JPH11513477A

JPH11513477A - 超小型スターリング・サイクル・低温クーラーおよびエンジン

Info

Publication number: JPH11513477A
Application number: JP9515023A
Authority: JP
Inventors: ボウマン，リン; マクエンテイー，ジヤーラス
Original assignee: オハイオ・ユニバーシテイ
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 1999-11-16
Also published as: US5941079A; WO1997013956A1; EP0854968A1; EP0854968A4; CA2234271A1; MX9802775A; AU704294B2; AU6648096A; US5749226A

Abstract

(57)【要約】半導体のプレーナープロセス技術を用いて超小型スターリング・サイクル・エンジンがつくられる。このようなスターリング・サイクル熱機械的変換器は、シリコンの端板（１４、２２）および中間にある再生器（５０）を有している。端板（１４、２２）には隔膜（３４、４４）および背後空間（３２、４２）がつくられ、一つの端板（１４）が膨張端をつくり相対する端板（２２）が圧縮端をつくり、その間に再生器（５０）が接合されている。隔膜（３４、４４）には変位の振幅、位相および周波数を制御するための制御回路装置が連結されている。この制御回路装置は変換器を５００Ｈｚより高い周波数で動作させるようにつくられており、再生器（５０）、膨張空間（３０）および圧縮空間（４０）の内部のものを含め、通路および作業空間は、作業空間中の作業流体の振動的な流れによって生じる不可逆性に特有なウォルマースレイ数が５００Ｈｚより高い動作周波数において実質的に５より小さくなるほど十分に狭くされている。さらに隔膜（３４、４４）の振動の振幅は５００Ｈｚより高い動作周波数において作業流体の最大マッハ数が実質的に０．１より小さくなるほど十分に小さい。

Description

【発明の詳細な説明】超小型スターリング・サイクル・低温クーラーおよびエンジン技術的分野本発明は一般にスターリング・サイクル・エンジンおよび低温クーラーに関し、特に電子集積回路を低温に冷却し、またマイクロマシンを駆動するためのエンジンとして特に有用なスターリング熱機械的変換器に関する。背景となる技術低温において種々の材料が示す有利な電子的性質のために、低温において動作させ得るように電子装置を冷却する種々の機械が開発されて来た。このような多くの冷凍システムはスターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）サイクル・エンジンを用いた低温クーラーを使用している。しかしこのような現存の機械は比較的大きく嵩張っており、非効率で、かなりの振動を生じる雑音の多い機械である。電子回路を著しく小型化させる技術が開発され、これによって複数の電子回路を比較的小さな容積の中に収納し得るようになったが、このような回路を冷却するのに使用できる装置は比較的大きく、従って低温電子回路にかなりの量の余分な容積と重量とを付加する結果となっている。従って大きさと重量とが電子回路に見合ったものであり、電子回路に余分の容積と重量とを付け加えないように小型化され、しかも低温を保つのに十分な割合で熱を吸い上げることができるスターリング・サイクル低温クーラーが必要とされている。冷却装置の大きさおよび熱エネルギーを吸い上げる効率の目安は、その比熱である。比熱は、その機械が吸い上げることができる熱エネルギーの量対その大きさまたは重量についての定量的な測定量の比である。従って低温クーラーは電子装置から十分な熱エネルギーを吸い上げてそれを低温に保つことができるばかりでなく、出来る限り最小の大きさおよび重量においてこれが可能でなければならない。従って比熱が大きいほどそのクーラーは望ましいものとなる。従来法において、クーラーを高い周波数で動作させることによりスターリング・サイクル・クーラーの比熱を増加させ得ること、従って改良し得ることが認められている。クーラーを小さくすれば熱エネルギーを吸い上げる速度を十分高く保つことができるが、その操作の周波数が増加し、毎秒当たりの熱エネルギー吸い上げサイクルが大きくなる。しかしまた、エントロピー生成過程（即ち不可逆過程）によってスターリング・サイクル装置の周波数に上限が課せられることも従来法で認められている。操作周波数が増加すると、作業流体とスターリング低温クーラーの内部通路の壁との摩擦によって、粘稠性が増加に起因する熱の消費も増加する。その結果高周波数でスターリング・サイクル装置の通路を通してガスを前後に移動させるには多くの仕事が要求される。また冷凍機の中の作業流体の見掛けの熱伝導率が増加し、その結果冷凍機の低温側に多量の熱が伝えられ、熱交換器中の熱の移動が減少する。熱の移動の減少は、軸方向における物質流の周期的な変動と流れが振動することによって生じる半径方向の熱勾配との間に、或る種の位相関係が存在するために生じる。その結果低温クーラーが吸い上げなければならない熱の量が増加し、他方熱を周囲と交換する上での低温クーラーの効率が減少する。従って周波数が増加すると取出し得る熱は減少する。そのために従来法においては、スターリング・サイクル装置の周波数の上限は５０Ｈｚ程度であり、従来つくられたものの中では１２０Ｈｚで操作されるようにつくられた装置が最高の周波数をもつスターリング装置であるとされて来た。従って電子装置を低温に保つのに十分な速度で熱を取り出すことができ、しかもこれらの電子回路を使用する装置に許容できそれに見合った比熱を示す、大きさおよび重量が十分に小さいスターリング低温クーラーが必要とされている。最近になってマイクロマシンの技術が発達して来た。このような機械は運動変換リンク機構、機械的前進機構、動力伝達系列、弁、隔膜、カンチレバー・ビーム等のように形状および動作形態が通常の機械的な装置を使用しており、これらの装置はその形状および動作形態が通常の機械的な装置に似ているが、その大きさは数ｍｍまたはそれ以下の程度である。スターリング・サイクル・エンジンは機械的な原動機として久しい以前から使用されて来たが、マイクロマシン技術の発達に伴って使用される超小型化スターリング・サイクル・エンジンが必要とされている。本発明の簡単な説明内部通路を含む圧力保持室を有し、圧縮および膨張可能な作業流体を含むスターリング・サイクル装置を用いた熱機械的変換器は従来法において記載されている。また作業流体の輸送およびスターリング・サイクル装置に特有な容積の変化に伴って可撓性の隔膜を使用することも従来法の文献に記載されている。このような隔膜は、制御回路装置と、或いは偏差の形態、振幅、位相および周波数を制御するために該隔膜に連結された他の装置と組み合わされている。本発明においては、隔膜に付属した或る種の質量体とバネ、および５００Ｈｚ以上、例えば１０００Ｈｚの動作周波数でスターリング・サイクル熱機械的変換器を制御しながら動作させるために該変換器の内部で発生する圧力と、５より小さいウォルマースレイ（Ｗｏｌｍｅｒｓｌｅｙ）数を与えるのに十分な狭さをもつ作業空間中の通路、および該動作周波数において０．１より小さいマッハ（Ｍａｃｈ）数を与える程十分小さい隔膜の振幅との組み合わせを用いる。このような狭い通路および小さい振幅の隔膜の振動を用いると、流体を輸送する際になされる仕事および熱を輸送する際の温度低下のような不可逆性が十分に減少し、許容できるほど高い比熱をもった機械を提供することができる。その結果従来可能と考えられたものよりはるかに小さい大きさで実用的な十分に高い比熱を得ることができる。また本発明は、シリコンのスターリング・サイクル装置の熱再生区域、並びに熱吸収区域および熱放出区域をつくり、写真平板法、エッチング法、酸化法、接合法および薄膜技術などのようなプレーナープロセス（ｐｌａｎａｒｐｒｏｃｅｓｓ）を利用して数百のマイクロ冷凍機成分を同時につくるウエファー規模での製造を行うことを目的としている。本発明はさらにこのような変換器の配列の製作、並びにクーラーおよびエンジンの両方の機能をもつこのような配列の製作を目的としている。本発明の他の態様は下記に説明する通りであり、以下の説明により当業界の専門家には明白になるであろう。図面の簡単な説明図１は集積電子回路を冷却する目的で本発明を具体化したスターリング・サイクル変換器の配列を示す見取り図および断面図である。図２は詳細を示すための図１の一部の拡大図である。図３は詳細を示すための図１の一部の拡大図である。図４は図１の４−４の線に実質的に沿った水平断面図である。図５は図１の５−５の線に実質的に沿った垂直断面図である。図５Ａは図５に示した構造物の一部の拡大垂直断面図である。図６、７および７Ａは図４、５および５Ａと同様な図であるが、本発明の他の具体化を示す。図８および９は図４および５と同様な図であるが、本発明の他の具体化を示す。図１０および１１は図４および５と同様な図であるが、本発明の他の具体化を示す。図１２は本発明の具体化例の排気および容積の変動を示す四つのグラフである。図１３〜１７は本発明の制御システムを示すブロック図および模式図である。図１８は電子装置および他の装置を冷却するための本発明を具体化したスターリング・サイクル変換器を示す軸方向の断面図である。図１９は流体を吸い上げるためのスターリング・サイクル変換器として本発明を具体化した他の具体化例を示す軸方向の断面図である。図２０は電子装置および他の装置を冷却するための二重スターリング・サイクル変換器として本発明を具体化した他の具体化例を示す軸方向の断面図である。図２０Ａは図２０の線Ａ−Ａ’の線に沿った断面図である。図２０Ｂは図２０Ａの線Ｂ−Ｂ’の線に沿った断面図である。図２１は電子装置および他の装置を冷却するためのヴュルュマイヤー（Ｖｕｉｌｌｅｕｍｉｅｒ）熱ポンプとして本発明を具体化した他の具体化例を示す軸方向の断面図である。図２２Ａは＜１１０＞シリコンウエファーの一側面の平面図である。図２２Ｂは図２２Ａに示すシリコンウエファーの側面に異方的にエッチングして得られたキャビティの平面図である。図２２Ｃは図２２Ｂの線１−１’に沿った垂直断面図である。図２２Ｄは図２２Ｂの線２−２’に沿った垂直断面図である。図２２Ｅは図２２Ａに示したウエファーの側面に異方的にエッチングして得られた他のキャビティの平面図である。図２２Ｆは図２２Ａに示した＜１１０＞シリコンウエファーの他の側面の平面図である。図２２Ｇは図２２Ｆに示したウエファーの側面に異方的にエッチングされたキャビティの平面図である。図２２Ｈは図２２Ｂに示したキャビティの斜めから見たである。図２３は再生排気子のチップの好適具体化例の代表的な部分の一側面の見取り図である。図２４は再生排気子のチップの代表的な部分の反対側の側面の見取り図である。図２５は再生排気子のチップの他の具体化例の代表的な部分の一側面の見取り図である。図２６は図２５に示す再生排気子のチップの代表的な部分の反対側の側面の見取り図である。図２７Ａはそれぞれ図２４および図２３の線１Ａ−１Ａ’および線２Ｂ−２Ｂ ’に沿った垂直断面図である。図２７Ｂはそれぞれ図２４および図２３の線１Ｂ−１Ｂ’および線２Ｂ−２Ｂ ’に沿った垂直断面図である。図２７Ｃはそれぞれ図２４および図２３の線１Ｃ−１Ｃ’および線２Ｃ−２Ｃ ’に沿った垂直断面図である。図２８Ａはそれぞれ図２４および図２３に示したディスクの３個を互いに接合してつくられた再生排気子の一具体化例、およびそれぞれ図２４および図２３に示したものの鏡像である３個のディスクのそれぞれ線１Ａ−１Ａ’および２Ａ− ２Ａ’に沿った断面図を示す。図２８Ｂはそれぞれ図２４および図２３に示したディスクの３個を互いに接合してつくられた再生排気子の一具体化例、およびそれぞれ図２４および図２３に示したものの鏡像である３個のディスクのそれぞれ線１Ｂ−１Ｂ’および２Ｂ− ２Ｂ’に沿った断面図を示す。図２８Ｃはそれぞれ図２４および図２３に示したディスクの３個を互いに接合してつくられた再生排気子の一具体化例、およびそれぞれ図２４および図２３に示したものの鏡像である３個のディスクのそれぞれ線１Ｃ−１Ｃ’および２Ｃ− ２Ｃ’に沿った断面図を示す。図２９Ａはそれぞれ図２４および図２３の線１Ｄ−１Ｄ’および２Ｄ−２Ｄ’ に沿った垂直断面図である。図２９Ｂはそれぞれ図２４および図２３の線１Ｅ−１Ｅ’および２Ｅ−２Ｅ’ に沿った垂直断面図である。図２９Ｃはそれぞれ図２４および図２３の線１Ｆ−１Ｆ’および２Ｆ−２Ｆ’ に沿った垂直断面図である。図２９Ｄはそれぞれ図２４および図２３の線１Ｇ−１Ｇ’および２Ｇ−２Ｇ’ に沿った垂直断面図である。図３０Ａはそれぞれ図２４および図２３に示したディスクの３個を互いに接合してつくられた再生排気子の一具体化例、およびそれぞれ図２４および図２３に示したものの鏡像である３個のディスクのそれぞれ線１Ｄ−１Ｄ’および２Ｄ− ２Ｄ’に沿った垂直断面図を示す。図３０Ｂはそれぞれ図２４および図２３に示したディスクの３個を互いに接合してつくられた再生排気子の一具体化例、およびそれぞれ図２４および図２３に示したものの鏡像である３個のディスクのそれぞれ線１Ｅ−１Ｅ’および２Ｅ− ２Ｅ’に沿った垂直断面図を示す。図３０Ｃはそれぞれ図２４および図２３に示したディスクの３個を互いに接合してつくられた再生排気子の一具体化例、およびそれぞれ図２４および図２３に示したものの鏡像である３個のディスクのそれぞれ線１Ｆ−１Ｆ’および２Ｆ− ２Ｆ’に沿った垂直断面図を示す。図３０Ｄはそれぞれ図２４および図２３に示したディスクの３個を互いに接合してつくられた再生排気子の一具体化例、およびそれぞれ図２４および図２３に示したものの鏡像である３個のディスクのそれぞれ線１Ｇ−１Ｇ’および２Ｇ− ２Ｇ’に沿った垂直断面図を示す。添付図面に示した本発明の好適具体化例を説明する際、明瞭を期すために特殊な言葉を使用することにする。しかし本発明はこれらの選ばれた特定な言葉に限定されるものではなく、各々の特定の言葉は同様の目的を達成するのに同様な方法で使われるすべての技術的同等物を含むも詳細な説明本発明の好適具体化例およびその代替具体化例を説明するために本明細書において使用される言葉の定義は、当業界の専門家には一般に知られているが、以下に使用する若干の言葉について簡単に概説し明確に定義しておくことが望ましいと考えられる。「変換器」とは有用なエネルギーをその一つの有用な形から他の形に変える装置である。例えばエネルギーを機械的な運動エネルギーから電流へ、或いは熱エネルギーから機械的な運動エネルギーへ変えることができる。さらに、一つのモードで動作し得る変換器はまた逆のモードで動作させることができる。例えば或る一つの装置は、エネルギーを電流から機械的な回転または往復運動に変える電動機として、またこのような機械的運動を電流に変える発電機としての両方の動作を行わせることができる。同様にスターリング変換器は、高温から低温へと流れる熱エネルギーを機械的な運動に変えるように動作させるか、或いは機械的な運動を利用して低温から高温へと熱エネルギーを吸い上げる、即ち加熱するように動作させることができる。従って本発明の装置はスターリング・サイクル変換器と呼ばれる。即ち本発明の大部分の特徴および具体化例はエンジン・モード並びに冷却または冷凍モードの両方で使用し得るのは明らかであろう。「接合した」という言葉は、その方法の如何に拘わらず、別々に識別し得る構造物または層が機械的に連結されていることを示すために一般的な意味で使用される。この言葉は、最初は別々につくられ次いで一緒に連結された物体または層ばかりではなく、一つが他のものと関連して一体的につくられ、成長させられまたは沈積させられた二つの構造物または層を含んでいる。図１にはシリコンの基板１４に取り付けられ、該基板１４の上に取り付けられた相互連結用の導体のバス１６を有する集積回路１０および１２のような６個の電子集積回路が示されている。この集積回路の下方には該集積回路から熱を除去するためのスターリング・クーラーが数個つくられている。この図には各集積回路に付属して１個のスターリング冷却装置しか示されていないが、このような１：１の付属関係は必ずしも必要ではなく、また暗黙裡に包含されてもいない。クーラー１８のようなこれらのスターリング・サイクル・クーラーはそれぞれ他のものの複製であり、一緒にして２×３の配列状に配置されている。最上部のシリコンの基板１４の下方には、各スターリング・クーラーの中央にある冷凍機を支えるための中央の支持板２０が間隔を置いて取り付けられている。単一の支持板が冷凍機の長さに沿って中央に位置するように示されているが、複数の支持板を用い、図１１に示す端の支持板１１５１および１１５３のように、冷凍機の各端を含む冷凍機の長さに沿った任意の場所にこれを配置することもできる。中央の支持板２０の下方にそれと平行して、最下部の第２のシリコン基板２２が存在する。最上部のシリコン基板１４、最下部のシリコン基板２２およびその間に存在する各スターリング・サイクル・クーラーの部分は、スターリング・サイクル・クーラーの圧力保持容器を構成している。各圧力保持容器は流体通路を含む閉じた作業空間を規定し、圧縮および膨張可能な流体、典型的にはガスを含んでいるが、これらすべてはスターリング．サイクル熱機械的変換器をつくるのに必要である。特に上部の基板１４は各スターリング・サイクル・クーラーの熱を受け取り流体を膨張させる端板をつくり、下部のシリコン基板２２は該クーラーの熱を放出し流体を圧縮させる端板をなしている。これらの端板の間には熱再生器が配置され、これはその相対する端で該端板と流体的に連絡した孔開きのマトリックスを含んでいる。一具体化例に対するこれらの構造は図２、３、４および５に詳細に示されており、これらの図を参照して以下に詳細な説明を行う。端板１４および２２はそれぞれ複数の積層化された層を含んでいる。端板１４および２２の構造は電子集積回路、およびシリコンセンサーおよびアクチュエータをを製作するのに用いられるプレーナープロセス技術を使用してつくることが好ましい。熱を受け取り流体を膨張させる端板（熱吸収端板）１４は膨張空間３０、膨張空間３０から離れた所にある背後空間３２、および膨張空間３０と背後空間３２との間にある可撓性をもった膨張隔膜３４を規定している。熱を吸収する熱交換器はほぼ膨張空間３０の境界を区切っている。好適具体化例においては、熱を吸収する熱交換器は熱吸収端板１４であり、これは内壁３６に沿って作業空間を区切り且つ隔膜３４を含んでいるが、下記に説明するように他のものを用いることもできる。同様に熱を放出し流体を圧縮する端板（熱放出端板）２２は、圧縮空間４０、圧縮空間４０から遠い所にある背後空間４２、および圧縮空間４０と背後空間４２との間にある壁を形成する可撓性をもった圧縮隔膜４０を規定している。この端板２２により熱を放出する熱交換器がつくられ、この端板はほぼ内壁４６に沿った圧縮空間４０の境界を区切っている。隔膜の周波数、位相および振幅を制御するために、それぞれに制御システムの一部であるアクチュエータが備えられている。膨張隔膜３４にはアクチュエータ３５が付属しており、圧縮隔膜４４にはアクチュエータ４５が付属している。このアクチュエータは例えばピエゾ電気材料を含み、これは制御システムの残りの部分に電気的に連結されている。次ぎにアクチュエーターについてさらに詳細に説明を行う。熱吸収端板１４と熱放出端板２２との間には、中央の支持板２０により適切な位置に支えられた熱再生器５０が配置されている。熱再生器５０はそれを取り囲む典型的には円筒形のガス不透過性の壁５２を有し、こん壁は作業ガスを含み、密封されて端板１４および端板２２に連結されている。周囲を取り囲む壁５２の内部には孔開きのマトリックス５４が支持されており、これは流体的に膨張空間３０および圧縮空間４０の両方に連絡している。図４に示された孔開きマトリックスは、相対する端の所で周囲を取り囲む壁５２に連結された複数の空間を置いて配置された平らな壁５６を含んでいる。これらの壁の間の通路はその断面のアスペクト比が約８より大きいことが好ましい。再生器を形成する孔開きマトリックスは多様な形状をもっていることができる。これは再生器を通り軸方向に膨張空間３０から圧縮空間４０へと連絡する通路をもった構造物である。再生器はガスを軸方向に輸送し熱を周期的に貯蔵しまた周期的に熱を放出し、各サイクル毎に増加させながら再生器を通して熱を軸方向に吸い上げることができなければならない。通路は材料の層の間で規則的なパターンをなしてつくられるか、或いは一連の泡状の材料の中で均一に分布した互いに連結された細孔であることができる。次にこのような再生器の構造の種々の他の具体化例を説明する。再生器は内部表面積が非常に大きく、ガス／再生器の境界面が最大になり、且つ熱を貯蔵するための熱容量が高いことが望ましい。また軸方向に沿って再生器の材料を通る端板１４と端板２２との間の熱伝導度が最小であることが望ましい。クーラーにおいては、再生器の材料を通って伝導する熱は冷却すべき端の方へ戻される方向に伝えられる熱を表し、エンジンにおいては機械的な出力を与えない脇道にそらされた熱を表す。従ってセラミックスまたはガラスのような熱伝導率の小さな材料が好適であり、質量体の幾何学的な断面が小さい構造が好適である。再生器の孔開きマトリックスを通る通路の直径または他の対応する横方向の寸法が非常に小さいことが、本発明の極めて重要な特徴である。これらの通路を通してガスを輸送することに伴う不可逆的な損失を最小にするためには、これらの寸法は、スターリング熱機械的変換器の動作周波数においてウォルマースレイ数が５より小さくなる程十分に小さい寸法でなければならない。本発明において上記の通路を通して作業流体を輸送する際に生じる不可逆的な損失を最小にするための他の重要な特徴は、隔膜の振動の振幅が非常に小さいことである。この振幅は、スターリング熱機械的変換器の動作周波数において最大のマッハ数が実質的に０．１よりも小さくなる程十分に小さくなければならない。これらの不可逆性は、作業ガスと通路の壁との間の摩擦により熱が発生することによって生じる寄生的な損失の原因となる。その結果再生器を通る作業ガスによって伝えられる熱が増加するため、また作業周波数が増加するにつれて熱交換器の中の伝熱が減少するために粘稠化による熱の損失が起こる。この二つの現象は、軸方向における物質流の周期的な変動と半径方向の温度勾配との間の或る種の位相関係によって生じる振動的な流動に特有な現象である。本発明において周波数の増加を補償するためには、これらの流体通路の横方向の寸法は１０〜５０ μ程度であり、隔膜の振動の振幅は１０〜１００μ程度である。通路と振動の振幅とを子のように小さくするとこれらの寄生的な損失は減少する。この損失が減少するとそれに対応して、熱を吸い上げるかまたは機械的な仕事をするスターリング・サイクル熱機械的変換器が行い得る有用な仕事量が増加する。通路の中で流体が振動的に流れることに伴う不可逆性の定量的な目安はウォルマースレイ数によって与えられる。これは式によって表される。ここで α＝ウォルマースレイ数ｆ＝動作周波数ａ＝通路の直径 ρ＝作業流体の密度（これは温度および圧力の関数である） η＝作業流体の動的粘度（温度の関数）である。通路を流体が流れることに伴う不可逆性の他の定量的な目安はマッハ数である。これは式 II． Ma=2πf・x_g/c₀ で表される。ここでＭａ＝マッハ数ｘ_g＝振動するガスの軸方向の排気量の振幅ｃ₀＝作業流体中の音速である。振動する作業流体の軸方向の排気量は式 III． x_g=x_d・A_d/A_x によって隔膜の振動の振幅と関連している。ここでｘ_d＝隔膜の振動の振動Ａ_d＝隔膜の振動の面積Ａ_x＝作業流体が流れるすべての通路の全断面積である。作業流体中の音速は良く知られているようにここで γ＝一定圧力および一定容積における比熱の比＝ヘリウムに対しては５／３Ｒ＝作業流体に対する特定の気体定数Ｔ＝ケルビン単位の絶対温度である。式ＩＩ、ＩＩＩ、およびＩＶを組み合わせて次のようにすることができる。５５０Ｈｚより高い周波数でスターリング・サイクル変換器を動作させ本発明における利点を得るためには、ウォルマースレイ数が５より小さくなる程十分に通路を狭くし、動作周波数において最大マッハ数が実質的に０．１より小さくなるように隔膜の振動の振幅を十分小さくしなければならない。好ましくはウォルマースレイ数は１よりも小さくし、最大マッハ数は０．０１よりも小さくする。本発明を使用するスターリング・サイクル変換器のパラメータを示す一例として本発明のこれらの原理を適用した例を示す。この例は下記に説明するような図８および９に示した型の孔開き熱交換器の使用を目的とした例である。下記の例は２０バールのヘリウムを装入し１ｋＨｚで動作させる三つの部分から成るマイクロ冷凍機に対するものである。本発明を使用するスターリング・サイクル冷却器には軸方向に温度勾配が存在するから、温度、従って他のパラメータは軸方向の異った場所では異っている。下記の表に一組のパラメータの例を示すが、この場合公知のレイノールズ数は式 VI Re=α²x_g/a によって前記の定義した量に関係付けられている。＊再生器の中では、ガスの排気量は両方の隔膜に影響されるから、二つの隔膜の変位および面積の値の平均を使用した。［制御システム］膨張隔膜３４および圧縮隔膜４４の位相および周波数を制御する動作理論および種々の具体化例は従来法の文献に記載されており、従ってここで詳細に説明することはしない。このような操作は例えばＣｏｏｋｅ−Ｙａｒｂｏｒｏｕｇｈの米国特許３，５４８，５８９号に記載されている。隔膜が振動すると、隔膜はそれぞれの付随した膨張空間の方へ、また圧縮空間から遠去るように交互に動き、これによって周期的にこれらの空間の実効容積が変化し、それぞれ膨張空間へガスを導入しまた圧縮空間からガスを取出す動作を交互に行う。図１２のグラフ１２Ａおよび１２Ｂは再生器の相対する端における隔膜の変位した位置を時間に関して示したグラフである。これらの隔膜は相対する端で互いに向かい合っているから、反対方向の運動（例えば中心へ向かう運動）は付随した空間の容積を変化させる上において同じ効果を及ぼす。従って膨張空間および圧縮空間における容積の時間変化は、図１２Ａおよび１２Ｂにおいては容積Ｖ_e およびＶ_cとして現われる。図１２Ｃおよび１２Ｄには時間に関する膨張空間の容積Ｖ_eおよび圧縮空間の容積Ｖ_cの変化が示されている。これらの図に示されているように、制御システムは、膨張空間の容積が圧縮空間の容積より公称でまたは約９０°先行して変化するように隔膜を制御しなければならない。しかしながら当業界の専門家には公知のように、位相は必ずしも正確に９０°先行させる必要はなく、最適の効率を得るために最高１０°または２０°先行させるだけでよい。エンジンおよびクーラーに対しては、好適な容積の位相の先行度は９０°よりも大きい。このほぼ９０° の位相の先行度はクーラーおよびエンジンの両方に対して保たれなければならない。隔膜の周期的な運動に対する適切な位相、振幅および周波数を保つために、制御システムは上記のアクチュエータ３５および４５のようなアクチュエータを含んでいる。好ましくは各アクチュエータは付属した隔膜に機械的に連結された電気機械的変換器である。適当な変換器には上記Ｃｏｏｋｅ−Ｙａｒｂｏｒｏｕｇｈの特許に記載されたような磁気的変換器、ピエゾ電気的変換器、磁歪変換器、容量変換器、または隔膜を駆動できる他の変換器が含まれる。電気機械的変換器は、これを容易に連結することができ、電気的駆動信号の位相、振幅および周波数を容易に制御できるために好適である。アルファ形（ａｌｐｈａｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）をもったスターリング・サイクル変換器の専門家には公知のように、作業流体は膨張空間に付属した隔膜に対して仕事をし、他方圧縮空間に付属した隔膜は作業流体に対し仕事をする。圧縮空間に付属した隔膜を駆動し、膨張空間に付属した隔膜からエネルギーを消費させ各隔膜の運動の振幅、周波数および位相を制御するためには、両方の隔膜に対して変換器が必要である。さらにこれらの変換器は機械的または電気的に連結され、膨張空間に付属した隔膜によって吸収されたエネルギーが所望の振幅、周波数および位相で圧縮空間に付属した隔膜を駆動することによって消費される。従って「アクチュエータ」という言葉は広い意味において、隔膜の方へまたは隔膜から機械的エネルギーを付与しまたは吸収することができる装置を含むのに使用され、機械的仕事の出力だけを与えるものに限定されるものではない。従ってアクチュエータを含む制御システムの目的は、所望の位相関係、振幅および周波数で隔膜を振動させることである。隔膜の振動の位相、振幅および周波数を所望の値に保つ代表的な制御システムを図１３に示す。ディジタル・カウンター１３０１、デコーダー１３０２、マルチプレクサー１３０３、および分割器１３０４および１３０５によって、共鳴周波数の倍数Ｎｆ₀の単一のディジタル・パルス系列から、マイクロ冷凍機の共鳴周波数ｆ₀のディジタル・パルス系列から成る制御信号Ｓ_c、Ｓ_EAおよびＳ_EBが導かれる。Ｓ_Cに関するＳ_EAの位相の先行値は、ディジタル・カウンター１３０１、デコーダー１３０２、およびマルチプレクサー１３０３のデータ経路によって決定される任意の精度に対しマルチプレクサー１３０３の選択入力によって選ばれる。制御信号ＳＣの基本的な正弦波成分Ｓ_COはフィルター１３０６によって抽出され、図１５に示す圧縮隔膜のモーター・アクチュエーターに付加される。制御信号ＳＥＡおよびその逆信号ＳＥＢはそれぞれ図１４に示すトランジスターＱ１〜Ｑ４のＨ−ブリッジの制御端子ＡおよびＡ’およびＢおよびＢ’に加えられる。このＨ−ブリッジが制御信号Ｓ_EAおよびＳ_EBによって励起されると、膨張隔膜の発電アクチュエータ１３０８によってつくられ端子１３０８ａおよび１３０８ｂの所に現われる交流電圧Ｖ_EGを効果的に整流し、Ｈ−ブリッジに逆バイアス電圧をかける直流電源１３０９を充電する。図１６および１７は、制御信号Ｓ_EAおよびＳ_EBが交互に位相を変える際Ｈ−ブリッジを通る膨張隔膜の発電アクチュエータ１３０８によって生じる電流の方向を示している。この配置によれば、電気エネルギーは電源１３０９から圧縮隔膜のモーター・アクチュエータ１３０７へと流れ、また膨張隔膜の発電アクチュエータ１３０８から電源１３０９へと流れる。電源１３０９から流れ出しまたその中に流れ込む電気エネルギーの量の差がマイクロ冷凍機の正味の電力消費量である。トランジスターＱ１〜Ｑ４は二極トランジスターとして示されいるが、回路を少し変更すればＭＯＳまたはＪＦＥＴトランジスターによって同じ機能を行うことができる。［集積端板の種々の態様］端板１４および２２をつくるのにシリコンを使用すると、スターリング・サイクル熱機械的変換器をつくる上で独特且つ重要な状況が得られる。端板の一つの重要な機能は熱を伝達することであるから、シリコンは高い熱伝導率を示すので有利な結果を与える。第２に、シリコンを選ぶと、過去に集積電子回路およびシリコン変換器をつくるのに使用されて来た従来法のシリコンプレーナープロセス技術を用いてスターリング・サイクル変換器の最終機素をつくることができる。第３に、シリコンを用いると、構造物に対し熱的な履歴サイクルがかけられるにも拘わらず、このような集積電子回路を高度の信頼性をもって膨張端板１４と連結することができる。何故なら集積回路と低温の端板との間の熱機械的応力は、その熱膨張係数が同じであるために除去されるからである。第４に、シリコンを使用すると、膨張端板１４と共にまたはその内部で電子回路を一体的につくり、電子回路から熱を吸い取って除去するための熱伝導度を最大にすることができる。例えば図５を参照すると、端板１４は２枚のシリコンの層、内部層６０および被覆層６２から成っていることができる。隔膜３４は、従来のプレーナープロセスのエッチング法で膨張空間３０を作り隔膜３４を残すことにより製作される。被覆層６２を内部層６０に接合し、従来法、例えばシリコン融合接合法、またはガラスまたは金属の中間フィルムをつくる方法、或いはアノード接合法により平面内で２枚のケイ素ウエファーを接合することにより背後空間３２を閉鎖する。また同様な或いは関連した技術を使用し、内部層６４および被覆層６６および６８から成る圧縮端板２２の中に背後空間４２および作業空間４２をつくる。膨張隔膜および圧縮隔膜の面積は図５に示すものと同一であることも異っていることもできる。［熱交換器の種々の態様］本発明の具体化例において、熱は膨張端板１４を通って伝わって膨張空間３０へと移動し、また圧縮空間４０から出て圧縮端板２２へと伝えられる。上記のように、これらの端板の所およびその内部における作業空間の部分の内表面の壁は、それぞれ膨張空間および圧縮空間並びにそれに付属した端板の中にある作業ガスの間に熱を伝える熱交換器の役割をする。しかし図９には別に熱交換器の構造をもつ他の構造が示されている。図９の具体化例は膨張端板９１４および圧縮端板９２２を有しており、また図５の対応する部材と同様な膨張隔膜９３４および圧縮隔膜９８０をもっている。しかし別のシリコンの熱交換器の層９８０がシリコンの層９６０に接合され、このシリコン層９６０と再生器９５０との間に配置されている。この熱交換器の層９８０には、膨張空間９３０を再生器９５０の内部と連絡している複数の軸方向の孔９８２が備えられている。好ましくは、これらの孔は一連の平行なフィンによって隔てられた長い溝孔の形をしている。同様な熱交換器の層９８４が圧縮端板の層９６４にも接合され、再生器９５０を圧縮空間９４２と連絡している。これにも複数の横方向の孔９８６が備えられている。［隔膜の種々の態様］プレーナープロセス技術を用いると、図５に示した平らなシートの形状とは異った形のシリコンの隔膜をつくることができる。例えば図７には環状の波状突起をもった膨張隔膜７３４および圧縮隔膜７４４が示されている。膨張隔膜７３４は環状の波状突起７８４を有し、圧縮隔膜７４４は環状の波状突起７８６をもっている。この波状突起隔膜はエッチング法によりノッチを切り込むことによってつくることができる。低圧のセンサー、例えば気圧計に使用される隔膜を作る技術においては公知のように、これらの波状突起によって隔膜の圧力対排気量の特性は殆ど線形に近くなる。設計者が振動する隔膜９３４の質量を制御するために、プレーナープロセス技術によって隔膜９３４の上につくられた質量の増加したボスの区域、例えば円形のボス９８８を図９に示す。これは、振動隔膜をつくる際隔膜が共鳴モードで振動するような設計を行う助けになるであろう。隔膜の排気量対隔膜にかけられる力の比は、動作周波数で隔膜が共鳴するように隔膜をつくることによって増加させることができる。基本的な物理学から公知のように、或る機械的システムの振動の自然周波数は、振動する物体の質量と、エネルギーを交互に吸収および放出する取り付けられたエネルギー保存装置、例えばバネのバネ定数との良く知られた関数である。本発明の具体化例における隔膜の質量、並びに隔膜に作用するすべてのバネのバネ定数を、隔膜が動作周波数で共鳴するように選び、そのように設計することができる。質量は隔膜の寸法によって選ぶことができ、上記のようにボスを取り付けることにより増加させることができる。隔膜に作用するバネは原理的にはシリコンの隔膜自身の弾性から生じるバネ、背後空間に閉じ込められたガスから生じるガスのバネ、および作業空間に閉じ込められたガスから生じるガスのバネであり、これらのガスのバネは各隔膜に隣接している。従ってガスのバネ、および特に背後空間の容積は、動作周波数において隔膜が振動の自然周波数、即ち共鳴周波数をもつように設計することができる。勿論別法として背後空間の容積を非常に大きくし、それが無視し得るバネ定数をもち、その結果共鳴周波数が原理的には作業空間のガスのバネおよびシリコンの隔膜自身のバネ定数、および質量の関数になるようにすることができる。シリコンの弾性が主要なバネ定数として使用される場合、例えば１８０°ずれた位相で隔膜が振動する隣接したマイクロ冷凍機ユニットの背後空間へ排気を行うことにより背後空間１０を完全に除去することができる。隔膜のバネ定数は隔膜を非常に薄くすることによって減少させることができる。隔膜のバネ定数はまた隔膜の上に酸化物または金属の層をつくるか、または他の材料をその中に拡散させることにより設計者が調節することができ、その結果多層の隔膜を使用することもできる。［隔膜のアクチュエータ］制御システムの一部をなす電気機械的アクチュエータは各隔膜に機械的に連結されている。本発明で使用できる非常に多様な種類の電気機械的アクチュエータは当業界の専門家にとっては公知であり、例えば静電気的、電磁的、ピエゾ電気的、または磁歪的な原理を使用することができる。図５は導線４７および４９に加えられた電気信号によって動作するピエゾ電気的アクチュエータを示す。図５Ａはこのアクチュエータをもっと詳細に示している。このアクチュエータは単一または複数の金属または伝導性フィルムの電極５１０、５１２および５１４を含み、これらの電極は互いに電気的に連結され、また導線４９、および他の単一または複数の金属または伝導性フィルムの電極５１６、５１８および５２０に連結されている。後者の電極５１６、５１８および５２０は例えば酸化亜鉛のようなピエゾ電気層５２２の反対側にあり、互いに導線４７に連結されている。この変換器は、シリコンの隔膜５２６の上に絶縁性の酸化物層５２４をつくり、次いで通常の方法で金属または伝導性フィルム片５１０、５１２および５１４をつくり、この金属または伝導性フィルム片および酸化物層５２４の上に酸化亜鉛または他のピエゾ電気層５２２を沈積させ、次いで再び従来法を用いピエゾ電気層５２２の上に金属または伝導性フィルム片５１６、５１８および５２０を沈積させることによってつくることができる。必要に応じさらに他の酸化物の絶縁層５２８をその上に沈積させ、保護障壁層および電気絶縁層をつくることができる。操作を行う場合、制御システムは動作周波数において導線４７および４９に周期的な信号を付加し、ピエゾ電気層５２２に応力をかけ、それによってピエゾ電気層５２２を歪ませ、隔膜５２６を動かす。図７および７Ａは隔膜７３４および７４４の各々に付属させて蓄電器７６０および７６２をつくることにより静電力を用いるアクチュエータを示す。図７Ａは蓄電器７６２をさらに詳細に示している。この蓄電器は酸化物層の上につくられた蓄電器板７６４を有し、該酸化物層は図７Ａに示されているように隔膜７３４の上に沈積され、電気導線７６６に連結されている。蓄電器はまた絶縁用の酸化物層７６８の上に同様につくられた第２の蓄電器板７６７を有し、該絶縁用の酸化物層は端板７６９の上に沈積され、電気伝導性の導線７７０に電気的に連結されている。周期的な電気制御信号をかけると、これにより動作周波数において同じ電荷および反対の電荷が蓄電器板７６４および７６７に帯電し、周期的な引力により隔膜７３４を駆動し機械的に振動させる。図９は隔膜９４４を駆動するさらに他のアクチュエータを示す。このアクチュエータは一対の薄いフィルムのコイル９７２および９７４を含み、このコイルはそれぞれ端板９２２および隔膜９４４の上に平らな伝導性の螺旋としてつくられている。この平らなコイル９７４は電気伝導性の導線９７８および９７９に連結され、平らなコイル９７２は制御用の電流を伝えるために電気伝導性の導線９９１および９９３に連結されている。片方の電流は直流であることができるが、他の電流（第１の電流が直流でない場合はそれぞれの電流）は動作周波数の交流であり、時間的に変動する磁場をつくり、交互に隔膜を静止したコイル９７２の方へ引き付け、また該コイルから引き離し、隔膜に機械的な応力をかけ、これを適切な位相、適切な周波数で振動させる。［再生器の種々の態様］図７は外側の圧力保持容器の壁７５２の内部に含まれた網状構造の海綿体７５４を有する再生器７５０を示す。網状構造の海綿体７５４は再生器の全長に沿って連続的に連結された開放気孔または開放キャビティをもち、この中を作業流体が流れる。このような再生器はセラミックス・フィルターの分野で現在使用されている技術をもちいてつくることができる。図８および９は外側の円形の圧力保持容器の壁９５２の内部に含まれる複数の平行な管９５４によってつくられた他の再生器を示す。この再生器の通路は各管の中心を通る通路並びに管の間の通路の両方から成っている。図１１は、周囲を取り囲む円形の圧力保持容器の壁１１５２の内部に、それと同軸をなして含まれた複数の間隔を置いて配置された同心の管１１５４から成るさらに他の再生器を示す。再生器は、螺旋状に巻かれた熱伝導率の低い緻密なフィルム、例えば厚さ３ミルのガラスの箔としてつくられ、該フィルムの中に変形した突起を有し、このフィルムを螺旋状に巻き上げ自分自身の周りに巻ぎ付けた場合、層が互いに間隔を置いて配置され、軸方向に通路が生じるようにすることができる。［電子回路の種々の態様］本発明の以上の説明から判るように、本発明の主要な利点の一つは、プレーナープロセス技術、薄層技術および半導体の集積電子回路の製作に通常使用されている他の技術を用いて本発明を具体化したスターリング・サイクル・クーラーをつくることができるために、物理的にも熱的にも電子回路と極めて緊密に連携させて本発明を具体化したクーラーを非常に便利に製作することができることである。本発明のクーラーは電子回路の製作の延長工程の一部として製作することができる。さらにこれらの方法を用いると、数百個のマイクロ冷凍機を同時に且つ数百個の電子集積回路と緊密に連携させてつくることができる。各電子回路は容易に且つ便利に製作できるので、回路を膨張端板に熱的に緊密に連結させ、電子装置から効率的に熱を吸い上げ、電子装置を低温において動作させることができる。電子装置は膨張端板またはフィルムの中に直接一体化して組み込むことができ、別々の機素または集積回路を膨張端板に取り付け熱的に連結することができる。さらに例えば図９に示すような冷凍機の機素は、電子回路９２１または冷却すべき他の物体を収納するための周囲を取り囲む壁９２６を取り付け、取外し可能な蓋９２８を備えることにより端板９１４に付属させてつくることができる。これによって真空室９２９がつくられ、圧縮端板９２２を経由する以外その内容物を周囲から熱的に絶縁し、電子回路９２１のような物体を収納し冷却する。冷凍機という言葉は熱エネルギーの吸い上げ、即ち熱エネルギーを膨張端板の所における低温側から圧縮端板の所における高温側へ吸い上げる操作を意味するものとする。冷凍機という言葉は冷却された部屋へ対して使用する場合だけに限定されてはいない。［エンジンの装着］本発明を具体化したスターリング・サイクル熱機械的変換器は機械的なエネルギーを機械的な負荷に供給するエンジンとしても設計し動作させることができる。これを行うには、熱エネルギー源を膨張端板に熱的に連結し、制御システムには圧縮端の隔膜から負荷へ至るエネルギー輸送用のリンク機構を含ませる。負荷は制御システムの一部でなければならない。何故なら複雑な負荷インピーダンスは、上記の隔膜の振動の大きさ、位相および周波数を決定する動的システムの一部になっているからである。図１１は連結棒１１１４を通じて機械的負荷１１１２に連結されたエネルギー輸送要のリンク機構として動作する圧縮端の隔膜１１１０を示す。負荷１１１２は例えば発電機、二重マイクロ冷凍器または流体ポンプであることができる。電力を発生させる目的でエンジンとして動作する本発明の具体化例においては、図９のコイルを用いることができる。入射太陽光の輻射、燃焼、放射性同位元素の放射または産業廃熱を含む熱エネルギーをスターリング・サイクル・エンジンに供給する任意の通常の方法で、熱エネルギーを膨張端板１１１６に与える。本発明によれば、太陽エネルギーまたは他の熱エネルギーを電気エネルギーまたは機械エネルギーに効率的に変換するのに利用できるマイクロエンジンを製作する可能性が与えられる。現在得られる光電池は、光電効果と呼ばれる光−電子過程により、太陽の輻射エネルギーを直接電気エネルギーに変えるが、光電池は本発明と比較していくつかの欠点をもっている。第１に、スターリング・エンジンによる熱機械的なエネルギー変換効率は光電効果による太陽電池の光−電子的な変換効率よりも優れている。さらに、光電池に比べスターリング・エンジンの方が多くの太陽エネルギーを変換に利用することができる。太陽光のスペクトルのエネルギーのわずかに約２５％だけが光電効果を励起する波長帯の中に存在するに過ぎないが、太陽光の全スペクトルのエネルギーをスターリング・サイクルを駆動するための熱に変えることができる。さらに、光電池を用いる場合、変換に利用できるエネルギーの量は太陽光を集中させることによって増加させることはできない。何故ならこれによって光電池の温度が極めて適切な温度より遥かに高い温度に上昇し、半導体の必要な電子的性質が失われるからである。これとは対照的に、スターリング・マイクロエンジンのシリコンの受光部に対しては太陽光を集中させることができる。スターリング・エンジンはシリコンの熱機械的な特性を利用しており、電子的な特性を利用してはいないからである。［製作方法］本発明の具体化例はこれらの具体化例の製作に現代のプレーナープロセス技術による集積回路の製作技術を適用することによりつくることが好ましい。これらの方法には、マイクロ平板法、種々の酸化法、沈積法、ドーピング法、エッチング法、および集積回路並びにシリコンのセンサーおよびアクチュエータの産業に使用されている他の技術が含まれる。周囲温度以下に冷却すべき電気的な集積回路のチップは、本発明を具体化した低温クーラーと同じウエファーの一部として製造することができる。低温クーラーのシリコンの表面はその内部または上に電子回路が構築される基質であることができる。本発明の構造物は、単一のウエファーの上に極めて複数の複製をつくり、次いでウエファーを切り離して個々の具体化例または複数の具体化例の群を得る方法を適用してつくることができる。例えば複数のスターリング変換器の圧力保持容器の複数の間隔を置いて配置された熱を吸収す流体膨張端の各々に対して、共同作用をする隔膜、背後空間、膨張空間および熱交換器をつくることにより具体化例を構築することができる。これは、シリコンのウエファーの選ばれた部分をエッチングして除去し、次いで一体となった膨張端板としてウエファーを一平面内において位置合わせし、一緒に連結することによって行うことができる。また同様に共同作用をする隔膜、背後空間、圧縮空間および熱交換器は、複数のスターリング変換器の圧力容器の複数の間隔をおいて配置された熱を放出する流体圧縮端の各々と共に、シリコンのウエファーの選ばれた部分をエッチングして除去し、次いで一体となった圧縮端板としてウエファーを一平面内において位置合わせし、一緒に連結することによってつくることができる。複数の熱再生器は一体となった再生器の板としてつくり一緒に連結することができるが、この場合各再生器は再生器の板の相対する側に流体の開口部をもっている。次いでこの再生器の板を米国特許３，３９７，２７８号に記載されているＭａｌｌｏｒｙの接合法のような方法で膨張端板と圧縮端板との間に配置し、これらの端板に対して位置合わせを行って接合し、複数のスターリング・サイクル熱機械的変換器から成る統合構造物をつくる。次ぎにこの統合構造物を切り離して個々の変換器か、または複数の変換器を含む配列にする。一体となった再生器の板をつくる一つの方法は、別々の実質的に同一の再生器の複数から成る群をつくり、次いで１枚またはそれ以上の前述の支持板の孔の中にこの再生器を接合する方法である。この場合孔は、端板と合わせられている、平行な横方向に間隔を置いて配置された配列をなして配置されている。次ぎに個々の再生器の配列を機械的に一緒に連結し、再生器の板をつくる。次いでこの再生器の板を二つの端板の間で連結する。［結論］以上の説明から明らかなように、本発明の具体化例においては、振動的な流れの中におけるエントロピー生成過程が著しく減少し、これによって本発明の具体化例をスターリング装置に対して従来可能と考えられていたよりもはるかに高い周波数で動作させることができ、実用的な熱吸い上げ能力と非常に望ましい比熱とをもつ小型の装置をつくることができる。従来のスターリング・サイクル装置は恐らくはウォルマースレイ数が５より小さい通常の低い周波数で操作されて来たが、通路の大きさとウォルマースレイ数との関係および排気量とマッハ数との関係の重要性が、高周波数で動作する小型の装置の製作と関連させて考られることは、従来は決してなかったことである。本発明の広義の概念は特性ウォルマースレイ数が５より小さくマッハ数が０．１よりも小さい通路と約５００Ｈｚ以上の動作周波数とを組み合わせることである。温度が下がるとシリコンの熱伝導率は劇的に増加するから、シリコンは低温における熱交換器および熱伝導性機素に対する例外的に望ましい材料になっている。同時に、基質とチップとの間で熱膨張係数には差がないから、シリコンのチップの取り付けまたは製作上シリコンは理想的な材料である。もしこのような差があると、低温クーラーの中で起こる極端な温度の上下変化の下では剥離および分離が起こる可能性がある。シリコンは電子回路を製作する際の最も普通の材料であるから、シリコンは冷凍器の熱交換器自身の中に回路を組み込める可能性を提供する。冷却端の熱交換器の中に組み込まれた回路は装置が冷却を行うように設計された回路、または装置の操作を制御する回路であろう。従来の大型の高周波数で動作する装置がエネルギー効率の低い断熱条件下で動作するのとは異り、この装置は小型であり、また高周波数で動作するため、殆ど等温条件下で動作することができる。改良法本発明の好適および代替具体化例を説明するために使用されている本明細書記載の術語の定義は当業界の専門家には一般に公知であるが、その他の以下に使用するような言葉について簡単に概説し、明確に定義しておくことが望ましいであろう。熱機械的変換器に関し、「ピストン」という言葉は、圧力差が維持される往復運動を行う機素を意味し、「排気子（ｄｉｓｐｌａｃｅｒ）」という言葉は温度差が維持される往復運動を行う機素を意味するものとする。再生器を含む熱機械的変換器は再生変換器と呼ばれる。再生変換器の１種はスターリング・サイクル変換器である。良く知られているように、スターリング熱力学的サイクルは種々の形態のの内部機素をもつ変換器によって実現することができる。アルファ形のスターリング・サイクル変換器においては、往復運動を行う二つの内部機素は両方とも圧縮および膨張、並びに作業流体の排気に実質的に寄与している。従ってこれらの機素は圧縮ピストンおよび膨張ピストンとして知られている。これらの両方のピストンの運動の周波数、振幅および位相は機械的なリンク機構か、制御回路装置に電気的に連結された電気機械的なアクチュエータによって制御される。これとは対照的に、ベータ形のスターリング・サイクル変換器は１個のピストンと１個の排気子を使用する。ベータ形は、ピストンおよび排気子の運動の周波数、振幅および位相がこれらの機素の質量の配置、該機素に連結されたバネ、および該機素に作用する圧力によって制御されるような自由ピストン型のスターリング・サイクル変換器に特に適している。その結果ベータ形がアルファ形に優る一つの利点は、ベータ形では制御システムから少なくとも一つの電気機械的変換器を取り除くことができることである。熱エネルギーをピストンの機械的エネルギーに変換するように動作するベータ形のスターリング・サイクル変換器を、この運動を利用して低温から高温へと熱エネルギーを吸い上げるように動作する他のスターリング・サイクル変換器に連結できることは公知である。この型の装置は二重スターリング・サイクル変換器と呼ばれ、補助的な始動システムに置いては電気機械的変換器を用いることもできるが、エネルギーの変換には電気機械的変換器を必要としない。他の型の再生変換器はヴュリュマイヤー熱ポンプである。二重スターリング・サイクル変換器と同様に、ヴュリュマイヤー熱ポンプも高温から中間の温度へと流れる熱エネルギーを変換し、低温から中間温度へと熱エネルギーを吸い上げるように動作させることができる。しかしヴュリュマイヤー熱ポンプは圧縮ピストンの機械的運動を含むことなく熱エネルギーによりこの効果を達成することができる。従って概念的にはヴュリュマイヤー熱ポンプは機械的な圧縮ピストンのない二重スターリング・サイクル変換器に似ている。マイクロエレクトロニックの分野において、「集積」という言葉は、その構成部材が単一の機械的な対象物の一部として構成され、従って電気回路としての機能を行うために製作後ハンダ付けのような方法で機械的に互いに連結しなくてもよい電気回路を意味する。これらの集積回路は一体化されたシリコンのウエファーの中で同時に複数が製作され、次いで個々の機能的な回路チップに切り離される。マイクロセンサーおよびマイクロアクチュエータの分野において「集積」と言う言葉は、成分部材がやはり単一の機械的の対象物の一部として構成され、従って製作後変換器としてのその機能を行わせるために、熔接またはボルト留めのような方法で機械的に連結しなくてもよい変換器を意味する。これらの集積変換器は一体化されたシリコンのウエファーの中で同時に複数が製作され、次いで個々の機能的な変換器チップに分離される。マイクロセンサーおよびマイクロアクチュエータの分野においては、ウエファーをチップに分離する前に一平面内でウエファーを接合して積層構造物にする工程は集積変換器の製作工程の一部と考えられ、変換器の成分部材を互いに連結する次の工程の一部とは考えられない。従って「集積圧力センサー」という言葉は圧力センサーの機能を果たすガラスおよびシリコンのチップを意味するが、その成分部材はシリコンおよびガラスのウエファーの中でこのような多くの他の変換器と同時に製作され、このウエファーを一緒に接合した後分離して別々の機能的な変換器がつくられる。［スターリング・クーラー］図１８は、熱吸収用のシリコンの板１８０３の上に取り付けられ、この板１８０３の上につくられた相互連結用の導体１０４を有する２個の電子装置１８０１および１８０２を示す。この電子装置の下には、電子装置から熱を取り除きその温度を下げる二つの自由ピストン型スターリング・クーラーがつくられている。この図はそれぞれの集積回路に付属した１個のスターリング・クーラーを示しているが、このような１：１の付属関係は必ずしも必要がなくあるいはそれが暗黙裡に含まれていることもない。クーラー１８０５のようなこれらの各クーラーは互いに複製になっており、これらは一括して１×２の配列で示されているが、もっと大きな二次元の配列の形で製作することができる。熱吸収用のシリコン板１８０３の下方に間隔を置いて且つそれと平行に熱放出用のシリコン板１８０６が存在している。これらの板の間には再生排気子１８０７が配置されている。再生排気子１８０７は、熱吸収用の板１８０３および熱放出用の板１８０６と相対する端の所で流体により連絡した孔開きマトリックスを有する熱再生器１８１０を含んでいる。熱吸収用のシリコン板１８０３、熱放出用のシリコン板１８０６および介在する再生排気子１８０７は、スターリング・サイクル・クーラーの圧力保持容器を構成している。各圧力保持容器は流体の通路を含み且つ典型的にはガスの圧縮および膨張可能な流体を含んだ閉じた作業空間を規定しており、これらすべてはスターリング・サイクル熱機械的変換器を作るために必要である。板１８０３および１８０６はそれぞれ多重の積層化された層を含んでいる。シリコン板１８０３および１８０６の構造および再生排気子１８０７の構造は、集積電子回路およびシリコンのセンサーおよびアクチュエータを製造するのに使用される型のプレーナープロセス技術を用いてつくることが好ましい。好適具体化例においては熱吸収用の熱交換器は内部壁１８１３であり、これは排気子の隔膜１８０８と一緒になり膨張空間１８１４の境界をなしているが、下記に示すような別の方法を用いることもできる。同様に熱放出用の熱交換器はピストン隔膜１８１１であり、これは排気子の隔膜１８０９と一緒になり圧縮空間１８１５の境界を規定しているが、下記に示すような別の方法を用いることもできる。熱放出用の板はまたボス１８１７および可撓性の隔膜１８１１を含むピストン１８１６を含んでいることができる。このピストンの周波数および振幅を制御するために、ピストンはエネルギー輸送用のリンク機構１８１８を介して動力装置１８１９に連結されている。このような動力装置の例には電気機械的アクチュエータ、例えば電磁的、静電的および磁歪的変換器、並びに熱機械的変換器、例えばスターリング、オットー（Ｏｔｔｏ）およびディーゼル（Ｄｉｅｓｅｌ）サイクル・エンジンが含まれる。スターリング・サイクルエンジンについては下記に詳細に説明する。熱吸収用の板１８０３および熱放出用の板１８０６の間には、可撓性の排気子の隔膜１８０８および１８０９、および再生排気子を間隔を置いて配置された熱吸収用および熱放出用の板１８０３および１８０６に連結するための複数の壁１８２０によって適切な位置に支持された再生器１８１０を含んでいる。好適な具体化例においては、再生器１８１０は実質的に作業流体を含む周囲を取り囲む壁１８２１を有している。この周囲を取り囲む壁１８２１の内部には膨張空間１８１４および圧縮空間１８１５と流体により連絡した孔開きのマトリックス１８２２がある。好適な具体化例においては、この孔開きのマトリックスは複数の間隔を置いて配置された平らな壁から成り、これは相対する側面の所で周囲を取り囲む壁１８２１に連結されているか、他の具体化例を用いることもできる。好ましくはこれらの壁の間の通路はアスペクト比が約８より大きい。熱放出用の板１８０６と熱吸収用の板１８０３との間の内部的な熱の伝導を減少させるためには、熱吸収用の板１８０３と熱放出用の板１８０６との間の軸方向に沿った再生排気子の材料を通る熱伝導率を低くし、この材料の断面積を小さくすることが望ましい。これとは対照的に、片方では熱源と熱吸収点との間で、他方では熱源と作業流体との間で温度低下を減少させるためには、熱放出用の板１８０６の熱伝導率および熱吸収用の板の熱伝導率をすべての方向において高くすることが望ましい。実際には、約１Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率は再生排気子材料に対しては十分に低く、約１０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率は熱吸収用の板および熱放出用の板の材料に対しては十分に高い。二酸化シリコンは再生排気子の目的に対しては熱伝導率が低い材料であり、その熱伝導率は約１．４Ｗ／ｍ・Ｋである。熱吸収用の板および熱放出用の板の目的に対してシリコンは高い熱伝導率をもつ材料であり、その熱伝導率は温度１０００Ｋと５０Ｋとの間で２５〜１０００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲にある。この温度範囲でさらに高い熱伝導率をもつ他の高熱伝導率材料は炭化シリコンである。さらに、変換器の熱吸収用および熱放出用の板を機械的に一体化された構造物として製造するのに使用されているのと同様な工業的方法により、再生排気子の三つの機能部分（再生器、排気子および連結用の壁）を、単一の機械的に一体化された構造物の一部として同時に製作することが望ましい。本発明の改善された具体化例においてこれらすべての目的は、三次元の形をした再生排気子の単位構造物の中に異方的なエッチング法によりシリコンを導入し、該再生排気子の単位構造物を酸化して熱伝導率がシリコンの程度かまたはそれよりも低い二酸化シリコンにし、これらの単位構造物を一緒にして機械的に一体化された排気子成分の中に接合することにより達成される。再生排気子の一具体化例に対するこれらの構造を図２２および２３に詳細に示し、これらの図を参照して下記に説明を行う。［制御システム］ベータ形の自由ピストン型スターリング・サイクル変換器においては、ピストンおよび排気子の質量、該ピストンおよび排気子に作用するバネ、排気子およびピストンの運動の減衰は、ピストンおよび排気子の周期的な運動に対する適切な位相、振幅および周波数を制御する機械的な制御システムをなしている。ベータ形のスターリング・サイクル変換器のピストンおよび排気子の周波数、振幅および位相を制御する動作の理論および具体化例は従来法の文献に記載されており、従ってここで詳細な説明は行わない。エンジンとして動作するベータ形のスターリング変換器の動作は例えばＢｅｒｃｈｏｗｉｔｚおよびＲｅｄｌｉｃｈの文献（「自由ピストン型スターリング・エンジンの線形力学」、Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔｎ．Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇｒｓ．誌、１９９巻、Ｎｏ，Ａ３、２０３〜２１３頁）に記載されており、クーラーとして動作するベータ形のスターリング変換器の動作はＢｅｒｃｈｏｗｉｔｚの文献（「自由ピストン型スターリング・クーラー」、Ｐｒｏｃ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ − ＥｎｅｒｇｙＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄＮｅｗＲｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ、ＰｅｒｄｕｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、１９９２年７月１４〜１７日）に記載されている。ベータ形のスターリング変換器において作業流体の圧力が交互に変化すると、変化する圧力と作業流体に露出されるピストンの面積との積に等しい力がピストンに作用する。排気子は、変換器の熱吸収区域において作業流体に露出されるその面積の部分Ａｄ１が熱放出区域において作業流体に露出されるその面積の部分Ａｄ２よりも大きくなるようにつくられる。その面積の第３の部分Ａｄ３＝Ａｄ１−Ａｄ２は１サイクル中作業流体の圧力よりも遥かに変動が少ない異った参照圧力を受ける。この配置の結果、交互に変動する力が排気子にもかかり、ピストンおよび排気子の交互に変化する運動の共通の周波数、これらの運動の振幅の比、およびこれらの運動の間の位相角は、Ａｄ３、排気子に作用するバネの定数、排気子のＱ（即ち各サイクルにおいて保存された排気子のエネルギー対排気子によって消費されたエネルギーの比）、排気子およびピストンの減衰しない自然周波数、および種々の消費過程による排気子の運動の減衰のような因子によって決定される。このバネの定数は隔膜のバネの特性およびガスのバネとして働く作業流体のバネの特性を利用することによって得られる。ピストンおよび排気子の隔膜の振動の所望の位相、振幅および周波数を保持するための代表的な制御システムを図１８に示す。再生排気子１８０７の質量および排気子の隔膜１８０８および１８０９のバネの定数が減衰のない自然周波数を決定する。再生器１８１０を通る作業流体の粘稠流によりエネルギーが消費されることによって排気子の運動の減衰が決定される。同時にこの質量、これらのバネの定数、およびこの減衰によって排気子のＱが決定される。排気子の隔膜１８０８の面積は排気子の隔膜１８０９の面積よりも大きい。何故なら隔膜１８０８の固定された縁の間の直径は隔膜１８０９の固定された縁の間の直径よりも大きいからである。作業空間の作業流体の圧力と排気子の隔膜の間にある流体の圧力との間の交互に変化する圧力差は、排気子の隔膜の面積の差に対して作用し、再生排気子に作用する正味の力を生じる。ピストン１８１０の質量、およびピストンの隔膜１８１１および閉じ込められた作業空間の中の作業流体のバネの定数によって、その減衰のない自然周波数が決定される。或る具体化例においては、再生器の周囲を取り囲む壁または一つまたはそれ以上の排気子の隔膜が１個又はそれ以上の孔を含んでおり、これによって作業流体が排気子の隔膜の間の部屋を満たし得ることが便利であるが、これらの孔は、変換器の動作中作業空間の内部において、作業流体の振動的な流れおよび圧力を乱さないほど十分に小さい孔でなければならない。このような具体化例においては、相互連結用の壁１８２０は作業流体を含んでいなければならない。排気子の隔膜の間の部屋が作業空間からの流体で満たされていない他の具体化例においては、これらの部屋の中の参照圧力は相互連結用の壁１８２０の中に小さい孔と大きな孔をつくることによって得ることができる。［スターリング・エンジン］本発明を具体化したスターリング・サイクル熱機械的変換器は、またエンジンとして設計し動作させ、機械的エネルギーを機械的負荷に与えることができる。これを達成するためには、熱源を熱吸収区域に熱的に連結し、機械的負荷を機械的にピストンに連結する。機械的負荷のエネルギー消費効果およびエネルギー保存効果は、ピストンおよび排気子の運動の振幅、位相および周波数を決定する機械的制御システムの一部となっている。図１９を参照すれば、熱エネルギーをスターリング・サイクル・エンジンに与える通常の方法、例えば太陽光の照射、燃焼、放射性同位元素による照射、または産業廃熱の利用などの方法で熱エネルギーを熱吸収板１９０２に付与する。図１９に示す熱源は熱吸収シリコン板１９０２に熱的に連結された電気抵抗体１９０１である。熱源の上には開放ループまたは閉鎖ループをなす通路を通って流体を圧入するための自由ピストン型スターリング・サイクル・エンジン１９０３がつくられている。この図には１個の熱源に付属した１個のスターリング・エンジンが示されているが、このような１：１の付属関係は必ずしも必要ではないか、それが暗黙裡に包含されていることもない。熱吸収シリコン板１９０２の下方に間隔を置いて且つそれと閉口に熱放出シリコン板１９０４が存在している。これらの板の間には再生排気子１９０５が配置されている。この再生排気子１９０５は、熱吸収板１９０２および熱放出板１９０４と相対する端の所で流体により連絡した孔開きのマトリックスをもつ熱再生器１９０６を含んでいる。熱吸収シリコン板１９０２、熱放出シリコン板１９０４、およびその間に介在する再生排気子１９０５は、スターリング・サイクル・エンジンの圧力保持容器をなしている。この圧力保持容器は、流体通路を含み、且つ典型的には１種のガスである圧縮および膨張可能な流体を含んだ閉鎖した作業空間を規定しているが、これらすべてがスターリング・サイクル熱機械的変換器を作るために必要である。図１９に示した具体化例においては、熱吸収板１９０２は熱源基板層１９３８および延長された表面１９０８から成る熱吸収熱交換器層１９０７を含んでいる。好ましくは害延長された表面１９０８は複数の間隔を置いて配置された平らな壁１９３９を含み、これは相対する側において熱交換器層に連結されているが、他の具体化例も使用することができる。これらの壁の間の通路はアスペクト比が約８以上であることが好ましい。図１９に示した具体化例においては、熱放出板１９０４は熱放出熱交換器層１９０９、２枚のピストン層１９１０ａおよび１９１０ｂ、および一体となったバルブ・ヘッド１９１１を含んでいる。熱吸収熱交換器層１９０７と同様に、熱放出熱交換器層１９０９は延長された表面１９１２を有し、この表面は好ましくは複数の間隔を置いて配置された平らな壁１９１３を含み、この壁の間にはアスペクト比が約８以上の通路がある。このピストン層１９１０ａおよび１９１０ｂはボス１９１４および２枚の可撓性の隔膜１９１５および１９１６を含んでいるが、他の数の層および隔膜を用いることもできる。ピストンの隔膜１９１５は熱放出熱交換器層１９０９と共に、圧縮空間１９１７の境界を区切っている。図２に示した具体化例においては、ピストン層１９１０ａおよび１９１０ｂは金属またはガラスのフィルムで結合されている。他の層の間にもこの方法を用いることができる。熱吸収板１９０２と熱放出板１９０４の間には再生排気子１９０５があり、これは排気子の隔膜１９１８、１９１９および１９２０によって適切な位置に支えられた再生器１９０３、および該再生排気子１９０５を間隔を置いて配置された熱吸収板および熱放出板１９０２および１９０４に連結するための複数の壁１９２１から成っている。再生器１９０３は好適な具体化例においては作業流体を含む周囲を取り囲んだ壁１９２２を有している。この周囲を取り囲んだ壁１９２２の内部には、膨張空間１９２４および圧縮空間１９１７と流体で連絡した孔開きのマトリックス１９２３がある。膨張空間１９２４は熱吸収熱交換器１９０７および排気子の隔膜１９２０によって境界を区切られている。好適具体化例においては、この孔開きのマトリックス１９２３は複数の間隔を置いて配置された平らな壁１９２５を含み、これはその相対する側の所で周囲を取り囲む壁１９２２に連結されているが、他の具体化例を用いることができる。好ましくはこれらの壁の間の通路のアスペクト比は約８以上である。図１９に示す具体化例においては、流体のバルブ・ヘッドは、取り付けられた通路の開放または閉鎖ループを通し、流体流から成る機械的な負荷に対しピストンを圧入される流体を介して機械的に連結するエネルギー輸送リンク機構である。一般にシリコンのバルブはシリコンアクチュエータ工業においては公知である。図１９に示される一体となったバルブ・ヘッドは入口および出口ポート、内部通路、および吸引および放出バルブ成分を含んだ３枚の接合されたシリコン層から成っている。動作を行う場合、ピストンのボス１９１４がバルブ・ヘッド１９１１から遠去かって動く際、流体ポンプの圧縮空間１９２６の中の圧力は低下し、可撓性のある吸引バルブの隔膜１９２８の上に垂れ下がった吸引バルブのボス１９２７を引き込み、吸引バルブのシート１９２９から遠去かり、流体を入口ポート１９３０を通して流し、吸引バルブのシートの所を過ぎ、他の内部通路１９３１および１９３２を通って流体ポンプの圧縮空間１９２６へと流し込む。同時に、流体圧縮空間１９２６の圧力が低下すると、放出バルブの隔膜１９３４の上に垂れ下がった放出バルブのボス１９３３を放出バルブのシートに抗して引っ張り、これによって流体が放出ポート１９３５から流体ポンプ圧縮空間の中に流れ込むのを防ぐ。ピストンのボス１９１４がバルブ・ヘッド１９１１から動くと、流体ポンプ圧縮空間１９２６中の圧力が上昇し、吸引バルブのボス１９２７を吸引バルブのシート１９２９の方へ押し付け、流体ポンプ圧縮空間中の流体が入口ポート１９３０から流れ出すのを防ぐ。同時に、流体ポンプ圧縮空間中の圧力が上昇すると、放出バルブのボス１９３３を押して放出バルブのシートから遠去け、流体を流体ポンプ圧縮空間から放出バルブのシートを過ぎ、内部通路１９３５および１９３６を通り放出ポート１９３７から流し出す。［二重スターリング・クーラー］図２０は、共通の熱放出シリコン板２００２が２枚の熱放出熱交換器層２００９および２０２０と２枚のピストン層２０１１および２０１２を含んでいる自由ピストン型スターリング・サイクル変換器の一具体化例を示す。即ちベータ形のスターリング・エンジン２００１は、共通のピストン２０１３を介してベータ形のスターリング・クーラー２００３に機械的に連結され、エネルギー変換のために電気機械的な変換器を必要とすることなく、二重スターリング・サイクル変換器を構成している。エンジンの膨張空間２０１４の中の流体とエンジンの圧縮空間２０１５の中の流体との間に十分な温度差が生じると、スターリング・エンジン２００１の再生異動子２００６および共通のピストン２０１３の往復運動が起こる。上記のように、共通のピストン２０１３の往復運動によってスターリング・サイクル・クーラー２００３の再生異動子２０１６が往復運動し、熱吸収シリコン板２０１７によって熱が吸収されてその温度が低下し、従ってスターリング・サイクル・クーラーの膨張空間２０１８の中の作業流体の温度がスターリング・サイクル・クーラーの圧縮空間２０１９の中の作業流体の温度よりも低くなる。図２０の軸方向の断面図に示されている熱源２００４は内部電気抵抗体であり、これはスターリング・サイクル・エンジンの再生異動子２００６の再生器のフィン２００５に熱的に連結されている。図２０Ａは断面Ａ−Ａ’を通る平面図であり、電気抵抗体２００４が、再生器のフィン２００５の上にある連続した屈曲した経路に沿って電気導線２００７および２００８の間に分布した電気抵抗材料のリボンとして示されている。種々の電気伝導性の多重材料から成る他の平行な、並びに直列になった経路を使用することもできよう。スターリング・サイクル・エンジンの高温端の電気伝導体に適した材料の性質には、融点が高いこと、熱拡散係数が小さいこと、および化学反応性が低いことが含まれる。このような材料の例としては難熔性の金属（例えばモリブデン、チタン、タングステン、およびジルコニウム）、これらの金属の窒化物、アルミニウム化物および珪化物、および貴金属（例えば白金、ロジウムおよびニオブ）が含まれる。電気伝導体をスターリング・サイクル・エンジンの圧力容器の中に通す一つの方法を図２０Ｂに示す。図２０Ｂにおいては、導線２００７および２００８は電気絶縁性材料（例えば二酸化シリコン、窒化シリコン、または高融点のガラス）の薄いフィルムの間で密封されている。これらの絶縁フィルムの一つ２０１１を高温側のシリコン端板２００９に取り付け、他の絶縁フィルム２０１２を再生異動子の端板２０２０の高温端に取り付ける。絶縁フィルム２０１３は電気導線２００７および２００８の間およびその周りの空間を埋め、フィルム２０１１および２０１２の間の境界面を平らにし、容易に密封を行うことができる。本出願人は現在、ニオブに白金を組み合わせるとことが好適であると考えている。何故なら白金の針金を使用して白金のフィルムへ電気的な連結を行うことができ、またニオブのフィルムは熱拡散係数が小さいために高温における拡散障壁として作用するからである。熱源２００４から作業流体への熱の伝達を容易にするために、再生器の高温端は酸化しないでも良いが、この場合には再生器の酸化されていない部分は、作業流体の流れの方向に依存して熱を二方向へ伝達する強い軸方向の温度勾配をもった再生器としてではなく、フィン２００５の酸化されていない部分からガスへと一方向へ熱を伝達するほぼ等温的な熱吸収熱交換器として機能するであろう。［ヴュリュマイヤー熱ポンプ］ヴュリュマイヤー熱ポンプの動作原理は熱機械的装置の専門家には公知である。二重スターリング・サイクル変換器と同様に、ヴュリュマイヤー熱ポンプはエネルギーの変換には電気機械的変換器を必要としない。或る種の用途においてヴュリュマイヤー熱ポンプが二重スターリング・サイクル変換器に優る利点の一つは、ヴュリュマイヤー熱ポンプでは二重スターリング・サイクル変換器の比較的重い部分が除去されているため振動が少ないことである。これに関連して他の用途の場合、二重スターリング・サイクル変換器に対しヴュリュマイヤー熱ポンプのもつ欠点は、比熱が小さいことである。何故ならヴュリュマイヤー熱ポンプは、二重スターリング・サイクル変換器のピストンによって与えられるような容積の圧縮および膨張によって得られる利点を利用していないからである。スターリング・サイクル変換器と同様に、ヴュリュマイヤー熱ポンプにおける往復運動機素（この場合は二つの排気子）の周波数、振幅および位相は機械的な連結と電気機械的な変換器を用いるか、或いは往復運動機素自身の質量、それに取り付けられたバネ、および装置の内部に起こる減衰力および圧力のいずれかによって制御することができる。ヴュリュマイヤー熱ポンプの前者の（機械的な）型の動作はＷａｌｋｅｒによって記載されている（「ヴュリュマイヤー低温クーラー」、Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ，第１部、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ、米国ニューヨーク、ＰｒｅｎｕｍＰｒｅｓｓ１９８３年出版、１８５〜２３６頁、特に２１２〜２２０ページ）。後者の（自由ピストン）型のヴュリュマイヤー熱ポンプの動作はＳｃｈｕｌｔｚおよびＴｏｈｏｍａｓによって記載されている（「プロトタイプの実験結果と比較した自由ピストン・ヴュリュマイヤー装置の線型モデル」、第２７回ＩｎｔｅｒｓｏｃｉｅｔｙＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、ＩＥＣＥＣ１９９２、米国カルフォルニア州、ＳａｎＤｉｅｇｏ、１９９２年８月３〜７日、第５巻、５．７５〜５．８０頁）。ＳｃｈｕｌｔｚおよびＴｏｈｏｍａｓによれば、自由ピストン・ヴュリュマイヤー熱ポンプはケースと低温側の排気子との間のバネ、および二つの排気子の間のバネがなくても安定な振動を行うことができるが、ケースの運動が排気子の運動に比べて大きくない限り高温側の排気子とケースとの間にバネがなくては安定な振動が得られないことが示された。図２１は、高温の熱吸収シリコン板２１０１、高温の再生排気子２１０２、温暖な熱放出シリコン板２１０３、低温の再生排気子板２１０４、および低温の熱吸収シリコン板２１０５から成る自由ピストン・ヴュリュマイヤー熱ポンプの一具体化例を示す。高温の再生排気子は可撓性の排気子隔膜２１０６および２１０７を含み、これは高温再生排気子の質量をケース２１０８に連結するバネとして作用する。ケース２１０８はすべての熱吸収板および熱放出板、並びにこれらの板を互いに連結する再生排気子の壁を含んでいる。同様に、低温の再生排気子は可撓性の排気子隔膜２１０９および２１１０を含み、これは低温再生排気子の質量をケース２１０８に連結するバネとして作用する。スターリング・サイクル変換器におけると同様に、軸方向における再生排気子の熱伝導率を最小にし、この材料の熱断面積を最小にすることが望ましい。またスターリング・サイクル変換器におけると同様に、熱吸収区域に最も近い排気子の隔膜２１０６および２１１０の面積を、熱放出区域に最も近い排気子の隔膜２１０７および２１０９の面積よりも大きくし、排気子の運動を駆動するための交互に変化する力を生じるのに必要な圧力差をつくる。また上記のスターリング・サイクル変換器におけると同様に、各再生排気子の制御を行う際の参照圧力は、排気子の隔膜の間の部屋２１１１および２１１２の中の流体の圧力である。［再生排気子の詳細］公知のように、シリコンの結晶は切断してウエファーにし、これらのウエファーの面に垂直なベクトルがシリコンの結晶の或る選ばれた結晶学的な方向になるようにすることができる。これらの結晶学的な方向は＜ＸＹＺ＞の形のいわゆるミラーの指数によって表される。ここでＸｅｒｏｘ、ＹおよびＺは結晶学的な構造に合わされた直交座標におけるベクトルの長さである。また良く知られているように、シリコンの結晶は多くの性質に関し異方性をもっている。即ちこれらの性質は異った結晶学的な方向において異っている。マイクロ電子回路の目的に対しては、例えば結晶学的方向の＜１００＞の群の中の一つに対して垂直な面をもったウエファーは、この方向における或る種の電子的性質の値のために好適なウエファーである。シリコンの異方的な性質の中に或る種の化学物質に対するシリコン結晶の溶解度がある。例えば水酸化カリウムの水溶液中においては、＜１００＞および＜１１０＞の群の方向の方が、＜１１１＞の群の方向におけるよりもシリコンの結晶は速くエッチングされる。さらにシリコンは＜１００＞および＜１１０＞の方向において二酸化シリコンよりも遥かに速くエッチングされる。この化学的な異方性および選択性は集積回路のセンサーおよびアクチュエータの複雑な三次元構造をつくるのに広く使用されている。超小型再生変換器の再生器は構造が高度の異方性をもち（好ましくは複数の間隔を置いて配置された平行な壁から成り）、これらの壁の材料の熱伝導率が小さいことが望ましい。しかし高度の異方性をもった構造を生成する材料は結晶性であり、結晶性材料は比較的高い熱伝導率をもっている。逆に、熱伝導率が小さい材料は無定形であるから、これから高度の異方性をもった構造をつくることは困難である。本発明は、シリコンの化学的性質を利用し、異方性をもったシリコンのウエファーの中に再生排気子の高度に異方性をもった構造をつくり、得られた構造を酸化して熱伝導率が遥かに小さい無定形の二酸化シリコンにすることによりこの問題を克服している。図２２Ａはシリコンのウエファー２２０１の＜１１０＞の一つの面を示す。＜１１０＞ウエファーの結晶学的な方向は該ウエファーの縁を研磨してつくった或る平らな面２２０２および２２０３の位置によって一意的に指定することができる。図２２Ａに示す具体化例においては、この方向は７０．５３°離して配置された＜１１１＞面に合わせた平らな面により示される図２２Ｂは、図２２Ａに示されたような＜１１０＞のシリコンウエファーを覆う二酸化シリコンフィルムの中の孔を通してエッチングをした不整形ではあるが対称的な６角形のキャビティ２２０４を示す。＜１１１＞面まで達するように十分エッチングの時間をかけた後、６本の線（ＡＢ、ＢＣ、ＣＤ、ＤＥ、ＥＦおよびＦＡ）に縁が接したすべての孔から図２２Ｂに示すキャビティ２２０４が生じるであろう。ここでキャビティ２２０４の辺を構成する６個の＜１１１＞面はウエファーの表面と交わっている。６個の＜１１１＞面の中で４個の面２２０５、２２０６、２２０７および２２０８はウエファーの＜１１０＞面に垂直であり、２個の面２２０９および２２１０は該面から３５．２９°の角度で下方に傾いている。二つの傾斜面２２０９および２２１０はキャビティの底部で線ＧＨにおいて出会っており、垂直な＜１１１＞面によって区切られている。一般に、点ＧおよびＨはそれぞれ点ＡおよびＤから下方へ傾いた垂直の線の底部にはない。ここで垂直な＜１１１＞面２２０５と２２０６、および垂直な＜１１１＞面２２０７と２２０８はそれぞれ出会っている。図２２Ｈはシリコンのウエファーの中の６角形のキャビティ２２０４を斜めに見た図である。この図には垂直の辺２２０７および２２０８および斜めの面２２０９および２２１０が見える。図２２Ｃは図２２Ｂの線１−１’を通る断面図あり、線ＡＢから下方へ傾いた垂直な＜１１１＞面２２０７および図５Ｂの線ＦＡから下方へ傾いた垂直な面２２０８の一部、および図２２Ｂの線ＢＣから下方へ傾斜した斜めの＜１１１＞面の一部を示している。図２２Ｄは図２２Ｂの線２−２’を通る断面図である。線２−２’は線ＧＨに垂直であり、この線に沿って斜めの＜１１１＞面２２０９および２２１０が交わっている。図２Ｄは図２２Ｂの線ＡＢから下方へ傾いた全体の垂直な＜１１１＞面２２０７、および線ＦＡから下方へ傾いた全体の垂直な面２２０８を示す。これらの面は図２２Ｂにおいてそれぞれ線ＢＣおよび線ＥＦから下方へ傾斜した斜めの＜１１１＞面２２０９および２２１０により作られるＶ字形の溝孔の終端となっている。図２２Ｅは図２２Ａに示されたような＜１１０＞シリコンウエファーの中につくり得る型の不整形の斜方キャビティ２２１１の拡大図である。図２２Ｂの６角形のキャビティがウエファーの表面と交叉する６本の線の位置も参考のために示されている。キャビティ２２１１は、斜方キャビティの４個の＜１１１＞面がシリコンのウエファーと交叉する４本の線ＩＪ、ＪＫ、ＫＬおよびＬＩと合同な辺を有する二酸化シリコンフィルムの中の孔を通してしか生じない。これらの４個の＜１１１＞面の中で２個の＜１１１＞面２２１２および２２１３はウエファーの面に垂直であり、２個の＜１１１＞面２２１４および２２１５はウエファーの＜１１０＞面に関して３５．２９°の角度でウエファーから下方へ傾いている。二つの斜めの面２２１４および２２１５はキャビティの底の所で線２２１６の中で出会っており、垂直な＜１１１＞面により区切られている。一般に垂直な＜１１１＞面２２１２および２２１３は二等辺三角形の形をしている。図２２Ｆは図２２Ａに示した＜１１０＞シリコンウエファーの相対する辺を示す。図２２Ｇは不整形の斜方キャビティ２２１７の拡大図である。これは図２２Ｅに示したものの鏡像であり、従って図２２Ｅに示す＜１１０＞面と図２２Ｇに示す＜１１０＞面とを接触させた場合、点ＩおよびＮ、ＪおよびＭ、ＫおよびＰ、およびＬおよびＯが合わさる。図２３および図２４は、図５Ａおよび図５Ｆに示したような＜１１０＞シリコンウエファーの中の集積再生排気子の好適具体化例の代表的な部分の相対する側を示す見取り図である。図２３の点線２３０１および図２４の点線２４０１は、このチップをこの線に沿って平行に任意の距離だけ延長し得ることを示している。図２３および２４に示したチップは、チップが製作された＜１１０＞シリコンウエファーに垂直な＜１１１＞面の中にある間隔を置いて配置された平行な壁を有する再生器２３０２および２４０２、該チップが製作されたウエファーの＜１１０＞面に平行な＜１１０＞面の中にある排気子の隔膜２３０３および２４０３、該チップが製作されたウエファー＜１１０＞面に垂直で且つその面に関し３５．２９°の角度で傾いた＜１１１＞面内にある壁の網状構造２３０４および２４０４、および排気子の隔膜の周辺延長部２３０５および２４０５から成っている。動作時においては、連結用の壁２３０４および２４０４の中の網状構造は排気子の隔膜２３０３および２４０３を変換器の残りの部分に対して固定し、これによって作業流体は再生器２３０２および２４０２の間隔をおいて配置された平行なフィンの間に圧入される。＜１１１＞壁の網状構造２３０４は排気子の隔膜２３０３およびその延長部２３０５をチップの反対側の＜１１０＞面２３０６に連結する斜めの＜１１１＞壁２３０７ａおよび２３０７ｂを含んでいる。チップの面に垂直な軸方向において再生排気子の熱断面積を減らすために、もともと斜めの＜１１１＞壁２３０７ａおよび２３０７ｂの間にあったシリコンは除去され、間隔を置いて配置された平行で垂直な＜１１１＞壁２４０７だけが残されている。同様な壁の網状構造２３０８および２４０８により再生器２３０２および２４０２のいずれの側においても熱断面積が減少する。図２５および２６には集積再生排気子チップの他の具体化例を示す。図２５および図２６に示した具体化例においては、連結用の垂直および斜めの＜１１１＞の壁の網状構造２５０１および２５０２は横方向においては連結用の垂直および斜めの＜１１１＞の壁の網状構造２５０２および２６０２、並びに連結用の垂直および斜めの＜１１１＞の壁の網状構造２５０３および２６０３とは連結されていない。図２７Ａ、２７Ｂおよび２７Ｃは図２３および２４に示した再生排気子のチップの好適具体化例の断面図、および該チップの鏡像の断面図である。この再生排気子およびその鏡像は両方とも上記のシリコンの対称的な結晶学的性質を利用して＜１１１＞シリコンウエファーの相対する側からつくることができる。連結用の壁の網状構造の図２７Ａの断面図は、斜めの＜１１１＞面２７０１および２７０２がチップの相対する側において＜１１０＞面２７０３および２７０４を連結し、その結果生じた＜１１０＞面２７０５および２７０６は互いに合わさり、これを境界面として互いに接合していることを示している。図２７Ｂの断面図は再生器から横方向に間隔を置いて配置された排気子の隔膜２７０７の一部の断面図であり、図２７Ｃの断面図は排気子の隔膜２７０８および再生器の平行なフィンの間の空間２７０９を通る断面図である。図２８Ａは、図２３および図２４に示したような三つの再生排気子チップ２８０１、２８０２および２８０３、および互いに接合されて機械的に一体化された構造物になっているこのようなチップの三つの鏡像２８０４、２８０５および２８０６を示す。連結用の＜２８１＞の壁の網状構造を通る図２８Ａの断面は、得られた構造物が再生排気子を隣接したシリコンのチップ２８０７および２８０８にしっかりと連結していることを示している。他の下図の再生排気子のウエファーを使用して再生排気子を構成することもできる。これらの小室のいくつかまたは全部を真空に引くとこの構造物の熱伝導率が減少する。図２８Ｂは再生排気子の好適な具体化例の排気子の隔膜を通る他の垂直断面図である。この断面図は、シリコンの熱吸収板２８１０と排気子の隔膜２８１１とで区切られた再生熱機械的変換器の膨張空間２８０９、および熱放射板２８１３と排気子の隔膜２８１４とで区切られた変換器の圧縮空間２８１２を示す。排気子の隔膜２８１１の面積は排気子の隔膜２８１４の面積より大きい。図２８Ｃは再生排気子の好適な具体化例の再生器および排気子の隔膜を通る他の垂直断面図である。この断面図は、熱放出板２８１９と熱吸収板２８２０との間の熱伝導経路の一部を構成する斜めの＜１１１＞の壁の４個の網状構造を示す。図２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃおよび２９Ｄは、図２３および２４に示した再生排気子チップの具体化例、およびこのようなチップの鏡像を通る垂直断面図である。連結用の壁の網状構造を通る図２９Ａに示した断面図は、垂直の＜１１１＞面２９０１および２９０２がチップの相対する側において＜１１０＞面２９０３および２９０４を連結し、これによって生じる＜１１０＞面２９０５および２９０６は互いに合わさり、これを境界面として互いに接合していることを示している。図２９Ｂの断面図は、再生器から横方向に間隔を置いて配置された排気子の隔膜２９０７の一部を通る断面図であり、図２９Ｃの断面図は、排気子の隔膜２９０８、および再生器に隣接した壁の網状構造２９０９を通る断面図である。図２９Ｄの断面図は、排気子の隔膜２９０９および再生器２９１０の平行なフィンを通る断面図である。図２９Ａの延長された＜１１０＞面２９０３、図２９Ｂの面２９１１、図２９Ｃの面２９０９および２９１２、並びに図２９Ｄの面２９１３および２９１４は隣接したウエファーに接合する平らな面を与える。図３０Ａは、図２３および２４に示したような３個の再生排気子チップ３００１、３００２および３００３、および互いに接合されて機械的一体化された構造物になっているこのようなチップの３個の鏡像３００４、３００５および３００６を示す。連結用の＜１１１＞の壁の網状構造を通って採られた図３０Ａの断面図は、これによって得られる構造物が再生排気子を隣接したシリコンのチップ３００７および３００８にしっかりと連結していることを示している。図３０Ｂは再生排気子の好適な具体化例の排気子隔膜を通る他の垂直断面図である。この断面図は、シリコンの熱吸収板３０１０と排気子の隔膜３０１１とで区切られた再生熱機械的変換器の膨張空間３００９、および熱放出板３０１３と排気子の隔膜３０１４とで区切られた該変換器の圧縮空間３０１２を示している。図３０Ｃは排気子の隔膜３０１５および再生器３０１６に隣接した壁の網状構造を通る他の垂直断面図である。図３０Ｄは、再生排気子の好適具体化例の再生器および排気子の隔膜を通る他の垂直断面図である。この断面図は、熱放出板３０２１と熱吸収板３０２２との間の熱伝導経路の一部を構成する斜めの＜１１１＞壁３０１７、３０１８、３０１９および３０２０の網状構造を示している。また図３０Ｄには、再生器３０２３、熱放出熱交換器３０２４、および熱吸収熱交換器３０２５の間隔を置いて配置された平行なフィンが示されている。［製作方法］本発明の具体化例は現行のプレーナープロセス技術による集積回路の製作法をこれらの具体化例の製造に適用することにより製作することが好ましい。特に再生排気子チップに関しては、集積構造物は単一の＜１１０＞シリコンウエファーの中の一体となった構造物として複数の多重複製の製造に極めて適合している。例えば熱再生器、排気子の隔膜、および連結用の壁の網状構造を＜１１０＞シリコンウエファーを適切にエッチングすることにより集積構造物としてつくることにより具体化することができる。これらの＜１１０＞ウエファーの複数の鏡像を互いに位置合わせして配置し、緊密に境界面で接触させ、熔融接合または共融接合法により接合することができる。この集積構造物において軸方向の伝熱経路の熱伝導率は、軸方向の伝熱経路を高圧酸化炉の中で全体的に酸化することにより最大二桁程度の大きさ減少させることができる。１枚またはそれ以上の得られた接合再生排気子板を次に同様な方法で一平面内において熱吸収熱交換器板および熱放出熱交換器板に接合し、完全なスターリング・サイクル変換器またはヴュリュマイヤー変換器を作る。この方法の利点は、熱吸収板および熱放出板と同様に、再生熱機械的変換器の再生排気子を作ることができること、また再生器、排気子、および変換器板を連結する壁を、後で一緒にしなければならない別々の材料片の形の別々の機素としてではなく一体となった構造物として作ることができること、および再生排気子の構造物を作った後に、再生排気子構造物の軸方向の熱伝導率を減少させることができることである。内部熱源への導線に対する密封は、接合すべきシリコンウエファーを酸化し、これらのウエファーの少なくとも一つの上に電気伝導体を沈積させて写真製版法によりその形をつくり、メッキした表面の上に電気絶材料を沈積させ、得られた表面を平滑にし、次いで二つのウエファーの位置合わせを行ってこれを高温で緊密に接触させ境界面を互いに接合することによってつくることができる。［結論］以上の説明から本発明の具体化例においては、振動的な流れの中のエントロピー生成過程を著しく減少させ、それによって本発明の具体化例を再生熱機械的変換器により従来得られるよりもはるかに高い周波数で動作させ、実用的な熱的ポンピング能力と非常に望ましい比熱とを有する小型の装置を作り得ることは明らかである。従来法の再生熱機械的変換器は恐らく５より低いウォルマースレイ数をもつ通常の低い周波数でしか動作しないが、従来は排気の振幅とマッハ数との間の関係の重要さと小型の高周波数の装置をつくる可能性とは決して結ぶ付けられてはいなかった。本発明の広義の概念は特性ウォルマースレイ数が５より小さく、マッハ数が０．１よりも小さい通路を５００Ｈｚより高い動作周波数と結び付けたことである。温度が下がるとシリコンの熱伝導率は劇的に増加するから、シリコンは低温における熱交換器および熱伝導性機素に対する例外的に望ましい材料になっている。同時に、基質とチップとの間で熱膨張係数には差がないので、シリコンはチップの取り付けまたは製作上理想的な材料である。もしこのような差があると、低温クーラーの中で起こる極端な温度の上下変化の下で剥離および分離が起こる可能性があろう。シリコンは電子回路を製作する際の最も普通の材料であるから、冷凍器の熱交換器自身の中に回路を組み込める可能性が生じる。さらにシリコンは酸化して熱伝導率がシリコンよりかなり低い二酸化シリコンにすることができるから、複雑な構造物の中に組み込んだ後には、再生排気子を作る理想的な材料である。次にこれらの再生排気子を用い、エネルギー変換のための電気機械的変換器を少ししか或る場合には全く必要としない自由ピストン型熱機械的変換器をつくることができる。この装置は小型であり高周波数で動作するため、従来の大型の高周波数で動作する装置がエネルギー効率の低い断熱条件下で動作するのとは異り、殆ど等温条件下で動作することができる。以上本発明の具体化例を詳細に説明したが、本発明の精神および下記の請求の範囲を逸脱することなく種々の変形を行い得るものと了解されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ【要約の続き】数が実質的に０．１より小さくなるほど十分に小さい。

Claims

【特許請求の範囲】１．（ａ）流体通路および圧縮可能且つ膨張可能な流体を含む閉鎖された作業空間を規定し、少なくとも一つの熱吸収区域、少なくとも一つの熱放出区域、および該熱吸収区域と熱放出区域との間にある少なくとも一つの熱再生区域を含む圧力保持容器、および（ｂ）該熱吸収区域と熱放出区域との間にある該熱再生区域を通して作業流体を交互に輸送する排気子を有する熱機械的変換器において、作業空間中の通路は作業空間中の作業流体の振動的な流れによって生じる不可逆性に特有なウォルマースレイ数が５より実質的に小さくなる程十分に狭く、作業流体の振動的な流れの振幅は５００Ｈｚより高い動作周波数において最高マッハ数が実質的に０．１よりも小さくなる程十分に小さいことを特徴とする熱機械的変換器。［一体化された熱吸収板および熱放出板］２．該圧力保持容器の該熱吸収区域および該熱放出区域の少なくとも一つは高い熱伝導率をもった材料から成る一体となった板であることを特徴とする請求項１記載の変換器。３．該圧力保持容器の熱吸収区域は高い熱伝導率をもった材料から成る一体となった板であり、圧力保持容器の熱放出区域は高い熱伝導率をもった材料からから成る間隔を置いて配置された平行な一体となった板であることを特徴とする請求項２記載の変換器。［配列］４．二次元の平行な配列をなすように配置された複数の該圧力保持容器を含み、圧力保持容器の熱吸収区域は１枚の板の一部として一体となってつくられており、熱放出区域は他の板の一部として一体となってつくられていることを特徴とする請求項３記載の変換器。［シリコン］５．該熱伝導率の高い材料はシリコンであることを特徴とする請求項２記載の変換器。６．該熱伝導率の高い材料は炭化シリコンであることを特徴とする請求項２記載の変換器。［シリコンのウエファー連結構造物］７．該シリコンの板は一平面内で一緒に連結された、積層化されエッチングされた複数のシリコンウエファーから成ることを特徴とする請求項６記載の変換器。８．該炭化シリコンの板は一平面内で一緒に連結された、積層化されエッチングされた複数のシリコンウエファーから成ることを特徴とする請求項６記載の変換器。９．該ウエファーは融合接合法により連結されていることを特徴とする請求項７または８記載の変換器。１０．該ウエファーは中間的なガラス・フィルムにより連結されていることを特徴とする請求項８記載の変換器。１１．該ウエファーは中間的な金属フィルムにより連結されていることを特徴とする請求項８記載の変換器。［一体化された熱再生板］１２．圧力保持容器の熱再生区域は熱伝導率の低い材料から成る一体化された板であることを特徴とする請求項１記載の変換器。［二酸化シリコン］１３．該熱伝導率の低い材料は二酸化シリコンであることを特徴とする請求項１２記載の変換器。［二酸化シリコンのウエファーの連結構造物］１４．該二酸化シリコン板は一平面内で一緒に連結された、積層化されエッチングされ且つ酸化された複数のシリコンウエファーから成ることを特徴とする請求項１３記載の変換器。１５．該ウエファーは融合接合法により連結されていることを特徴とする請求項１４記載の変換器。１６．該ウエファーは中間的なガラス・フィルムにより連結されていることを特徴とする請求項１４記載の変換器。１７．該ウエファーは中間的な金属フィルムにより連結されていることを特徴とする請求項１４記載の変換器。［変換器連結構造物］１８．一体化された熱吸収板、熱再生板および熱放出板が互いに連結されて一体化された構造物になっていることを特徴とする請求項３記載の変換器。１９．該ウエファーはシリコンの融合接合法により連結されていることを特徴とする請求項１８記載の変換器。２０．該ウエファーは中間的なガラス・フィルムにより連結されていることを特徴とする請求項１８記載の変換器。２１．該ウエファーは中間的な金属フィルムにより連結されていることを特徴とする請求項１８記載の変換器。［装着］［ベータ形の自由ピストン型スターリング・エンジン］２２．（ａ）熱エネルギー源が圧力保持容器の高温の熱吸収区域に熱的に連結され、（ｂ）熱再生器を通して作業流体を交互に輸送するように往復運動する作業流体の排気子のボス質量体（ｂｏｓｓｍａｓｓ）の中で熱再生器をつくる一体化された本体、および作業流体の排気子を支え該作業流体の排気子を熱機械的変換器の他の部材に連結する作業流体の排気子を取り囲む壁の網状構造から成る熱機械的変換器のための高温再生排気子が、圧力保持容器の高温の熱吸収区域と該圧力保持容器の熱放出区域との間に配置され、該熱吸収区域と熱放出区域との間で作業流体が交互に輸送される際作業流体を再生的に加熱および冷却するように動作し、（ｃ）圧力保持容器の熱放出区域は作業流体を交互に圧縮しまた膨張させるピストンを含み、（ｄ）該ピストンから負荷に対してエネルギーを運ぶリンク機構が存在し、該変換器を負荷を駆動するエンジンとして動作させることを特徴とする請求項２または３記載の変換器。２３．該負荷は流体ポンプであることを特徴とする請求項２２記載の変換器。２４．熱エネルギー源は圧力保持容器の高温の熱吸収区域の外側にある電気抵抗体のフィルムであることを特徴とする請求項２２記載の変換器。２５．熱エネルギー源は圧力保持容器の高温の熱吸収区域に近い方の熱再生器の端にある電気抵抗体のフィルムであることを特徴とする請求項２２記載の変換器。［ベータ形の自由ピストン型スターリング熱ポンプ］２６．（ａ）熱エネルギー源が圧力保持容器の低温の熱吸収区域に熱的に連結され、（ｂ）熱再生器を通して作業流体を交互に輸送するように往復運動する作業流体の排気子のボス質量体の中で熱再生器をつくる一体化された本体、および作業流体の排気子を支え該作業流体の排気子を熱機械的変換器の他の部材に連結する作業流体の排気子を取り囲む壁の網状構造から成る熱機械的変換器のための低温再生排気子が、圧力保持容器の低温の熱吸収区域と該圧力保持容器の熱放出区域との間に配置され、該熱吸収区域と熱放出区域との間で作業流体が交互に輸送される際、作業流体を再生的に加熱および冷却するように動作し、（ｃ）圧力保持容器の熱放出区域は作業流体を交互に圧縮しまた膨張させるピストンを含み、（ｄ）該ピストンから動力装置に対してエネルギーを運ぶリンク機構が存在し、該変換器を圧力保持容器の低温の熱吸収区域の温度を下げるクーラーとして動作させることを特徴とする請求項２または３記載の変換器。２７．該動力装置は電動機であることを特徴とする請求項２６記載の変換器。［ベータ形の２重自由ピストン型スターリング・クーラー］２８．（ａ）熱エネルギー源が圧力保持容器の高温の熱吸収区域に熱的に連結され、（ｂ）熱再生器を通して作業流体を交互に輸送するように往復運動する作業流体の排気子のボス質量体の中で熱再生器をつくる一体化された本体、および作業流体の排気子を支え該作業流体の排気子を熱機械的変換器の他の部材に連結する作業流体の排気子を取り囲む壁の網状構造から成る熱機械的変換器のための高温再生排気子が、圧力保持容器の低温の熱吸収区域と該圧力保持容器の熱放出区域との間に配置され、該熱吸収区域と熱放出区域との間で作業流体が交互に輸送される際、作業流体を再生的に加熱および冷却するように動作し、（ｃ）圧力保持容器の熱放出区域は作業流体を交互に圧縮しまた膨張させるピストンを含み、（ｄ）該ピストンから負荷に対してエネルギーを運ぶリンク機構が存在し、該変換器を負荷を駆動するエンジンとして動作させ、ここで該負荷は請求項１０１または１０２または１０３記載の第２の変換器であって、該第２の変換器はｉ）熱エネルギー源が圧力保持容器の低温の熱吸収区域に熱的に連結され、ｉｉ）熱再生器を通して作業流体を交互に輸送するように往復運動する作業流体の排気子のボス質量体の中で熱再生器をつくる一体化された本体、および作業流体の排気子を支え該作業流体の排気子を熱機械的変換器の他の部材に連結する作業流体の排気子を取り囲む壁の網状構造から成る熱機械的変換器のための低温再生排気子が、圧力保持容器の低温の熱吸収区域と該圧力保持容器の熱放出区域との間に配置され、該熱吸収区域と熱放出区域との間で作業流体が交互に輸送される際、作業流体を再生的に加熱および冷却するように動作し、ｉｉｉ）圧力保持容器の熱放出区域は作業流体を交互に圧縮しまた膨張させるピストンを含み、ｉｖ）該ピストンからエンジンに対してエネルギーを運ぶリンク機構が存在し、該変換器を圧力保持容器の低温の熱吸収区域の温度を下げるクーラーとして動作させる変換器であることを特徴とする請求項２または３記載の変換器。［自由ピストン・ヴュリュマイヤー熱ポンプ］２９．（ａ）熱エネルギー源が圧力保持容器の高温の熱吸収区域に熱的に連結され、（ｂ）熱エネルギー源が圧力保持容器の低温の熱吸収区域に熱的に連結され、（ｃ）熱再生器を通して作業流体を交互に輸送するように往復運動する作業流体の排気子のボス質量体の中で熱再生器をつくる一体化された本体、および作業流体の排気子を支え該作業流体の排気子を熱機械的変換器の他の部材に連結する作業流体の排気子を取り囲む壁の網状構造から成る熱機械的変換器のための高温再生排気子が、圧力保持容器の高温の熱吸収区域と該圧力保持容器の熱放出区域との間に配置され、該熱吸収区域と熱放出区域との間で作業流体が交互に輸送される際、作業流体を再生的に加熱および冷却するように動作し、（ｄ）熱再生器を通して作業流体を交互に輸送するように往復運動する作業流体の排気子のボス質量体の中で熱再生器をつくる一体化された本体、および作業流体の排気子を支え該作業流体の排気子を熱機械的変換器の他の部材に連結する作業流体の排気子を取り囲む壁の網状構造から成る熱機械的変換器のための低温再生排気子が、圧力保持容器の低温の熱吸収区域と該圧力保持容器の熱放出区域との間に配置され、該熱吸収区域と熱放出区域との間で作業流体が交互に輸送される際、作業流体を再生的に加熱および冷却するように動作することを特徴とする請求項２または３記載の変換器。［再生排気子］３０．熱再生器を通して作業流体を交互に輸送するように往復運動する作業流体の排気子のボス質量体の中で熱再生器をつくる一体化された本体、および作業流体の排気子を支え該作業流体の排気子を熱機械的変換器の他の部材に連結する作業流体の排気子を取り囲む壁の網状構造から成ることを特徴とする熱機械的変換器のための再生排気子。３１．一体化された本体は熱伝導率の低い材料から成ることを特徴とする請求項３０記載の再生排気子。［二酸化シリコン］３２．該熱伝導率の低い材料は二酸化シリコンであることを特徴とする請求項３１記載の変換器。［排気子］３３．作業流体の排気子は中央がボス質量体に、周辺部が壁に連結された複数の平行な軸方向に間隔を置いて配置された環状の隔膜から成ることを特徴とする請求項３０記載の再生排気子。３４．該環状の隔膜が平らなシートであることを特徴とする請求項３３記載の作業流体排気子。３５．該環状の隔膜が環状の波状突起であることを特徴とする請求項３３記載の作業流体排気子。［再生器］３６．中央のボス質量体は再生器を構成し該再生器を通り作業流体を軸方向に流す経路を与える連続的に連結された空隙を有する軸方向の孔開きマトリックスから成ることを特徴とする請求項３３記載の再生排気子。３７．該孔開きマトリックスは断面のアスペクト比が実質的に８より大きい壁の間の通路を規定する複数の平行な間隔を置いて配置された壁から成ることを特徴とする請求項３４記載の再生排気子。［共鳴］３８．該排気子はそれが一部を構成する熱機械的変換器の実質的な動作周波数において機械的に共鳴していることを特徴とする請求項３３記載の再生排気子。３９．壁が変換器の作業空間を規定し、該作業空間は該排気子に作用する特性バネ定数をもつガスのバネであり、排気子のボス質量体および排気子の隔膜のバネ定数はガスのバネ定数と共に、排気子が実質的な変換器の動作周波数において共鳴するように選ばれることを特徴とする請求項３８記載の再生排気子。［圧力保持容器］４０．該壁は小室の網状構造から成っていることを特徴とする請求項３０記載の再生排気子。４１．小室の網状構造は密封された圧力保持容器をつくっていることを特徴とする請求項４０記載の再生排気子。４２．該小室の網状構造の少なくともいくつかは真空に引かれていることを特徴とする請求項４０記載の再生排気子。４３．再生器の横方向の表面は密封された圧力保持容器をつくっていることを特徴とする請求項３０記載に再生排気子。［熱機械的変換器の製造法］４４．（ａ）シリコンのウエファーの選ばれた部分をエッチングにより除去し、一体化された熱吸収板の中に統合された複数の熱吸収区域をつくり、（ｂ）シリコンのウエファーの選ばれた部分をエッチングにより除去し、一体化された熱放出板の中に統合された複数の熱放出区域をつくり、（ｃ）複数の一体化された再生排気子成分を有する統合された再生排気子板をつくり、（ｄ）熱吸収板と熱放出板との間に該再生排気子板を配置し、位置合わせをを行い、連結して複数の一体化された熱機械的変換器から成る統合された構造物を作ることを特徴とする熱機械的変換器の製造法。４５．さらに、選ばれた変換器の間で統合された構造物を分離し、変換器の配列を作ることを特徴とする請求項４４記載の方法。４６．さらに、選ばれた変換器の間で統合された構造物を分離し、複数の個別的な変換器を作ることを特徴とする請求項４４記載の方法。［再生排気子の製造法］４７．（ａ）シリコンのウエファーの選ばれた部分をエッチングにより除去して複数の再生器のフィン、排気子のフィンに取り付けられた排気子の隔膜、および該隔膜を取り囲む壁をつくり、（ｂ）エッチングをして得られたウエファーを酸化し、（ｃ）エッチングし酸化して得られたウエファーを一平面内において位置合わせを行い、このような機素の複数から成る統合された構造物を作ることを特徴とする熱伝導率が低い材料の統合された板として複数の集積された再生排気子を製造する方法。