JP6266477B2 - 冷凍機 - Google Patents

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７に示す構成の装置が知られている。図７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８の（１）〜（４）に示す動作が行われる。すなわち、図８の（１）に示すように圧縮ピストンｄの移動により例えばヘリウムガスなどの作動媒体を圧縮する際に放熱する。続いて、図８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８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８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８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。

本実施形態の課題は、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にある。

実施形態によれば、圧縮膨張兼用部と、周波数調整手段と、位相調整手段と、温度センサと、制御部と、を有する。圧縮膨張兼用部は、圧力室内を仕切るダイアフラムの一面側の内部空間を圧縮器、その裏面側の内部空間を膨張器として機能させる。周波数調整手段は、ダイアフラムと、リング状の圧電素子を有する。圧電素子の変形動作に応じてダイアフラムの張力を変化させて圧力振動の振動周波数を調整する。位相調整手段は、パルスチューブと、一対の平面状の圧電素子とを有する。一対の圧電素子の変形動作に応じてパルスチューブのパイプ断面積とパイプ長を変更して圧力振動の振動位相を調整する。

第１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を示す縦断面図である。 第１の実施の形態のスターリングサイクル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もので、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は要部の縦断面図である。 第１の実施の形態のスターリングサイクル冷凍機の圧電素子付きパルスチューブの動作状態を説明するもので、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は縦断面図である。 第１の実施の形態のスターリングサイクル冷凍機の制御系を示すブロック図である。 第１の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機の動作状態を説明するフローチャートである。 第１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パルスチューブの変形例を示すもので、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は縦断面図である。 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である。 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である。

［第１の実施の形態］
（構成）
図１乃至図５は、第１の実施の形態を示す。図１は、第１の実施の形態のスターリングサイクルの冷凍機１の概略構成を示す縦断面図である。図１中で、参照符号２は、真空断熱容器（冷凍槽）である。この真空断熱容器２の一端側に放熱器３が配設されている。

放熱器３の中心部には、外部圧縮器４が配設されている。この外部圧縮器４は、シリンダ４ａと、このシリンダ４ａ内で往復移動するピストン４ｂとがそれぞれ設けられている。また、シリンダ４ａ内には、このシリンダ４ａの基端部と、ピストン４ｂとの間に予圧ばね５が配設されている。本実施の形態では外部圧縮器４のシリンダ４ａの外周部位には、モータステータ６が配設されている。ピストン４ｂには、図示しないモータマグネットと位置検出用のエンコーダとが配設されている。そして、モータステータ６とピストン４ｂのモータマグネットとにより、ピストン４ｂを軸方向（図１中で左右方向）に往復駆動するリニアモータＭが構成されている。

真空断熱容器２の内部には、外部圧縮器４とともにスターリングサイクルの冷凍機１を構成する４段の圧縮膨張兼用部７と、４つの蓄冷器８とが設けられている。４つの蓄冷器８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。

ここで、４段の圧縮膨張兼用部７は、外部圧縮器４側から順に第１の圧縮膨張兼用部７ａ、第２の圧縮膨張兼用部７ｂ、第３の圧縮膨張兼用部７ｃ、第４の圧縮膨張兼用部７ｄと表示する。そして、外部圧縮器４と第１の圧縮膨張兼用部７ａとの間に第１の蓄冷器８ａ、第１の圧縮膨張兼用部７ａと第２の圧縮膨張兼用部７ｂとの間に第２の蓄冷器８ｂ、第２の圧縮膨張兼用部７ｂと第３の圧縮膨張兼用部７ｃとの間に第３の蓄冷器８ｃ、第３の圧縮膨張兼用部７ｃと第４の圧縮膨張兼用部７ｄとの間に第４の蓄冷器８ｄがそれぞれ配置されている。

また、４段の圧縮膨張兼用部７は、同一構成になっている。すなわち、圧縮膨張兼用部７は、圧力室９と、この圧力室９内を仕切るダイアフラム１０とを有する。ダイアフラム１０は、弾性を有した例えば金属薄膜または薄板からできている隔壁である。図２（Ａ），（Ｂ）に示すようにダイアフラム１０の外周部には、リング状の圧電素子１１が固定されている。この圧電素子１１の外周部は、圧力室９の周壁部に固定されている。これにより、圧電素子付きダイアフラム１５が構成されている。この圧電素子付きダイアフラム１５は、外周の圧電素子１１の変位に応じて、ダイアフラム１０の張力を変化できる。ダイアフラム１０の中央部には共振周波数を合わせるための錘１２が付加されている。なお、圧電素子１１で共振周波数を調整できれば、錘１２はなくても良い。

この圧縮膨張兼用部７は、圧力室９内のダイアフラム１０の一面側の内部空間を圧縮器１３、その裏面側の内部空間を膨張器１４として機能させるものである。本実施の形態では、図１中で、圧力室９内のダイアフラム１０の左側が圧縮器１３、右側が膨張器１４としてそれぞれ機能する。

そして、圧電素子付きのダイアフラム１５によって圧電素子１１の変形動作に応じてダイアフラム１０の張力を変化させて圧縮器１３側と膨張器１４側との圧力振動の振動周波数を調整する周波数調整手段が形成されている。

また、外部圧縮器４と第１の蓄冷器８ａとの間には圧縮側熱交換器１６、第１の蓄冷器８ａと１段目の第１の圧縮膨張兼用部７ａとの間には膨張側熱交換器１７がそれぞれ配設されている。圧縮側熱交換器１６は、放熱器３に接続されている。さらに、１段目の第１の圧縮膨張兼用部７ａと第２の蓄冷器８ｂとの間には圧縮側熱交換器１８が配設されている。

第１の圧縮膨張兼用部７ａの圧力室９の外側には、膨張側熱交換器１７と圧縮側熱交換器１８との間を接続する熱伝導部１９が配設されている。この熱伝導部１９は、熱伝導のよい材質で形成されている。さらに、熱伝導部１９には、膨張側熱交換器１７との接続部に温度センサ２０が配設されている。

２〜４段目の第２〜４の圧縮膨張兼用部７ｂ〜７ｄは、第１の圧縮膨張兼用部７ａと同様に構成されている。ただし、４段目の第４の圧縮膨張兼用部７ｄは、熱伝導部１９の先端が固定部材２１に接続されている。この固定部材２１の先端部には、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２２が固定されている。さらに、固定部材２１には温度センサ２０が配設されている。

また、各段の圧縮膨張兼用部７の膨張器１４側には、弾性を有した薄膜または薄板のパイプによって形成されているパルスチューブ２３の一端が連結されている。このパルスチューブ２３の他端側には、図３（Ａ）に示すように例えば渦巻き状に巻回された巻回部２３ａが形成されている。この巻回部２３ａは、図３（Ｂ）に示すように離間対向配置された一対の平面状の圧電素子２４ａ、２４ｂ間に挟持される状態で設置されている。一対の平面状の圧電素子２４ａ、２４ｂは、それぞれ固定壁部２５ａ、２５ｂに固定されている。固定壁部２５ａ、２５ｂの壁面から圧電素子２４ａ、２４ｂの変位に応じて、パルスチューブ２３のパイプ断面がつぶれたり、引き伸ばされたりして、パルスチューブ２３の断面積が変更できる。これにより、圧電素子付きパルスチューブ２６が構成されている。パルスチューブ２３の断面はベローズのような「ひだ」構造をとってもよい。

この圧電素子付きパルスチューブ２６によって一対の圧電素子２４ａ、２４ｂの変形動作に応じてパルスチューブ２３のパイプ断面積を変更して圧縮器１３側と膨張器１４側との圧力振動の位相を調整する位相調整手段が形成されている。

図４は、第１の実施の形態のスターリングサイクル冷凍機の制御系を示すブロック図である。図４に示すように外部圧縮器４のリニアモータＭと、温度センサ２０と、４段の圧縮膨張兼用部７のそれぞれの圧電素子付きダイアフラム１５および圧電素子付きパルスチューブ２６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３１に接続されている。この制御部３１により、各段の圧縮膨張兼用部７および固定部材２１の温度センサ２０によって検出される温度と、各段の圧縮膨張兼用部７のダイアフラム１０の振動周波数と位相とが検出される。このとき、各段の圧縮膨張兼用部７のダイアフラム１０の振動周波数と位相とを検出するために、ダイアフラム１０に付加されている圧電素子１１をセンサとして用いる。圧電素子１１は、適切な張力をダイアフラム１０に与えるために静的な電圧を付加されている。これに外力が加わると圧電素子１１の電圧に変動が生じる。これを制御部３１で検知して、ダイアフラム１０の外力、すなわち圧力振動の周波数と、位相を検出する。ダイアフラム１０の外力のレベルは用いず、周波数と位相のみの検出なので、このような簡易な検出が可能である。

そして、温度センサ２０によって検出される温度と、ダイアフラム１０の圧力振動の周波数と、位相の検出結果に応じて圧電素子付きダイアフラム１５および圧電素子付きパルスチューブ２６の制御が制御部３１により、次のように行なわれる。

（１−１）膨張器１４の圧力振動周波数＜圧縮器１３の圧力振動周波数のときの圧電素子付きダイアフラム１５の制御
図２（Ａ）に示すように圧電素子付きダイアフラム１５の圧電素子１１を収縮させる。これにより、図２（Ａ）中に矢印で示すようにダイアフラム１０に張力を与えて、圧電素子１１の固有振動周波数をあげることができる。

（１−２）膨張器１４の圧力振動周波数＞圧縮器１３の圧力振動周波数のときの制御
圧電素子付きダイアフラム１５の圧電素子１１を膨張させる。これにより、ダイアフラム１０には、図２（Ａ）中の矢印と逆方向の力が作用することで、ダイアフラム１０の張力を緩めて、圧電素子１１の固有振動周波数を下げることができる。

（２−１）膨張器１４の圧力振動位相＜圧縮器１３の圧力位相−９０度のときの圧電素子付きパルスチューブ２６の制御
圧電素子付きパルスチューブ２６の圧電素子２４ａ、２４ｂを収縮させる。これにより、パルスチューブ２３には、図３（Ｂ）中の矢印と逆方向の力が作用することで、パルスチューブ２３の断面積を縮小させる。この状態では、パルスチューブ２３の内部を流れるガス流速を下げ、ガス慣性をさげることができるので、位相が進む。

（２−２）膨張器１４の圧力振動位相＞圧縮器１３の圧力位相−９０度のときの制御
圧電素子付きパルスチューブ２６の圧電素子２４ａ、２４ｂを膨張させる。これにより、図３（Ｂ）中に矢印で示すようにパルスチューブ２３の断面積を拡大させる。この状態では、パルスチューブ２３の内部を流れるガス流速を上げ、ガス慣性を高めることができるので、位相が遅れる。

（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１の使用時には、外部圧縮器４のリニアモータＭによってシリンダ４ａ内のピストン４ｂが駆動される。外部圧縮器４が駆動すると、蓄冷器８を通じてガスの圧力振動として４段の圧縮膨張兼用部７の各ダイアフラム１０が圧力振動を起こす。このとき、４段の圧縮膨張兼用部７の各ダイアフラム１０の圧縮器１３側の面と膨張器１４側の面の圧力変化に応じて、ダイアフラム１０は受動的に駆動（振動）する。各ダイアフラム１０の圧力振動は、蓄冷器８を通じてガスの圧力振動として冷凍機先端の膨張器１４にまで伝達する。

ここで、圧縮器１３側の圧力振動が、膨張器１４側の圧力振動と同じ周波数で振動し、かつ位相が９０度ずれていると、冷凍サイクルが成立する。そこで、本実施の形態では、４段の圧縮膨張兼用部７の圧電素子付きダイアフラム１５と圧電素子付きパルスチューブ２６で各段の圧縮膨張兼用部７のダイアフラム１０の圧力振動の周波数と、位相コントロールをそれぞれ行う。これにより、外部圧縮器４のリニアモータＭ以外に駆動素子を持たない、受動的な（パッシブな）駆動をする多段冷凍機が構成される。

冷凍サイクルが動作すると、各段の圧縮膨張兼用部７のダイアフラム１０のガス温度は、温度差をもち、不均一になる。ガスは、温度によって密度などの物性値が異なるので、制御部３１は、温度に応じて、ダイアフラム１０の張力制御とパルスチューブ２３の断面積制御を行なう。

また、エネルギの観点からみると（図５参照）、外部圧縮器４からの運動エネルギは、冷凍サイクルに伴うダイアフラム１０の圧力差における仕事に消費されるが、同時に、ばねによる弾性エネルギと、慣性による運動エネルギが、振幅に応じてエネルギ授受（共振）が平行して行われている。冷凍サイクルによるガス、ダイアフラム１０の振動にともなうガスの粘性損失、ダイアフラム１０、圧電素子１１による内部損失、また、冷凍サイクルによって生じた温度差による熱エネルギの放熱という、エネルギの損失がある。

（効果）
上記構成の本実施の形態のスターリングサイクル冷凍機１の圧縮膨張兼用部７では、内部のダイアフラム１０の協調駆動（同一周波数、位相９０度ずれ）は、共振現象（ダイアフラム１０の固有振動数の設定と、パルスチューブ２３の断面積の設定により、周波数と位相の制御がされている）によっている。そのため、圧力室９の内部に、駆動アクチュエータとして使用する圧電素子を持たないことで、駆動アクチュエータの発熱による冷凍機損失を防止できる。圧電素子を駆動アクチュエータとして使用する場合は、電気機械変換ヒステリシスがもたらす往復運動による損失（＝発熱）が大きい。これに対し、ダイアフラム１０の共振現象を制御するために使用する圧電素子１１の場合は静的な一定変位による単なる電気機械変換であり、この場合は損失（＝発熱）は少ないことが知られている。

したがって、ダイアフラム１０を往復動させる駆動アクチュエータとして圧電素子を使用する場合は、圧電素子による損失（＝発熱）が大きくなる。これに対し、本実施の形態の圧電素子付きダイアフラム１５の圧電素子１１や、圧電素子付きパルスチューブ２６の圧電素子２４ａ、２４ｂのようにダイアフラム１０の共振現象を制御するために使用する静的な一定変位駆動の設定用アクチュエータとして使用する場合は、損失（＝発熱）が小さい。これにより、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。

［変形例］
図６（Ａ），（Ｂ）は、第１の実施の形態（図１乃至図５参照）のスターリングサイクル冷凍機１の圧電素子付きパルスチューブ２６の変形例を示す。本変形例は、図６（Ｂ）に示すように一対の圧電素子２４ａ、２４ｂをそれぞれ複数の小型圧電素子４１を並設させた圧電素子の集合体によって形成し、各小型圧電素子４１を個別に制御可能にしたものである。これにより、パルスチューブ２３の長さ方向に沿って、部分的に個別な制御を行うことができる。

本変形例では、パルスチューブ２３の管路の途中に、部分的に断面積を極端に小さくするような制御を行えば、見かけ上、パルスチューブ２３の管路長を短く制御できる。これにより、パルスチューブ２３の内部のガス流路となる管路長の変更を行うことができる。

また、パルスチューブ２３の管路の途中を、まとめて一定長さだけ、断面積を拡大するような制御を行えば、見かけ上、パルスチューブ２３内のチャンバとしてはたらく。
したがって、本変形例では、より精密な冷凍サイクルを実現することができる。

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。

１…スターリングサイクル冷凍機、２…真空断熱容器、３…放熱器、４…外部圧縮器、４ａ…シリンダ、４ｂ…ピストン、５…予圧ばね、６…モータステータ、７…圧縮膨張兼用部、７ａ…第１の圧縮膨張兼用部、７ｂ…第２の圧縮膨張兼用部、７ｃ…第３の圧縮膨張兼用部、７ｄ…第４の圧縮膨張兼用部、８…蓄冷器、８ａ…第１の蓄冷器、８ｂ…第２の蓄冷器、８ｃ…第３の蓄冷器、８ｄ…第４の蓄冷器、９…圧力室、１０…ダイアフラム、１１…圧電素子、１２…錘、１３…圧縮器、１４…膨張器、１５…圧電素子付きダイアフラム（周波数調整手段）、１６…圧縮側熱交換器、１７…膨張側熱交換器、１８…圧縮側熱交換器、１９…熱伝導部、２０…温度センサ、２１…固定部材、２２…冷却対象物、２３…パルスチューブ、２３ａ…巻回部、２４ａ…圧電素子、２４ｂ…圧電素子、２５ａ…固定壁部、２５ｂ…固定壁部、２６…圧電素子付きパルスチューブ（位相調整手段）、３１…制御部、４１…小型圧電素子。

Claims (3)

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、
   前記圧縮部と前記膨張部との間に配設され、圧力室内を仕切るダイアフラムの一面側の内部空間を圧縮器、その裏面側の内部空間を膨張器として機能させる圧縮膨張兼用部と、
   前記ダイアフラムの外周部位と、前記圧力室の周壁部との間に配設され、外周部が前記圧力室の周壁部に固定されるリング状の圧電素子を有し、前記圧電素子の変形動作に応じて前記ダイアフラムの張力を変化させて前記圧縮器側の圧力振動と前記膨張器側の圧力振動との振動周波数を調整する周波数調整手段と、
   一端側が前記圧力室内の前記膨張器側に連通された弾性を有するパルスチューブと、前記パルスチューブを挟持する一対の平面状の圧電素子とを有し、前記一対の圧電素子の変形動作に応じて前記パルスチューブのパイプ断面積とパイプ長を変更して前記圧縮器側の圧力振動と前記膨張器側の圧力振動との振動位相を調整する位相調整手段と、
   を有する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周波数調整手段と前記位相調整手段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。