JP2015052426A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 実施形態は、冷凍機全体のエネルギー損失を小さくすることができ、運転効率の向上が図れる冷凍機を提供することである。【解決手段】 蓄冷器を介して一端側に高温側の圧縮部、他端側に低温側の膨張部が配設されるスターリングサイクルの冷凍機である。シリンダ７ａ内に配設され、作動媒体を駆動する圧縮膨張兼用ピストン７ｂの一面側を圧縮器７ｃ、その裏面側を膨張器７ｄとして機能させる圧縮膨張兼用部７を前記圧縮部５と前記膨張部６との間に配設させた。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、冷凍機に関する。

一般に、スターリングサイクルの冷凍機として、図１５に示す構成の装置が知られている。図１５中で、参照符号ａは蓄冷器である。この蓄冷器ａを介して一端側に高温側の圧縮部ｂ、他端側に低温側の膨張部ｃが配設されている。ここでは、圧縮部ｂには圧縮ピストンｄ、膨張部ｃには膨張ピストンｅがそれぞれ配設されている。圧縮ピストンｄと膨張ピストンｅとは例えば膨張側で圧力と変位が９０°位相となるような冷凍サイクルとして適切な変位位相差を保持した状態で駆動される。そして、図１６（１）〜（４）に示すように動作が行われる。すなわち、図１６の（１）に示すように圧縮ピストンｄの移動により作動媒体を圧縮する際に放熱する。続いて、図１６の（２）に示すように圧縮ピストンｄと膨張ピストンｅとが容積を保ったまま軸方向に移動することで、圧縮された作動媒体が蓄冷器ａを通ることで高圧のまま冷却される。その後、図１６の（３）に示すように膨張ピストンｅの移動により作動媒体を膨張させる際に作動媒体の温度が下がり、吸熱する。続いて、図１６の（４）に示すように圧縮ピストンｄと膨張ピストンｅとが連動して軸方向に移動する際に作動媒体が蓄冷器ａを通ることで蓄冷器ａを冷却し、作動媒体の温度が上昇し、図１６の（１）〜（４）に示す１サイクルが終了する。この１サイクルの過程で、膨張部ｃの膨張空間における作動媒体の膨張に伴って吸熱し、圧縮部ｂの圧縮空間における作動媒体の圧縮に伴って放熱する。さらに、膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体との熱交換によって膨張部ｃの膨張空間と圧縮部ｂの圧縮空間との間の温度差を維持する。これにより、低温側から高温側への熱輸送があり、低温側が冷凍される。通常は、圧縮、膨張ピストンを、ともに連続的な単振動で駆動し、両者の位相差を適切にとることで上記の冷凍サイクルを周期的に行う。

特開平１１−３７５８２号公報 特開平９−１４５１８０号公報

上記従来構成のスターリングサイクルの冷凍機では、圧縮ピストンｄは仕事をして、膨張ピストンｅは仕事を受ける構成になっている。このとき、膨張ピストンｅの仕事のエネルギー回収が通常は困難である。そのため、冷凍機全体のエネルギー損失を小さくすることが難しく、運転効率の向上が難しい。

本実施形態は上記事情に着目してなされたもので、冷凍機全体のエネルギー損失を小さくすることができ、運転効率の向上が図れる冷凍機を提供することにある。

実施形態によれば、蓄冷器を介して一端側に高温側の圧縮部、他端側に低温側の膨張部が配設されるスターリングサイクルの冷凍機である。圧力室内に配設され、作動媒体を駆動するアクチュエータの一面側を圧縮器、その裏面側を膨張器として機能させる圧縮膨張兼用部を前記圧縮部と前記膨張部との間に配設させた。

第１の実施の形態の冷凍機を使用した装置全体の概略構成を示す縦断面図。 第１の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機の概略構成を示す縦断面図。 第２の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機の要部構成を示す縦断面図。 第３の実施の形態のスターリングサイクル冷凍機の概略構成と、冷凍サイクルにおけるピストンの位相の変化状態を示す図。 第４の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機を使用した装置全体の概略構成図。 第４の実施の形態の冷凍機のピストン部分の概略構成を示す側面図。 第４の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機の制御系を示すブロック図。 第５の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機を示す概略構成図。 第５の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機の圧電素子付きダイアフラムの動作状態を説明する概略構成図。 第５の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機の制御系を示すブロック図。 第６の実施の形態の冷凍機全体の概略構成を示す分解斜視図。 第６の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機の要部構成を示す縦断面図。 第６の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機を使用した装置の具体例を示す概略構成図。 第７の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機の概略構成を示す縦断面図。 従来のスターリングサイクルの冷凍機を示す概略構成図。 従来のスターリングサイクルの冷凍機の冷凍サイクルにおけるピストンの位相の変化状態を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
（構成）
図１は、第１の実施の形態の冷凍機を使用した装置全体の概略構成を示す縦断面図である。図１中で、参照符号１は、真空断熱容器（冷凍槽）である。この真空断熱容器１の一面に本実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機２が配設されている。真空断熱容器１の内部に配設された例えば、ＬＮＡ（ローノイズアンプ）や、超伝導回路を含む電子回路などの冷却対象物３はこの冷凍機２によって冷却される。

図２は、スターリングサイクルの冷凍機２の概略構成を示す縦断面図である。本実施の形態の冷凍機２は、２つの蓄冷器（第１の蓄冷器４ａと第２の蓄冷器４ｂ）を介して一端側に高温側の圧縮部５、他端側に低温側の膨張部６が配設されている。ここで、第１の蓄冷器４ａと第２の蓄冷器４ｂは、例えば金属メッシュを多数積層させた積層体や、発抱金属、スチールウールなどのようにへリウムなどの作動媒体との熱交換によって蓄熱（蓄冷）作用を有する材料が充填されている。また、圧縮部５は、圧縮部シリンダ５ａと、この圧縮部シリンダ５ａ内で往復移動する圧縮ピストン５ｂとがそれぞれ設けられている。膨張部６は、膨張部シリンダ６ａと、この膨張部シリンダ６ａ内で往復移動する膨張ピストン６ｂとがそれぞれ設けられている。

さらに、第１の蓄冷器４ａと第２の蓄冷器４ｂとの間には圧縮膨張兼用部７が配設されている。この圧縮膨張兼用部７は、シリンダ（圧力室）７ａと、このシリンダ７ａ内で往復移動する圧縮膨張兼用ピストン（アクチュエータ）７ｂとが設けられている。この圧縮膨張兼用部７は、シリンダ７ａ内の圧縮膨張兼用ピストン７ｂの一面側を圧縮器、その裏面側を膨張器として機能させるものである。本実施の形態では、図２中で、シリンダ７ａ内の圧縮膨張兼用ピストン７ｂの左側が圧縮器７ｃ、右側が膨張器７ｄとしてそれぞれ機能する。

本実施の形態では圧縮部５、膨張部６および圧縮膨張兼用部７の外周部位には、図示しないモータステータが配設されている。また、圧縮ピストン５ｂ、膨張ピストン６ｂ、圧縮膨張兼用ピストン７ｂには、図示しないモータマグネットが配設されている。これらにより、圧縮ピストン５ｂ、膨張ピストン６ｂ、圧縮膨張兼用ピストン７ｂを駆動するリニアモータが構成されている。そして、圧縮ピストン５ｂ、膨張ピストン６ｂ、圧縮膨張兼用ピストン７ｂは、冷凍サイクルとして適切な位相差を保持した状態で駆動される。

また、圧縮部５と第１の蓄冷器４ａとの間には高温側熱交換器８、第１の蓄冷器４ａと圧縮膨張兼用部７との間には低温側熱交換器９がそれぞれ配設されている。さらに、圧縮膨張兼用部７と第２の蓄冷器４ｂとの間には高温側熱交換器１０、第２の蓄冷器４ｂと膨張部６との間には低温側熱交換器１１がそれぞれ配設されている。これらの高温側熱交換器８、１０および低温側熱交換器９、１１は、多数の細管を並べた作動媒体の通路によって形成されている。これらの通路内を作動媒体が通過する際に作動媒体との熱交換が行なわれる。また、圧縮膨張兼用部７の低温側熱交換器９と高温側熱交換器１０との間は熱伝導のよい材質で接続する熱伝導部１２が配設されている。

そして、本実施の形態の冷凍機２では、圧縮部５と、第１の蓄冷器４ａと、圧縮膨張兼用部７の膨張器７ｄとによって１段目の冷凍機が構成され、圧縮膨張兼用部７の圧縮器７ｃと、第２の蓄冷器４ｂと、膨張部６とによって２段目の冷凍機が構成される。これにより、２段式の冷凍機が構成されている。

（作用）
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態の冷凍機２の使用時には、圧縮ピストン５ｂ、膨張ピストン６ｂ、圧縮膨張兼用ピストン７ｂは冷凍サイクルとして適切な位相差を保持した状態で駆動される。このとき、図２中に矢印Ａ１で示すように圧縮ピストン５ｂの移動により作動媒体を圧縮する際に放熱する。このときの作動媒体の圧縮熱は、図示しない放熱器によって放熱される。続いて、圧縮ピストン５ｂと圧縮膨張兼用ピストン７ｂとが容積を保ったまま図２中に矢印Ａ１、Ａ２で示すように移動する。このとき、圧縮された作動媒体が第１の蓄冷器４ａを通ることで高圧のまま冷却される。その後、圧縮膨張兼用ピストン７ｂの図２中に矢印Ａ２で示す移動により圧縮膨張兼用部７の膨張器７ｄ内の作動媒体を膨張させる際に作動媒体の温度が下がり、吸熱する。続いて、圧縮ピストン５ｂと圧縮膨張兼用部７の圧縮膨張兼用ピストン７ｂとが連動して図２中に矢印Ｂ２、Ｂ１で示すように軸方向に移動する際に作動媒体が第１の蓄冷器４ａを通ることで第１の蓄冷器４ａを冷却し、作動媒体の温度が上昇し、１段目の冷凍機の１サイクルが終了する。

また、圧縮膨張兼用ピストン７ｂが図２中に矢印Ａ２で示す方向に移動する動作により圧縮膨張兼用部７の圧縮器７ｃ内の作動媒体を圧縮する。続いて、圧縮膨張兼用ピストン７ｂと膨張ピストン６ｂとが容積を保ったまま図２中に矢印Ａ２、Ａ３で示すように移動する。このとき、圧縮された作動媒体が第２の蓄冷器４ｂを通ることで高圧のまま冷却される。その後、膨張ピストン６ｂの図２中に矢印Ａ３で示す移動により膨張部６内の作動媒体を膨張させる際に作動媒体の温度が下がり、吸熱する。続いて、膨張ピストン６ｂと圧縮膨張兼用部７の圧縮膨張兼用ピストン７ｂとが連動して図２中に矢印Ｂ３、Ｂ２で示すように軸方向に移動する際に作動媒体が第２の蓄冷器４ｂを通ることで第２の蓄冷器４ｂを冷却し、作動媒体の温度が上昇し、２段目の冷凍機の１サイクルが終了する。

また、圧縮膨張兼用部７の低温側熱交換器９と高温側熱交換器１０との間は熱伝導部１２によって熱輸送させている。これにより、１段目の冷凍機のサイクルによって冷却された第１の低温側熱交換器９が熱伝導部１２を介して熱伝導によって第２の高温側熱交換器１０を吸熱して、圧縮膨張兼用ピストン７ｂを挟んで熱輸送をさせている。なお、圧縮膨張兼用ピストン７ｂの表裏に熱伝達率を高めるヒートシンクや、フィン状の微細な突起を設けて、圧縮膨張兼用ピストン７ｂの表裏での熱伝導による熱伝導ピストンを持ってもよい。この場合は、低温側熱交換器９および高温側熱交換器１０は省略することができる。

（効果）
上記構成の本実施の形態の冷凍機２では次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態の冷凍機２の圧縮膨張兼用部７では、圧縮膨張兼用ピストン７ｂは、シリンダ７ａ内の圧縮器７ｃ側では仕事をして、膨張器７ｄ側では仕事を受ける。このとき、シリンダ７ａ内の膨張器７ｄ側で受けた仕事は力のつり合いにより、そのまま圧縮膨張兼用ピストン７ｂの反対面の圧縮器７ｃ側の仕事に使用できるので、通常は困難である膨張器７ｄ側のピストンの仕事のエネルギー回収ができる。そのため、膨張器７ｄ側の圧縮膨張兼用ピストン７ｂの損失がなく、効率が高い。これにより、冷凍機２の全体のエネルギー損失を小さくすることができ、運転効率の向上が図れる冷凍機２を提供することができる。

［第２の実施の形態］
（構成）
図３は、第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１および図２参照）の２段式の冷凍機の構成を多段、本実施の形態では、４段式の冷凍機２１に適用した場合を示す。なお、図３中で、図１および図２と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態の冷凍機２１では、高温側の圧縮部５と低温側の膨張部６との間に圧縮膨張兼用部７が複数段、本実施の形態では３段に積層されている。また、圧縮部５と１段目の圧縮膨張兼用部７との間には第１の蓄冷器２２ａが配設されている。１段目の圧縮膨張兼用部７と２段目の圧縮膨張兼用部７との間には第２の蓄冷器２２ｂが配設されている。２段目の圧縮膨張兼用部７と３段目の圧縮膨張兼用部７との間には第３の蓄冷器２２ｃが配設されている。３段目の圧縮膨張兼用部７と膨張部６との間には第４の蓄冷器２２ｄが配設されている。なお、第１の蓄冷器２２ａ〜第４の蓄冷器２２ｄは、第１の実施の形態の２つの蓄冷器（第１の蓄冷器４ａと第２の蓄冷器４ｂ）と同一構成になっている。

（作用・効果）
本実施の形態では、高温側の圧縮部５と低温側の膨張部６との間に３段の圧縮膨張兼用部７を積層させている。これにより、高温側の圧縮部５から低温側の膨張部６まで４段階で冷却することができる。そのため、各段の圧縮膨張兼用部７で受け持つ冷凍温度範囲を小さくすることができるので、第１実施形態と同様の効果に加え、冷凍機２１の運転時に冷却対象物３を冷却する最終的な設定温度まで達する時間を短縮することができる効果がある。

［第３の実施の形態］
（構成）
図４は、第３の実施の形態を示す。本実施の形態は第１の実施の形態（図１および図２参照）の冷凍機の変形例である。なお、図４中で、図１および図２と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態では、高温側の圧縮部５と低温側の膨張部６との間に第２の実施の形態（図３参照）よりもさらに多段の８段の圧縮膨張兼用部７を積層させたものである。これにより、本実施の形態では９段式の冷凍機が構成されている。なお、図４中の（１）〜（４）は、冷凍サイクルにおけるピストンの位相の変化状態を示す。

（作用・効果）
本実施の形態では冷凍機の駆動時には、冷凍機の１サイクル内で高温側の圧縮部５と、低温側の膨張部６と、８段の圧縮膨張兼用部７とが順次駆動され、図４中の（１）〜（４）の位相の変化が行なわれる。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、これに加えて第２の実施の形態と同様の効果がある。

［第４の実施の形態］
（構成）
図５乃至図７は、第４の実施の形態を示す。本実施の形態は、図１の装置の具体的な一例を示す。図５は、第４の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機を使用した装置全体の概略構成図である。図５中で、参照符号３１は、真空断熱容器（冷凍槽）である。この真空断熱容器３１の一端側に放熱器３２が配設されている。真空断熱容器３１の内部には、４段式のスターリングサイクルの冷凍機３３が配設されている。このスターリングサイクルの冷凍機３３は、基端側に高温側の圧縮部３４、先端側に低温側の膨張部３５が配設されている。

さらに、高温側の圧縮部３４と低温側の膨張部３５との間には、３段の圧縮膨張兼用部３６が積層された状態で配設されている。また、圧縮部３４と１段目の圧縮膨張兼用部３６との間には第１の蓄冷器３７ａが配設されている。１段目の圧縮膨張兼用部３６と２段目の圧縮膨張兼用部３６との間には第２の蓄冷器３７ｂが配設されている。２段目の圧縮膨張兼用部３６と３段目の圧縮膨張兼用部３６との間には第３の蓄冷器３７ｃが配設されている。３段目の圧縮膨張兼用部３６と膨張部３５との間には第４の蓄冷器３７ｄが配設されている。なお、第１の蓄冷器２２ａ〜第４の蓄冷器２２ｄは、第１の実施の形態の２つの蓄冷器（第１の蓄冷器４ａと第２の蓄冷器４ｂ）と同一構成になっている。

圧縮部３４は、圧縮部シリンダ３４ａと、この圧縮部シリンダ３４ａ内で往復移動する圧縮ピストン３４ｂとがそれぞれ設けられている。また、圧縮部シリンダ３４ａ内には、この圧縮部シリンダ３４ａの基端部と、圧縮ピストン３４ｂとの間に第１の予圧ばね３８が配設されている。膨張部３５は、膨張部シリンダ３５ａと、この膨張部シリンダ３５ａ内で往復移動する膨張ピストン３５ｂとがそれぞれ設けられている。

また、３段の圧縮膨張兼用部３６は、それぞれ同一構成になっている。すなわち、圧縮膨張兼用部３６は、シリンダ（圧力室）３６ａと、このシリンダ３６ａ内で往復移動する圧縮膨張兼用ピストン（アクチュエータ）３６ｂとが設けられている。この圧縮膨張兼用部３６は、シリンダ３６ａ内の圧縮膨張兼用ピストン３６ｂの一面側を圧縮器、その裏面側を膨張器として機能させるものである。本実施の形態では、図５中で、シリンダ３６ａ内の圧縮膨張兼用ピストン３６ｂの左側が圧縮器３６ｃ、右側が膨張器３６ｄとしてそれぞれ機能する。

本実施の形態では圧縮部３４、膨張部３５および３段の圧縮膨張兼用部３６の外周部位には、モータステータ３９が配設されている。また、圧縮ピストン３４ｂ、膨張ピストン３５ｂ、圧縮膨張兼用ピストン３６ｂは、同一構成になっている。図６は、圧縮膨張兼用ピストン３６ｂの構成を示す。この圧縮膨張兼用ピストン３６ｂには、モータマグネット４０と位置検出用のエンコーダ（スケール）４１とが配設されている。圧縮ピストン３４ｂ、膨張ピストン３５ｂも同様である。そして、モータステータ３９とモータマグネット４０とにより、圧縮ピストン３４ｂ、膨張ピストン３５ｂ、圧縮膨張兼用ピストン３６ｂを駆動するリニアモータＭが構成されている。そして、圧縮ピストン３４ｂ、膨張ピストン３５ｂ、圧縮膨張兼用ピストン３６ｂは、冷凍サイクルとして適切な位相差を保持した状態で駆動される。

また、圧縮部３４と第１の蓄冷器３７ａとの間には圧縮側熱交換器４２、第１の蓄冷器３７ａと１段目の圧縮膨張兼用部３６との間には膨張側熱交換器４３がそれぞれ配設されている。圧縮側熱交換器４２は、放熱器３２に接続されている。さらに、１段目の圧縮膨張兼用部３６と第２の蓄冷器３７ｂとの間には圧縮側熱交換器４４が配設されている。圧縮膨張兼用部３６のシリンダ３６ａの外側には、膨張側熱交換器４３と圧縮側熱交換器４４との間を接続する伝熱部４５が配設されている。この伝熱部４５は、接熱伝導のよい材質で形成されている。なお、２段目の圧縮膨張兼用部３６と３段目の圧縮膨張兼用部３６も１段目の圧縮膨張兼用部３６と同様に構成されている。圧縮膨張兼用部３６のシリンダ３６ａには位置検出用のエンコーダ（センサ）４６が、また伝熱部４５には、温度センサ４７がそれぞれ配設されている。

膨張部３５には、膨張部シリンダ３５ａと３段目の圧縮膨張兼用部３６との間に膨張側熱交換器４８が配設されている。この膨張側熱交換器４８には、膨張部シリンダ３５ａの外周に配設された熱伝導部である固定部材４９が接続されている。この固定部材４９の先端部には冷却対象物５０が固定されている。さらに、固定部材４９の基端部および先端部にはそれぞれ温度センサ４７が配設されている。また、膨張部シリンダ３５ａ内には膨張ピストン３５ｂと膨張部シリンダ３５ａの先端部との間に第２の予圧ばね５１が配設されている。

また、図７は、第４の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機３３の制御系を示すブロック図である。冷凍機３３の本体内に配設されているリニアモータＭと、位置検出用のエンコーダ（センサ）４６と、温度センサ４７とは、ＣＰＵとその周辺回路からなるコントローラである制御部５２に接続されている。この制御部５２により、温度センサ４７によって検出される各段の圧縮膨張兼用部３６および膨張部３５の温度に応じて圧縮ピストン３４ｂ、膨張ピストン３５ｂ、圧縮膨張兼用ピストン３６ｂの変位と、位相制御が行なわれる。

（作用・効果）
本実施の形態の冷凍機３３では、第１実施形態と同様の効果に加え、制御部５２により、温度センサ４７によって検出される各段の圧縮膨張兼用部３６および膨張部３５の温度に応じて圧縮ピストン３４ｂ、膨張ピストン３５ｂ、圧縮膨張兼用ピストン３６ｂの変位と、位相制御が行なわれる。そのため、スターリングサイクルの冷凍機３３における冷凍温度の変更や、冷凍の過程での冷凍速度を上げるための圧縮ピストン３４ｂ、膨張ピストン３５ｂ、圧縮膨張兼用ピストン３６ｂの運転位相を適切に変更することもできる。

［第５の実施の形態］
（構成）
図８乃至図１０は、第５の実施の形態を示す。本実施の形態は、第４の実施の形態（図５乃至図７参照）のスターリングサイクルの冷凍機３３の変形例である。なお、図８乃至図１０中で、図５乃至図７と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態では、圧縮部３４、膨張部３５および３段の圧縮膨張兼用部３６の構成が次の通り変更されている。すなわち、本実施の形態では、第４の実施の形態の冷凍機３３のアクチュエータである圧縮ピストン３４ｂ、膨張ピストン３５ｂおよび圧縮膨張兼用ピストン３６ｂの代わりに、圧電素子付きダイアフラム（以下、圧電ダイアフラムと称する）６１を用いる。

本実施の形態の圧電ダイアフラム６１は、図９に示すように例えば金属膜状のダイアフラム６２の両面に圧電素子６３ａ、６３ｂを貼り付けたものである。圧電ダイアフラム６１の圧電素子６３ａ、６３ｂに、電圧をかけると、ダイアフラム６２が凹型凸型に変形する事が知られている。

図９の（Ｂ）は、ダイアフラム６２の上下の圧電素子６３ａ、６３ｂが両方とも非変形状態で保持され、ダイアフラム６２が直線状に保持された中立状態である。図９の（Ａ）は、ダイアフラム６２の上側の圧電素子６３ａが伸長する方向に変形し、ダイアフラム６２の下側の圧電素子６３ｂが圧縮する方向に変形することにより、ダイアフラム６２の中央部分が上向きに突出する凸曲面形状に変形された第１の変形状態である。図９の（Ｃ）は、ダイアフラム６２の上側の圧電素子６３ａが圧縮する方向に変形し、ダイアフラム６２の下側の圧電素子６３ｂが伸長する方向に変形することにより、ダイアフラム６２の中央部分が下向きに突出する凹曲面形状に変形された第２の変形状態である。

そして、上記図９の（Ｂ）−（Ａ）−（Ｂ）−（Ｃ）−（Ｂ）−（Ａ）の一連の変形動作の繰り返しにより、ピストンと同様の動作を行なうことができる。これにより、圧縮部３４、膨張部３５および３段の圧縮膨張兼用部３６の動作ガスである高圧のヘリウムガスの気密を保持しながらポンプのように動作させることができる。

また、図１０は、第５の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機３３の制御系を示すブロック図である。本実施の形態では冷凍機３３の本体内に配設されている圧電ダイアフラム６１の圧電素子６３ａ、６３ｂと、温度センサ４７とは、ＣＰＵとその周辺回路からなるコントローラである制御部６４に接続されている。この制御部６４により、温度センサ４７によって検出される各段の圧縮膨張兼用部３６および膨張部３５の温度に応じてダイアフラム６１の圧電素子６３ａ、６３ｂの変位と、位相制御が行なわれる。

（作用・効果）
本実施の形態の冷凍機では、第４の実施の形態の冷凍機３３のアクチュエータである圧縮ピストン３４ｂ、膨張ピストン３５ｂおよび圧縮膨張兼用ピストン３６ｂの代わりに、圧電ダイアフラム６１を用いたアクチュエータを設けた。そして、圧電ダイアフラム６１の圧電素子６３ａ、６３ｂに、電圧をかけることで、図９の（Ｂ）−（Ａ）−（Ｂ）−（Ｃ）−（Ｂ）−（Ａ）の一連の変形動作の繰り返しにより、ピストンと同様の動作を行なうことができる。これにより、圧縮部３４、膨張部３５および３段の圧縮膨張兼用部３６の動作ガスである高圧のヘリウムガスの気密を保持しながらポンプのように動作させることができる。そのため、本実施の形態ではピストンのような摺動部を持たないため高寿命である。また、ピストンの場合、ピストンの外部にアクチュエータとしてのリニアモータの励磁部が必要であり、構造が繁雑なるが、圧電ダイアフラム６１の場合には、アクチュエータが一体となっているので、外部の構成品が不要であり、構造がシンプルである。

さらに、アクチュエータである圧電ダイアフラム６１の圧電素子６３ａ、６３ｂは、モータなどの巻線機器と比べて、熱の損失が通常極めて少ない。そのため、蓄冷器の中間に圧電ダイアフラム６１を挿入した際に発熱が少ないので、冷凍機３３の冷却効率を高めることができる。

［第６の実施の形態］
（構成）
図１１乃至図１３は、第６の実施の形態を示す。本実施の形態は第５の実施の形態（図８乃至図１０参照）の圧電ダイアフラム６１を用いる冷凍機の変形例である。本実施の形態では、圧縮膨張兼用部は、第１のシート７１上に第５の実施の形態の圧電ダイアフラム６１を縦方向および横方向にそれぞれ複数並設させてアレイ状に配列させたアクチュエータシート７２によって形成されている。さらに、蓄冷器は、第１のシート７１と対向配置される第２のシート７３上に第５の実施の形態の圧電ダイアフラム６１と対応する位置に複数の蓄冷器３７をアレイ状に配列させた蓄冷器シート７４によって形成されている。そして、これらの複数のアクチュエータシート７２と複数の蓄冷器シート７４とを交互に積層させた積層体７５を設けて多段冷凍機を構成したものである。

図１２に示すように各シート７２、７４間には、アレイ状に配列させた第５の実施の形態の圧電ダイアフラム６１と対応する位置に熱伝導率の低い材料、例えばステンレスや、マコール（登録商標）で、円筒状に形成された断熱スリーブ７６が設けられている。これにより、シート７２、７４間の接合部は、断熱スリーブ７６によって接合表面積が小さくなるように接合されている。

（作用・効果）
本実施の形態の冷凍機では、複数のアクチュエータシート７２と複数の蓄冷器シート７４とを交互に積層させた積層体７５を設けて多段冷凍機を構成したので、多段冷凍機を薄型に製作することができる。本実施の形態の冷凍機では、アクチュエータシート７２の圧電ダイアフラム６１が薄く、軽量なので、通常のスターリング冷凍機では駆動できなかった高周波（ｋＨｚオーダー）で動作可能となる。あわせて蓄冷器シート７４も薄型にすることにより、高周波運転が可能となり、体積比出力（サイズを一定にした時の）を大きくとれる。さらに、多段冷凍機を薄型に製作し、サイズが小さくなると、動作ヘリウムの耐圧（強度的）が高くできる。そのため、動作ヘリウムを高圧化できて、サイズを一定にした時の体積比出力を大きくとれる。

本実施の形態の薄型冷凍機は、寸法関係を極めて微細に設定すると、半導体製造プロセスや、ＭＥＭＳ製造プロセスを用いることにより、蓄冷器や熱交換器を含む冷凍機構成品の形成と冷凍機用の動作ヘリウムの封止や、真空封止が安価に大量に製造可能となる。

例えば、蓄冷器サイズは、直径２０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ〜直径１０００μｍ×厚さ７５μｍである。圧電ダイアフラムサイズは、直径２０ｍｍ×厚さ１ｍｍ〜直径１０００μｍ×厚さ７５μｍである。熱交換器、スリーブ厚さは、厚さ０．２ｍｍ〜厚さ１０μｍである。アレイ数、積層段数は、４×４アレイ、２０段である。外形は、１００ｍｍ×厚さ７０ｍｍ〜５ｍｍ×３．５ｍｍである。特に、冷凍対象をＬＮＡ（ローノイズアンプ）や、超伝導回路を含む電子回路とすると、回路の形成も一連の工程の中で製造可能となり、特に大きな利益がある。この場合、例えば図１３に示すようにチップ状の超小型の冷凍機７７を構成することができ、この冷凍機７７の冷凍対象７８として例えば携帯電話などに内蔵されるＬＮＡ（ローノイズアンプ）などの回路を用いることができる。これにより、例えば携帯電話などに冷凍機７７を内蔵した素子を組み込むことができ、高感度の受信機を製造することができる。

［第７の実施の形態］
（構成）
図１４は、第７の実施の形態を示す。本実施の形態は第６の実施の形態（図１１乃至図１３参照）の冷凍機の変形例である。なお、図１４中で、図１１乃至図１３と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態は、第６の実施の形態のアクチュエータシート７２および蓄冷器シート７４の外周部位をそれぞれ個別にシールドするシールド部材８１を積層させた多層シールド８２を設けたものである。各シールド部材８１の内部は真空状態に保持されている。また、各シート７２、７４は、熱の輻射による熱侵入を抑圧するため、金メッキ等を施すことが好ましい。多層シールド８２では、多段の輻射シートを冷凍機内部に構成することとなるので、冷凍機の高温側から低温側への熱の移動が抑圧される構造となる。

そして、図１４に示すように冷凍対象８３を多層シールド８２で覆ってしまえば、真空断熱容器は不要となる。なお、最も外側の蓄冷器シート７４はヒートシンク８４に接続されている。

（作用・効果）
本実施の形態の冷凍機では、冷凍対象８３をシールド部材８１を積層させた多層シールド８２で覆うことにより、一層、効率的な断熱効果を得ることができる。

なお、アクチュエータシート７２の圧電ダイアフラム６１の表面は、動作ガスとの熱交換が容易であるように、表面性状を荒らし熱伝達率を上げることが好ましい。また、圧電ダイアフラム６１は、熱伝導の良い部品、例えば銅合金を選定することが好ましい。

これらの実施形態によれば、冷凍機全体のエネルギー損失を小さくすることができ、運転効率の向上が図れる冷凍機を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ａ…蓄冷器、ｂ…圧縮部、ｃ…膨張部、ｄ…圧縮ピストン、ｅ…膨張ピストン、Ｍ…リニアモータ、１…真空断熱容器、２…スターリングサイクル冷凍機、３…冷却対象物、４ａ…第１の蓄冷器、４ｂ…第２の蓄冷器、５…圧縮部、５ａ…圧縮部シリンダ、５ｂ…圧縮ピストン、６…膨張部、６ａ…膨張部シリンダ、６ｂ…膨張ピストン、７…圧縮膨張兼用部、７ａ…シリンダ、７ｂ…圧縮膨張兼用ピストン、７ｃ…圧縮器、７ｄ…膨張器、８…高温側熱交換器、９…低温側熱交換器、１０…高温側熱交換器、１１…低温側熱交換器、１２…熱伝導部、２１…冷凍機、２２ａ…第１の蓄冷器、２２ｂ…第２の蓄冷器、２２ｃ…第３の蓄冷器、２２ｄ…第４の蓄冷器、３１…真空断熱容器、３２…放熱器、３３…冷凍機、３４…圧縮部、３４ａ…圧縮部シリンダ、３４ｂ…圧縮ピストン、３５…膨張部、３５ａ…膨張部シリンダ、３５ｂ…膨張ピストン、３６…圧縮膨張兼用部、３６ａ…シリンダ、３６ｂ…圧縮膨張兼用ピストン、３６ｃ…圧縮器、３６ｄ…膨張器、３７ａ…第１の蓄冷器、３７ｂ…第２の蓄冷器、３７ｃ…第３の蓄冷器、３７ｄ…第４の蓄冷器、３７…蓄冷器、３９…モータステータ、４０…モータマグネット、４１…エンコーダ、４２…圧縮側熱交換器、４３…膨張側熱交換器、４４…圧縮側熱交換器、４５…伝熱部、４６…エンコーダ、４７…温度センサ、４８…膨張側熱交換器、４９…固定部材、５０…冷却対象物、５２…制御部、６１…圧電ダイアフラム、６２…ダイアフラム、６３ａ，６３ｂ…圧電素子、６４…制御部、７１…第１のシート、７２…アクチュエータシート、７３…第２のシート、７４…蓄冷器シート、７５…積層体、７６…断熱スリーブ、７７…冷凍機、７８…冷凍対象、８１…シールド部材、８２…多層シールド、８３…冷凍対象、８４…ヒートシンク。

Claims (11)

1. 蓄冷器を介して一端側に高温側の圧縮部、他端側に低温側の膨張部が配設されるスターリングサイクルの冷凍機であって、
   圧力室内に配設され、作動媒体を駆動するアクチュエータの一面側を圧縮器、その裏面側を膨張器として機能させる圧縮膨張兼用部を前記圧縮部と前記膨張部との間に配設させたことを特徴とする冷凍機。
2. 前記圧縮膨張兼用部は、複数段積層されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
3. 複数段の前記圧縮膨張兼用部は、それぞれ温度センサを備え、
   前記温度センサの検出温度に応じて前記各段の前記圧縮膨張兼用部のアクチュエータを制御するコントローラを有することを特徴とする請求項２に記載の冷凍機。
4. 前記アクチュエータは、ダイヤフラムの少なくとも一面に圧電素子が配設された圧電素子付きダイヤフラムまたはピストンのいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
5. 前記圧縮膨張兼用部は、第１のシート上に前記ダイヤフラムをアレイ状に配列させたアクチュエータシートによって形成され、
   前記蓄冷器は、前記第１のシートと対向配置される第２のシート上に前記ダイヤフラムと対応する位置に前記蓄冷器をアレイ状に配列させた蓄冷器シートによって形成され、
   前記アクチュエータシートと前記蓄冷器シートとを積層させた積層体を設けたことを特徴とする請求項４に記載の冷凍機。
6. 前記積層体は、前記アクチュエータシートと前記蓄冷器シートとをそれぞれ真空シールド内に収容させた多層シールドを有することを特徴とする請求項５に記載の冷凍機。
7. 前記圧縮膨張兼用部は、前記圧縮部側の高温側熱交換器と前記膨張部側の低温側熱交換器との間を連結する熱伝導部を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
8. 前記圧縮膨張兼用部は、アクチュエータの両面に熱交換部を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
9. 前記圧電素子付きダイヤフラムは、前記圧電素子の表面に熱伝達率を上げる粗面部を有することを特徴とする請求項４に記載の冷凍機。
10. 前記圧電素子付きダイヤフラムは、前記ダイヤフラムが銅合金によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の冷凍機。
11. 前記積層体は、前記シート間の接合部が熱伝導率の低い材料で、接合表面積が小さく接合させたことを特徴とする請求項５に記載の冷凍機。

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