JP6184262B2 - 冷凍機 - Google Patents
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Description
[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。
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。
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。
(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。
(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。
(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。
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。
(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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
Claims (10)
- 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、
前記圧縮膨張兼用部は、複数段積層され、前記作動媒体は、各段で独立であることを特徴とする冷凍機。 - 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1に記載の冷凍機。 - 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。
- 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3に記載の冷凍機。 - 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4に記載の冷凍機。
- 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。
- 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。
- 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3に記載の冷凍機。
- 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3に記載の冷凍機。
- 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4に記載の冷凍機。
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