ 入口連通部、４４Ｃ 出口連通部、４５ 電源端子、４６ フランジ部。

Claims (8)

1. 複数の金属製部材を接合して形成されるケーシングと、
   前記ケーシング内の空間を第１と第２内部空間に仕切る圧電素子と、
   前記ケーシングと前記圧電素子との間に設けられ、前記圧電素子を保持する非金属製の第１と第２内部部品とを備えた圧電ポンプ。
2. 前記第１と第２内部部品は樹脂製であり、
   前記第１と第２内部部品がそれぞれ前記第１と第２内部空間の外周を規定し、
   前記第１と第２内部部品の間に前記圧電素子を挟むようにして該圧電素子を保持する、請求項１に記載の圧電ポンプ。
3. 前記第１内部部品上に形成され、前記ケーシング外部の吸込パイプから作動空間としての前記第１内部空間に向かう作動媒体が通過する入口部と、
   前記第１内部部品上に形成され、前記第１内部空間から前記ケーシング外部の吐出パイプに向かう作動媒体が通過する出口部と、
   前記入口部と前記第１内部空間との間に設置される第１逆止弁と、
   前記出口部と前記第１内部空間との間に設置される第２逆止弁と、
   前記第１および第２内部空間と前記圧電素子との間の隙間と、前記入口部および前記出口部と前記ケーシングとの間の隙間とをそれぞれシールする複数のＯリングとをさらに備え、
   前記第１内部部品に、前記第１と第２逆止弁がそれぞれ設置される第１と第２逆止弁設置部と、前記複数のＯリングがそれぞれ設置される複数の溝部とを設けた、請求項１または請求項２に記載の圧電ポンプ。
4. 背圧空間としての前記第２内部空間と前記入口部または前記出口部とを連通させる連通部をさらに備え、
   前記連通部は、前記第１と第２内部部品に形成された孔または溝により構成される、請求項３に記載の圧電ポンプ。
5. 前記第１内部部品上に形成され、前記ケーシング外部の第１吸込パイプから作動空間としての前記第１内部空間に向かう作動媒体が通過する第１入口部と、
   前記第２内部部品上に形成され、前記ケーシング外部の第２吸込パイプから作動空間としての前記第２内部空間に向かう作動媒体が通過する第２入口部と、
   前記第１内部部品上に形成され、前記第１内部空間から前記ケーシング外部の第１吐出パイプに向かう作動媒体が通過する第１出口部と、
   前記第２内部部品上に形成され、前記第２内部空間から前記ケーシング外部の第２吐出パイプに向かう作動媒体が通過する第２出口部と、
   前記第１および第２入口部と前記第１および第２内部空間との間にそれぞれ設置される第１と第２逆止弁と、
   前記第１および第２出口部と前記第１および第２内部空間との間にそれぞれ設置される第３と第４逆止弁と、
   前記第１および第２内部空間と前記圧電素子との間の隙間と、前記第１および第２入口部ならびに前記第１および第２出口部と前記ケーシングとの間の隙間とをそれぞれシールする複数のＯリングとをさらに備え、
   前記第１と第２内部部品に、前記第１から第４逆止弁がそれぞれ設置される第１から第４逆止弁設置部と、前記複数のＯリングがそれぞれ設置される複数の溝部とを設けた、請求項１または請求項２に記載の圧電ポンプ。
6. 前記入口部または前記出口部と前記金属製部材の接合箇所とを連通させる連通孔を設ける、請求項３または請求項５に記載の圧電ポンプ。
7. 前記第１内部部品上に形成され、前記ケーシング外部の吸込パイプから作動空間としての前記第１内部空間に向かう作動媒体が通過する第１入口部と、
   前記第２内部部品上に形成され、前記第１入口部から前記第２内部空間に向かう作動媒体が通過する第２入口部と、
   前記第１内部部品上に形成され、前記第１内部空間から前記ケーシング外部の吐出パイプに向かう作動媒体が通過する第１出口部と、
   前記第２内部部品上に形成され、前記第２内部空間から前記第１出口部に向かう作動媒体が通過する第２出口部と、
   前記第１と第２内部部品に形成された孔または溝により構成され、前記第１と第２入口部を連通させる第１連通部と、
   前記第１と第２内部部品に形成された孔または溝により構成され、前記第１と第２出口部を連通させる第２連通部と、
   前記第１および第２入口部と前記第１および第２内部空間との間にそれぞれ設置される第１と第２逆止弁と、
   前記第１および第２出口部と前記第１および第２内部空間との間にそれぞれ設置される第３と第４逆止弁と、
   前記第１および第２内部空間と前記圧電素子との間の隙間と、前記第１および第２入口部ならびに前記第１および第２出口部と前記ケーシングとの間の隙間とをそれぞれシールする複数のＯリングとをさらに備え、
   前記第１と第２内部部品に、前記第１から第４逆止弁がそれぞれ設置される第１から第４逆止弁設置部と、前記複数のＯリングがそれぞれ設置される複数の溝部とを設けた、請求項１または請求項２に記載の圧電ポンプ。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の圧電ポンプを高温側の作動媒体循環回路に設けたスターリング冷却庫。

Images