(57)【要約】【課題】スターリング冷凍機を使用した冷凍装置において、温度制御から独立した振動制御を実現する。【解決手段】第２スターリング冷凍機１０ｂの第２ピストンの往復移動範囲が、第１スターリング冷凍機１０ａの第１ピストンの往復移動範囲に沿った位置になるように、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂが配置される。制御部は、第１モータに供給する駆動電圧と、第２モータに供給する駆動電圧を制御する。制御部は、第１ピストンと第２ピストンを逆方向に往復移動させ、本冷凍装置の振動量を最小化する第１モードと、第１ピストンと第２ピストンを第１モードに対して所定の位相差を持たせて往復移動させ、本冷凍装置の振動量を、所定の振動量に制御する第２モードと、を選択可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１再生器を介して連結された第１圧縮空間と第１膨張空間内に充填されている作動流体を、第１モータの駆動力により往復運動する第１ピストンで圧縮または膨張することにより、前記第１膨張空間に近接した先端の第１冷却端を冷却する第１スターリング冷凍機と、
第２再生器を介して連結された第２圧縮空間と第２膨張空間内に充填されている作動流体を、第２モータの駆動力により往復運動する第２ピストンで圧縮または膨張することにより、前記第２膨張空間に近接した先端の第２冷却端を冷却する第２スターリング冷凍機と、
前記第１モータに供給する駆動電圧と、前記第２モータに供給する駆動電圧を制御する制御部と、を備え、
前記第２ピストンの往復移動範囲が、前記第１ピストンの往復移動範囲に沿った位置になるように、前記第１スターリング冷凍機と前記第２スターリング冷凍機が配置され、
前記第１冷却端と前記第２冷却端により同一の冷却対象が冷却され、
前記制御部は、
前記第１ピストンと前記第２ピストンを逆方向に往復移動させ、本冷凍装置の振動量を最小化する第１モードと、
前記第１ピストンと前記第２ピストンを前記第１モードに対して所定の位相差を持たせて往復移動させ、本冷凍装置の振動量を、所定の振動量に制御する第２モードと、
を選択可能なことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記冷却対象が前記第１冷却端と前記第２冷却端に挟まれるように、前記第１スターリング冷凍機と前記第２スターリング冷凍機が対向配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記冷凍装置は、
前記冷却対象の温度を検出して前記制御部に通知する温度センサをさらに備え、
前記制御部は、
前記冷却対象の冷却開始後、前記温度センサにより検出された温度が、前記冷却対象の凝固点より所定の温度高い温度に到達してから、所定の期間、前記冷凍装置を前記第２モードで制御する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記温度センサにより検出された温度が、前記冷却対象の凝固点より所定の温度高い温度に到達するまで、及び前記冷却対象の凍結完了を表す温度に到達した後の少なくとも一方の期間に、前記冷凍装置を前記第１モードで制御する、
ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記冷却対象は容器に収容された状態で、前記第１冷却端と前記第２冷却端により冷却されており、
前記容器内に設置され、前記冷却対象の温度を検出して前記制御部に通知する複数の温度センサをさらに備え、
前記制御部は、
前記複数の温度センサにより検出された複数の温度間の最大温度差が、設定値以下の場合は前記冷凍装置を前記第１モードで制御し、前記設定値より大きい場合は前記冷凍装置を前記第２モードで制御する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記複数の温度間の最大温度差が前記設定値より大きい場合であっても、前記複数の温度センサにより検出された複数の温度が、前記冷却対象の凝固点より所定の温度高い温度に到達するまでの期間である場合、及び前記冷却対象の凍結完了を示す温度以下である場合の少なくとも一方を満たす場合、前記冷凍装置を前記第１モードで制御する、
ことを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プログラムフリーザとして使用可能な冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、細胞治療の研究開発が盛んになってきている。細胞治療では、細胞の冷凍、保管が必要になる。細胞を冷凍する際、プログラムフリーザを使用して所定の降温速度で冷凍すると、冷凍細胞内の氷の結晶の大きさを小さく抑えることなどにより、細胞膜や細胞膜内の構成物の損傷を防ぎ、解凍後の生存率を向上させることができることが知られている。
【０００３】
プログラムフリーザには様々な方式のものがあるが、液体窒素を用いた方式が一般的である。しかしながら、液体窒素方式では、運用中は装置内に常に液体窒素が残留し、冷却対象物に接触する可能性がある。一般に液体窒素は細菌、ウイルス等の不存在が保証されておらず、またそれらは液体窒素温度でも死滅しない為、細胞等を取り出して再度培養する際等にそれらが増殖することによるコンタミネーションリスクがある。これに対して、コンタミネーションリスクが少ない、スターリング冷凍機等の機械式冷凍機を用いたプログラムフリーザへの注目が高まっている。従って、スターリング方式のプログラムフリーザは、上述した様にコンタミネーションリスクが低くＧＭＰ（Good Manufacturing Practice）対応が容易であるメリットもある。
【０００４】
液体窒素方式のプログラムフリーザは、冷却対象を液体から気化した窒素ガスや、液体窒素そのものにより雰囲気全体で冷却する方式である。これに対して、スターリング方式のプログラムフリーザは、スターリング冷凍機が設置された側の面（通常、下面）から、冷熱を冷却対象に伝達することにより冷却する方式である。したがって、スターリング方式のプログラムフリーザでは、冷却対象に温度ムラが発生しやすくなる。また、スターリング方式のプログラムフリーザでは、その原理上、装置内の作動流体を圧縮膨張する為のピストンの往復運動に伴う振動が発生する。
【０００５】
そこで、スターリング冷凍機の振動を利用して、冷却対象を収容している凍結バッグ内の保存液を振動撹拌して凍結バッグ内の温度ムラを低減することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２８３０４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
冷却対象を一定の降温カーブで冷却する際、凍結バッグ内の保存液の凝固点付近では凍結バッグ内の温度を均一化するため、振動等により撹拌しながら冷却することが好ましい。また、保存液の凍結完了後や、保存液の凝固点付近に到達するまでなどの通常の動作状態では撹拌する必要がないため、騒音や機械的損失等の原因になるスターリング冷凍機の振動をできるだけ抑えることが好ましい。
【０００８】
プログラムフリーザの冷却温度は、ピストンを駆動するモータに供給する電力により制御される。このモータに供給する電力とプログラムフリーザの振動は機械的に振動を吸収・抑制する装置が搭載されておらず、同一温度条件でモータの駆動周波数が一定の場合は正の相関関係があり、モータに供給する電力が大きくなるほど振動が大きくなる。上述したように、振動等により保存液を攪拌する必要がないときは、振動を小さくすることが好ましく、それを実現するには、温度制御の為の駆動電圧制御とは独立して、振動の大きさを制御できることが必要となる。
【０００９】
本願はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、スターリング冷凍機を使用した冷凍装置において、温度制御の為の駆動電圧制御から独立した振動制御を実現する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の冷凍装置は、第１再生器を介して連結された第１圧縮空間と第１膨張空間内に充填されている作動流体を、第１モータの駆動力により往復運動する第１ピストンで圧縮または膨張することにより、第１膨張空間に近接した先端の第１冷却端を冷却する第１スターリング冷凍機と、第２再生器を介して連結された第２圧縮空間と第２膨張空間内に充填されている作動流体を、第２モータの駆動力により往復運動する第２ピストンで圧縮または膨張することにより、第２膨張空間に近接した先端の第２冷却端を冷却する第２スターリング冷凍機と、第１モータに供給する駆動電圧と、第２モータに供給する駆動電圧を制御する制御部と、を備える。第２ピストンの往復移動範囲が、第１ピストンの往復移動範囲に沿った位置になるように、第１スターリング冷凍機と第２スターリング冷凍機が配置され、第１冷却端と第２冷却端により同一の冷却対象が冷却され、制御部は、第１ピストンと第２ピストンを逆方向に往復移動させ、本冷凍装置の振動量を最小化する第１モードと、第１ピストンと第２ピストンを第１モードに対して所定の位相差を持たせて往復移動させ、本冷凍装置の振動量を、所定の振動量に制御する第２モードと、を選択可能である。
【００１１】
以上説明した構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本願によれば、スターリング冷凍機を使用した冷凍装置において、温度制御から独立した振動制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態の構成例１に係る冷凍装置を模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態の構成例２に係る冷凍装置を模式的に示す断面図である。
【図３】スターリング冷凍機の内部構造の概略を示す断面図である。
【図４】図１に示した構成例１に係る冷凍装置における、第１スターリング冷凍機と第２スターリング冷凍機のピストンの駆動位相と、冷凍装置の振動との関係を概念的に示す図である。
【図５】図２に示した構成例２に係る冷凍装置における、第１スターリング冷凍機と第２スターリング冷凍機のピストンの駆動位相と、冷凍装置の振動との関係を概念的に示す図である。
【図６】実施の形態に係る冷凍装置の制御例１を実現するための回路構成例を示す図である。
【図７】図７（ａ）−（ｄ）は、インバータ回路に入力されるＰＷＭ信号の一例を説明するための図である。
【図８】実施の形態に係る冷凍装置の制御例１における温度制御の具体的動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】凍結バッグの検出温度と、目標温度と、駆動コイルに供給される駆動電力の推移例を示す図である。
【図１０】実施の形態に係る冷凍装置の制御例１における振動制御の具体的動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】実施の形態に係る冷凍装置の制御例２を実現するための回路構成例を示す図である。
【図１２】実施の形態に係る冷凍装置の制御例３を実現するための回路構成例を示す図である。
【図１３】実施の形態に係る冷凍装置の制御例４を実現するための回路構成例を示す図である。
【図１４】実施の形態に係る冷凍装置の制御例４における振動制御の具体的動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１５】
（構成例１）
図１は、実施の形態の構成例１に係る冷凍装置１を模式的に示す断面図である。構成例１に係る冷凍装置１は、第１スターリング冷凍機１０ａ、第２スターリング冷凍機１０ｂ、収容室４０、制御基板３０を備える。第１スターリング冷凍機１０ａ及び第２スターリング冷凍機１０ｂはボトル形状の筐体で構成され、先端に冷却端（コールドヘッド）が設けられる。構成例１では、第１スターリング冷凍機１０ａ及び第２スターリング冷凍機１０ｂが、設置面を基準に左右方向に並べて配置される。
【００１６】
冷凍装置１内の収容室４０の底面に冷却板２０が設置される。冷却板２０の少なくとも一部は、第１スターリング冷凍機１０ａの第１冷却端と、第２スターリング冷凍機１０ｂの第２冷却端に接している。収容室４０の周囲は断熱材５０で覆われている。制御基板３０は、スターリング冷凍機１０に駆動電力を供給する基板であり、第１スターリング冷凍機１０ａ及び第２スターリング冷凍機１０ｂとそれぞれ配線で接続されている。なお、図１に示す制御基板３０の設置位置は一例であり、冷凍装置１の内部または外部の任意の位置に設置することができる。
【００１７】
構成例１に係る冷凍装置１では、収容室４０内の冷却板２０の上に、冷却対象を載せることにより、冷却対象を冷却・凍結する。本実施の形態において冷却対象のサンプルは、保存用の細胞を含む凍結保存液が入った凍結バッグ２である。凍結バッグ２は収容容器３に入れられて、冷却板２０の上に載せられる。ユーザは、冷凍装置１の上面に設けられた扉６０を開けて、凍結バッグ２が入った収容容器３を出し入れする。
【００１８】
本実施の形態では、樹脂フィルムで構成された凍結バッグ２を、金属ケースで構成された収容容器３に入れて冷却・凍結することを想定しているが、バッグの代わりに、アンプル、バイアル、ストロー等を使用してもよい。また、収容容器３の形状または材料も、任意に設計または選択することができる。
【００１９】
（構成例２）
図２は、実施の形態の構成例２に係る冷凍装置１を模式的に示す断面図である。構成例２に係る冷凍装置１も、第１スターリング冷凍機１０ａ、第２スターリング冷凍機１０ｂ、収容室４０、制御基板３０を備える。構成例２では、第１スターリング冷凍機１０ａ及び第２スターリング冷凍機１０ｂが、設置面を基準に上下方向に対向して配置される。
【００２０】
冷凍装置１内の収容室４０の底面に第１冷却板２０ａが設置され、天面に第２冷却板２０ｂが設置される。第１冷却板２０ａの少なくとも一部は、第１スターリング冷凍機１０ａの第１冷却端に接しており、第２冷却板２０ｂの少なくとも一部は、第２スターリング冷凍機１０ｂの第２冷却端に接している。収容室４０の周囲は断熱材５０ａ、５０ｂで覆われている。制御基板３０は、第１スターリング冷凍機１０ａ及び第２スターリング冷凍機１０ｂとそれぞれ配線で接続されている。なお、図２に示す制御基板３０の設置位置は一例であり、冷凍装置１の内部または外部の任意の位置に設置することができる。
【００２１】
構成例２に係る冷凍装置１では、収容室４０内の第１冷却板２０ａと第２冷却板２０ｂの間に、冷却対象を挟み込むことにより、冷却対象を冷却・凍結する。ユーザは、冷凍装置１の側面に設置される扉（不図示）を開けて、凍結バッグ２が入った収容容器３を出し入れする。
【００２２】
図３は、スターリング冷凍機１０の内部構造の概略を示す断面図である。図１、２に示す各スターリング冷凍機１０は、フリーピストン型のスターリング冷凍機である。ボトル形状のハウジング１１内に円筒形のシリンダ１２が設けられ、シリンダ１２内に円柱形のフリーピストン１３と円柱形のドライブピストン１４が、圧縮空間１５ａを挟んで同軸上に配置されている。フリーピストン１３の先端側に膨張空間１５ｂが形成されている。圧縮空間１５ａと膨張空間１５ｂは流路で連結されている。当該流路には再生器１６が配置されており、ヘリウム等の作動流体が充填されている。再生器１６は、作動流体の熱を蓄積するとともに、蓄積した熱を作動流体に放出する。
【００２３】
ボトル形状のハウジング１１内において、ハウジング１１の底面と平行に、下から順に、フリーピストン１３を支持する第１板バネ１７と、ドライブピストン１４を支持する第２板バネ１８が設置されている。フリーピストン１３は、ドライブピストン１４の中心孔を貫通する第１ロッド１３ａを介して第１板バネ１７と一体化されている。ドライブピストン１４は、第２ロッド１４ａを介して第２板バネ１８と一体化されている。第２ロッド１４ａは中心に貫通孔が空いており、第１ロッド１３ａが貫通している。
【００２４】
ハウジング１１内においてドライブピストン１４と第２板バネ１８との間に、ドライブピストン１４をシリンダ１２の軸方向に往復運動させるためのリニアモータＭ１が設置されている。リニアモータＭ１は、直線上に往復運動するモータであり、永久磁石及び駆動コイルを含む。図３では簡略化して描いているが、永久磁石及び駆動コイルの一方がドライブピストン１４に連結している第２ロッド１４ａに固定されている。駆動コイルの巻線に、制御基板３０から供給される電流が流れることにより、駆動コイルが電磁石となり、電磁石となった駆動コイルと永久磁石との間の反発力または吸引力により、ドライブピストン１４を往復運動させる。
【００２５】
リニアモータＭ１によってドライブピストン１４が往復運動すると、ドライブピストン１４に対して所定の位相差でフリーピストン１３が往復運動する。これにより、圧縮空間１５ａと膨張空間１５ｂとの間を作動流体が移動し、逆スターリングサイクルが形成される。
【００２６】
まず、ドライブピストン１４がフリーピストン１３に接近する方向に移動することによって、作動流体が圧縮される。作動流体の圧縮により生じる熱は、圧縮空間１５ａの周囲に設けられる放熱フィン（不図示）等を介して外部に放熱される（圧縮行程）。次に、ドライブピストン１４とフリーピストン１３が、両者の間の容積を保ったまま先端方向へ移動する。作動流体は、高圧のまま再生器１６を通過して膨張空間１５ｂに移動する。再生器１６を通過する際、作動流体は冷却される（予冷工程）。次に、ドライブピストン１４がフリーピストン１３から離れる方向に移動することによって、圧縮された作動流体が膨張する。作動流体の膨張によって、膨張空間１５ｂの周囲の熱を奪う（膨張工程）。最後に、作動流体の膨張により、フリーピストン１３がドライブピストン１４とともに内部方向へ移動する。作動流体は、再生器１６を冷却しながら再生器１６を通過して圧縮空間１５ａに移動する（昇温工程）。以上の工程により１サイクルが終了する。
【００２７】
図３に示したスターリング冷凍機１０では、膨張空間１５ｂに近接した先端が冷却端となる。
【００２８】
図１、図２に示したように実施の形態に係る冷凍装置１は、第２スターリング冷凍機１０ｂのドライブピストン１４の往復移動範囲が、第１スターリング冷凍機１０ａのドライブピストン１４の往復移動範囲に沿った位置になるように、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂが配置される。図１に示した構成例１では、第１スターリング冷凍機１０ａのドライブピストン１４の往復移動範囲と、第２スターリング冷凍機１０ｂのドライブピストン１４の往復移動範囲が略平行になるように、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂが配置される。図２に示した構成例２では、第１スターリング冷凍機１０ａのドライブピストン１４の往復移動範囲と、第２スターリング冷凍機１０ｂのドライブピストン１４の往復移動範囲が同一軸上に設けられるように、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂが対向配置される。
【００２９】
図４は、図１に示した構成例１に係る冷凍装置１における、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンの駆動位相と、冷凍装置１の振動との関係を概念的に示す図である。構成例１では、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンの駆動位相が、１８０°ずれた逆位相で制御される場合、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂの振動が打ち消し合い、冷凍装置１の振動量が最小となる。第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンの駆動位相が、同位相で制御される場合、冷凍装置１の振動が最大となる。このように、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンの駆動位相差が１８０°に近づくほど振動が小さくなり、０°に近づくほど振動が大きくなる。
【００３０】
図５は、図２に示した構成例２に係る冷凍装置１における、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンの駆動位相と、冷凍装置１の振動との関係を概念的に示す図である。構成例２では、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂとの間で上下の向きが逆になる。したがって、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンの駆動位相を逆位相に制御する場合、第１スターリング冷凍機１０ａの第１リニアモータＭ１と第２スターリング冷凍機１０ｂの第２リニアモータＭ２に供給する駆動電力の位相を同位相に制御する必要がある。同様に、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンの駆動位相を同位相に制御する場合、第１スターリング冷凍機１０ａの第１リニアモータＭ１と第２スターリング冷凍機１０ｂの第２リニアモータＭ２に供給する駆動電力の位相を逆位相に制御する必要がある。
【００３１】
なお、当該制御は第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂが同じ構成である場合を前提としている。第１スターリング冷凍機１０ａの第１リニアモータＭ１の駆動コイルの巻線の向きと、第２スターリング冷凍機１０ｂの第２リニアモータＭ２の駆動コイルの巻線の向きを逆にすれば、構成例１と同様の制御となる。
【００３２】
位相差のある２つの同一振幅の合成振動は、下記（式１）のように定義される。
Ｖ（ｔ）＝Ａｓｉｎωｔ＋Ａｓｉｎ（ωｔ＋φ）＝Ａ√（２＋２ｃｏｓφ）ｃｏｓ（ωｔ−φ）  ・・・（式１）
Ａ：振幅、ωｔ：角度、φ：位相差
【００３３】
振動が同位相φ＝０°のとき、ｃｏｓφ＝１となり、最大振幅となり、Ｖ（ｔ）＝２ｃｏｓ（ωｔ−φ）となる。振動が逆位相φ＝１８０°のとき、ｃｏｓφ＝−１となり、振動が打ち消し合い、Ｖ（ｔ）＝０となる。
【００３４】
（制御例１）
図６は、実施の形態に係る冷凍装置１の制御例１を実現するための回路構成例を示す図である。制御例１では制御基板３０上に、基準電圧生成回路３１、降圧回路３２、制御部３３、第１駆動回路３５ａ及び第２駆動回路３５ｂが設けられる。
【００３５】
冷凍装置１の電源５として電池や、直流送電線から供給される直流電源が使用される場合、基準電圧生成回路３１はＤＣ／ＤＣコンバータで構成される。当該ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源から供給される直流電力を、所定の基準電圧を持つ直流電力に変換する。例えば、２４Ｖ、４８Ｖなどの基準電圧を持つ直流電力に変換する。
【００３６】
冷凍装置１の電源５に日本国内で一般的な商用交流電源が使用される場合、基準電圧生成回路３１はＡＣ／ＤＣコンバータで構成される。当該ＡＣ／ＤＣコンバータは、商用交流電源から供給される交流電力を、所定の電圧を持つ直流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータには一般に、システムで必要な出力電圧と電流容量を備えたスイッチング電源や直流安定化電源などが用いられる。例えば、２４Ｖ、４８Ｖなどの基準電圧を持つ直流電力に変換する。一般的なスイッチング電源や直流安定化電源は供給された交流電圧を平滑化して直流に変換する関係上、交流電力の実効値付近の電力やより高圧の電力を直接生成することは困難である。このような場合には、一旦交流から直接平滑により変換可能な直流電圧を生成した後、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータを用いてより高圧の直流電力を生成する。
【００３７】
昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータは例えば、昇圧チョッパや昇降圧チョッパで構成することができる。昇圧チョッパや昇降圧チョッパは、入力される基準電圧を昇圧または降圧するためのスイッチング素子を有する。当該スイッチング素子には例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を使用することができる。昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの制御部３３は、当該スイッチング素子の制御端子（ゲート端子）にＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号を供給することにより、入力される電圧を、目標とする直流電圧に変換する。基準電圧生成回路３１は生成した基準電圧を、降圧回路３２、第１駆動回路３５ａ及第２駆動回路３５ｂにそれぞれ供給する。
【００３８】
降圧回路３２は、基準電圧生成回路３１により生成された基準電圧を降圧する。例えば、一般的なマイクロコンピュータなどを含む制御部３３の動作電圧である１．５〜５Ｖに降圧する。降圧回路３２には例えば、ボルテージレギュレータや、降圧ＤＣ/ＤＣコンバータを使用することができる。また、電源５として直流電源が用いられ、なおかつ基準電圧生成回路３１の電圧よりも直流電源の電圧が低く、なおかつ制御部３３で必要とされる電圧よりも高い場合は、電源５の出力を直接、降圧回路３２に供給してもよい。より低い電圧を降圧回路３２に供給して、必要な降圧量を少なくすることで、降圧回路３２での電力損失を最小限度とすることができる。従って、電源５が直流電源で、制御部３３で必要とされる電圧に等しい電圧である場合は、電源５を直接、制御部３３に供給しても同様に実施可能である。降圧回路３２は降圧した直流電力を、制御部３３の電源として制御部３３に供給する。
【００３９】
制御部３３は、第１駆動回路３５ａと第２駆動回路３５ｂを制御することにより、第１スターリング冷凍機１０ａのドライブピストン１４と、第２スターリング冷凍機１０ｂのドライブピストン１４の動きを制御する。制御部３３は例えば、マイクロコンピュータ及び不揮発メモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ）により構成することができる。
【００４０】
第１駆動回路３５ａは、制御部３３から供給される制御信号に応じて、第１スターリング冷凍機１０ａの第１リニアモータＭ１の駆動コイルに駆動電力を供給する回路である。本実施の形態では第１リニアモータＭ１を等速に往復運動させるために、第１駆動回路３５ａは、正弦波状の駆動電力を駆動コイルに供給する。第１駆動回路３５ａは、制御部３３から供給される制御信号に応じて、正弦波状の駆動電力の振幅・周波数・位相を可変させることができる。
【００４１】
第１駆動回路３５ａは、インバータ回路３７ａ及び出力フィルタ３８ａを含む。インバータ回路３７ａは、基準電圧生成回路３１から供給される直流電力を、所望の周波数・実効値電圧を持つ交流電力に変換して、出力フィルタ３８ａに供給する。インバータ回路３７ａは例えば、４つのスイッチング素子を有するＨブリッジ回路で構成することができる。当該４つのスイッチング素子にも、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを使用することができる。制御部３３は、当該４つのスイッチング素子の制御端子（ゲート端子）にＰＷＭ信号を供給して変調することにより、インバータ回路３７ａから出力される矩形波状のＰＷＭ波により生成される交流電力の実効値電圧、周波数及び位相を制御することができる。
【００４２】
たとえば、モータＭ１及びＭ２に最大で実効値電圧２００ＶのＡＣ電力を駆動周波数６０Ｈｚ付近で動作させる必要がある場合には、基準電圧生成回路３１の出力電圧を３００Ｖ付近となる様に設計する。従って、一般的な商用電源よりＡＣ２００ＶやＡＣ１００Ｖを供給する場合には、その内部に昇圧チョッパ回路などを持つＤＣ／ＤＣコンバータが必要となる。インバータ回路３７ａのＰＷＭ搬送波の周波数は、必要とされる交流電力の駆動周波数よりも十分に大きい値にする必要がある。これは、ＰＷＭ搬送波およびその高調波が交流電力により駆動されるモータＭ１及びＭ２の動作に影響を及ぼさない様にする為である。たとえば、モータＭ１及びＭ２を６０Ｈｚ付近で駆動する場合は、ＰＷＭ搬送波の周波数を、それよりも十分に高い周波数である１００ｋＨzとする。
【００４３】
たとえば、基準電圧生成回路３１の出力電圧がＤＣ３００Ｖで、実効値電圧が２００ＶでＡＣ駆動する場合には、最大電圧は±２８２．８Ｖとなるので、基本波の波形は図７（ａ）の様になる。最大電圧のとき、ＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比は、９４．２％となる。従って、制御部３３は１００ｋＨｚのＰＷＭ波をＨブリッジ回路の＋側出力回路、−側出力回路を切り替えながら、ＤＵＴＹ比０から９４．２％まで６０Ｈｚ周期で正弦波状に変化させて駆動を行う。＋２８２．８Ｖ出力時のＰＷＭ波形は、図７（ｂ）の様に＋側出力のＤＵＴＹ比（Ｈの領域）が１００ｋＨｚ周期で９４．２％となり、−２８２．８Ｖ出力時のＰＷＭ波形は、図７（ｃ）の様に−側出力のＤＵＴＹ比（Ｈの領域）が１００ｋＨｚ周期で９４．２％となり、０Ｖ出力時のＰＷＭ波形は、図７（ｄ）の様に＋側、−側両方がＤＵＴＹ比０％となる。
【００４４】
同様に、実効値電圧５０ＶでＡＣ駆動する場合は、最大電圧は±７０．７Ｖとなるので同様にこのときのＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比は２３．５％となる。そこで、やはり同様に０％から２３．５％の範囲で±出力を切り替えながら正弦波状の出力を行う。このように、システムで温度制御に必要なＡＣ駆動電圧がインバータ回路３７ａにより生成される。
【００４５】
出力フィルタ３８ａは例えば、ＣＲフィルタで構成されるローパスフィルタで、インバータ回路３７ａから供給されるＰＷＭ変調波のグリッジノイズを除去する。たとえば、本実施例のＰＷＭ周波数１００ｋＨｚの場合には、カットオフ周波数を数百ｋＨｚとなる様に設計すれば不要なノイズを除去することが出来る。なお図示しないが、出力フィルタ３８ａの出力側には電圧センサ及び電流センサが設置されており、第１駆動回路３５ａの出力電圧及び出力電流の検出値が制御部３３に入力される。なお、出力フィルタ３８ａの入力側にも電圧センサ及び電流センサの少なくとも一方が設置されてもよい。この際、本実施例では出力はＰＷＭ変調波で直接モータＭ１に入力されるので実効値電圧値は、平均値整流実効値校正（電圧ＭＥＡＮ）方式で計測する必要がある。
【００４６】
第２駆動回路３５ｂは、制御部３３から供給される制御信号に応じて、第２スターリング冷凍機１０ｂの第２リニアモータＭ２の駆動コイルに駆動電力を供給する回路である。第２駆動回路３５ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６ｂ、インバータ回路３７ｂ及び出力フィルタ３８ｂを含み、制御部３３から供給される制御信号に応じて、駆動交流電力の実効値電圧・周波数・位相を可変させることができる。第２駆動回路３５ｂの詳細な構成は、第１駆動回路３５ａと同じであるため説明を省略する。
【００４７】
制御部３３は、凍結バッグ２の温度を参照して、第１駆動回路３５ａ及び第２駆動回路３５ｂを適応的に制御する。制御例１では、凍結バッグ２の表面に温度センサＴ１が設置され、温度センサＴ１の検出値が制御部３３に伝達される。温度センサＴ１には例えば、サーミスタ、熱電対、白金測温抵抗体などを使用することができる。
【００４８】
実施の形態に係る冷凍装置１は、凍結バッグ２の温度と、凍結バッグ２に加える振動を個別に制御することができる。後述するように制御部３３は、凍結バッグ２の温度を、第１リニアモータＭ１の駆動コイルに供給する実効値電圧と、第２リニアモータＭ２の駆動コイルに供給する実効値電圧を調整することにより制御する。制御部３３は、凍結バッグ２に加える振動を、第１リニアモータＭ１の駆動コイルに供給する実効値電圧の位相と、第２リニアモータＭ２の駆動コイルに供給する実効値電圧の位相との位相差を調整することにより制御する。
【００４９】
図８は、実施の形態に係る冷凍装置１の制御例１における温度制御の具体的動作を説明するためのフローチャートである。制御部３３は、冷却対象の凍結バッグ２に設置された温度センサＴ１から温度を取得する（Ｓ１１）。制御部３３は、取得した凍結バッグ２の検出温度と、所定の降温カーブと経過時間に基づく目標温度との偏差を算出する（Ｓ１２）。
【００５０】
所定の降温カーブは、冷却対象に応じて設定されており、制御部３３の不揮発メモリに予め登録されている。細胞を凍結する場合、一般的に、１分間に１℃のペースで温度を低下させていく降温カーブが使用される。降温速度が遅すぎても速すぎても冷凍細胞の解凍後の生存率は低下することが知られている。冷凍細胞の解凍後の生存率を上げるには、最適な降温速度で細胞を冷却し、冷凍細胞内の氷の結晶の大きさを小さく抑えることなどにより、細胞膜や細胞膜内の構成物の損傷を防ぐ必要がある。
【００５１】
制御部３３は、細胞が入った凍結バッグ２の検出温度と目標温度の偏差をもとに、第１リニアモータＭ１の駆動コイルに供給する実効値電圧と、第２リニアモータＭ２の駆動コイルに供給する実効値電圧を制御する（Ｓ１３）。制御部３３は、当該偏差が０になるようにフィードバック制御を行う。第１リニアモータＭ１と第２リニアモータＭ２の実効値電圧は基本的に同一値で制御を行う。
【００５２】
制御部３３は例えば、当該偏差をもとにＰＩＤ補償を行い、第１駆動回路３５ａのインバータ回路３７ａのスイッチング素子に供給するＰＷＭ信号と、第２駆動回路３５ｂのインバータ回路３７ｂのスイッチング素子に供給するＰＷＭ信号のデューティ比を周期的に変化させて駆動電圧が６０Ｈｚの交流波で所望の実効値電圧値になる様、制御する。この制御では、凍結バッグ２の検出温度が目標温度より低い場合、実効値電圧値が小さくなる様、ＰＷＭ信号の最大デューティ比を下げる処理となり、凍結バッグ２の検出温度が目標温度より高い場合、実効値電圧値が大きくなる様、ＰＷＭ信号の最大デューティ比を上げる処理となる。
【００５３】
同一の温度状態では、第１リニアモータＭ１の駆動コイルに供給する実効値電圧が大きくなると、第１リニアモータＭ１の往復範囲が拡大し、圧縮空間１５ａを圧縮する力が大きくなり、第１スターリング冷凍機１０ａの冷却能力が向上する。反対に、第１リニアモータＭ１の駆動コイルに供給する実効値電圧が小さくなると、逆の作用により、第１スターリング冷凍機１０ａの冷却能力が低下する。以上の説明は、第２スターリング冷凍機１０ｂにも同様にあてはまる。
【００５４】
凍結バッグ２の検出温度が最終的な目標温度に到達すると（Ｓ１４のＹ）、必要に応じてＳ１５にて凍結バッグ２の冷却・凍結処理が終了した旨表示を行い、その目標温度を維持する様、動作を変更する。最終的な目標温度は、凍結バッグ２内の凍結保存液の凍結完了を表す潜熱の発生温度よりもはるかに低く、凍結対象の種類や想定される保存期間に応じた適切な温度が選択される。その後、凍結バッグ２が装置から取り出されるまでステップＳ１１−ステップＳ１５の処理が繰り返し実行される。凍結バッグ２が装置から取り出されたことを検出すると（Ｓ１６のＹ）温度制御を終了し、制御部３３は第１駆動回路３５ａ、第２駆動回路３５ｂの動作を終了する。
【００５５】
図９は、凍結バッグ２の検出温度と、目標温度と、駆動コイルに供給される駆動電力の推移例を示す図である。駆動電力の値は、交流波の実効値電圧と電流と力率の積で計算される。駆動コイルに供給される駆動電力は基本的に、凍結バッグ２の温度が低下するにしたがい上昇する。これは、先に説明したとおり、温度低下によりカルノー効率が低下する為である。同一温度条件下では、駆動電力と交流波の実効値電圧には正の相関関係があるが、条件が変化するとモータ側のインピーダンス及び力率が変化するため、実際の駆動電力値は実効値電圧の変化に従って容易に意図する値に変化させることが出来ない場合もある。凍結バッグ２の温度が低下する途中で一時的に温度が上昇している箇所は、潜熱の影響によるものである。凍結バッグ２内の凍結保存液が液体から固体に相転移する際、熱を放出させる。この放出される熱により凍結バッグ２の温度が一時的に上昇する。潜熱が発生すると、冷却対象の検出温度と目標温度との偏差が大きくなるため、駆動コイルに供給される駆動電力が一時的に大きく上昇するので、制御用に供給される交流波の実効値電圧も一般的に大きくなる。
【００５６】
図１０は、実施の形態に係る冷凍装置１の制御例１における振動制御の具体的動作を説明するためのフローチャートである。制御部３３は、冷却対象の凍結バッグ２に設置された温度センサＴ１から温度を取得する（Ｓ２０）。尚、振動制御から独立して、図８にて説明したとおり、凍結バッグ２から取得した温度Ｔ１と降温カーブの目標温度値との偏差を元に、第１リニアモータＭ１と第２リニアモータＭ２の駆動コイルに供給される電力の実効値電圧は制御される。
【００５７】
取得した凍結バッグ２の検出温度と、凍結保存液の凝固点の温度より所定の温度高い温度である第１設定温度、凍結保存液の凍結完了を表す潜熱の発生温度より所定の温度低い第２設定温度とを比較する（Ｓ２１）。第１設定温度を、凍結保存液の凝固点温度からどの程度高い温度に設定するか、第２設定温度を、潜熱の発生温度よりどの程度低い温度に設定するかは、設計者の知見、実験結果、シミュレーション結果などに基づき決定される。また、第２設定温度は図８にて説明した最終的な目標温度よりも高い温度となる。
【００５８】
凍結バッグ２の検出温度が第１設定温度より高い場合、または第２設定温度よりも低い場合（Ｓ２１のＹ）は、凍結バッグ２を加震・攪拌する必要がない為、制御部３３は、第１駆動回路３５ａ及び第２駆動回路３５ｂを、第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・逆位相で互いの振動を打ち消し合い、振動が最小となる第１モードで動作させる。当然、現在のモードを確認し（Ｓ２２）第１モードにある場合（Ｓ２２のＹ）はそのまま動作を継続し、そうでない場合（Ｓ２２のＮ）は、第２モードから第１モードへの移行処理（Ｓ２３）を行う。
【００５９】
凍結バッグ２の検出温度が第１の設定温度よりも低く、第２設定温度より高い場合（Ｓ２１のＮ）は、凍結バッグ２を加震・攪拌する為に、２つのモータの位相関係をずらし、所望の振動を得る第２モードで動作させる。現在のモードを確認し（Ｓ２４）、既に第２モードである場合（Ｓ２４のＹ）はそのまま動作を継続し、そうでない場合（Ｓ２４のＮ）は第１モードから第２モードへの移行処理（Ｓ２５）を行う。
【００６０】
Ｓ２４の第１モードから第２モードへの移行処理は以下の様に行われる。制御部３３は、同一周波数逆位相で同期して動作している第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２の駆動周波数をそれぞれわずかにずらす。制御部３３は、第１インバータ回路３７ａを構成するスイッチング素子に供給するＰＷＭ信号のデューティ比を周期的に正弦波状に変更することで所望の駆動周波数を得ている。同様に制御部３３は、第２インバータ回路３７ｂを構成するスイッチング素子に供給するＰＷＭ信号のデューティ比を周期的に正弦波状に変更することで所望の駆動周波数を得ている。これらの正弦波周期を調整することにより、第１インバータ回路３７ａ、第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数を制御する。
【００６１】
駆動波形が不連続となる様に２つのモータの位相関係を大きく変更すると、一時的にリニアモータが停止したり、冷凍機内の２つのピストンの駆動位相関係が崩れて、動作不良を起こす可能性があるので、制御部３３は一定時間それぞれのモータの駆動周波数をわずかにずらすことで、２つのモータの位相関係を調整する。制御部３３は例えば、第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数を上昇させ、第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数を低下させる。通常時の第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数と第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数が６０Ｈｚの場合、制御部３３は例えば、第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数を６０．０１Ｈｚに上昇させ、第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数を５９．９９Ｈｚに低下させる。すると、１周期の１／６０秒毎に０．０２×３６０°で７．２°ずつ位相差が変化する。
【００６２】
第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数と第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数がずれた状態が継続すると、その時間に比例して第１スターリング冷凍機１０ａのドライブピストン１４と第２スターリング冷凍機１０ｂのドライブピストン１４の位相差に対応する第１リニアモータＭ１と第２リニアモータＭ２の位相差が拡大する。
【００６３】
第１リニアモータＭ１の駆動コイルに供給する駆動電圧波形と第２リニアモータＭ２の駆動コイルに供給する駆動電圧波形の位相差が、逆位相状態から設定位相差値に到達すると、制御部３３は、第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数と第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数を元の同じ周波数に戻す。上記の例では、制御部３３は、第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数と第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数を６０Ｈｚに戻すと、所望の振動量を得る第２モードへの移行処理が完了する。
【００６４】
たとえば、逆位相状態から６０Ｈｚで２５周期後の２５／６０秒後に駆動周波数を元に戻すと、７．２°×２５＝１８０°位相がずれることなる。従って、第１リニアモータＭ１と、第２リニアモータＭ２は同一位相で駆動されることになり、両者のモータの振動は同一方向に加震されるので最大の振動量を得ることが出来る。
【００６５】
第２モードから第１モードへの移行も同様に、制御部３３が、第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２の駆動周波数を所定時間それぞれわずかにずらすことで行われる。制御部３３は例えば、第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数を上昇させ、第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数を低下させる。通常時の第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数と第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数が６０Ｈｚの場合、制御部３３は例えば、第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数を６０．０１Ｈｚに上昇させ、第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数を５９．９９Ｈｚに低下させる。すると、１周期の１／６０秒毎に０．０２×３６０°で７．２°ずつ位相差が変化する。
【００６６】
第１リニアモータＭ１の駆動コイルに供給する駆動電圧波形と第２リニアモータＭ２の駆動コイルに供給する駆動電圧波形の位相差が、元の位相差に到達すると、制御部３３は、第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数と第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数を元の同じ周波数に戻す。これにより、第２モード（加震モード）から第１モード（振動最低モード）への移行処理が完了する。たとえば、元の逆位相状態から１８０°位相がずれた状態から、６０Ｈｚで２５周期後の２５／６０秒後に駆動周波数を元に戻すと、７．２°×２５＝１８０°位相がずれて、３６０°一周することになる。従って、第１リニアモータＭ１と、第２リニアモータＭ２は元の逆位相で駆動されることになり、両者のモータの振動は逆方向に打ち消しあい振動量が最小となる。
【００６７】
なお、駆動電圧波形の位相差を変更する際、同様に所定時間、第１インバータ回路３７ａのモータ駆動周波数を低下させ、第２インバータ回路３７ｂのモータ駆動周波数を上昇させてもよい。この場合は、元の逆位相状態から１８０°位相がずれた状態から、１８０°位相が戻って元の逆位相で駆動される状態になる。
【００６８】
また、第１インバータ回路３７ａ及び第２インバータ回路３７ｂの一方のモータ駆動周波数のみを制御して、駆動電力の位相差を変更してもよい。この場合、６０Ｈｚの１周期あたりの位相差の変化量は、同じだけモータ駆動周波数をずらすとすると１／２となるので、２倍の時間だけ位相差をずらした状態にしておくか、または一方のモータ駆動周波数をずらす量を２倍にして、同一時間の間だけ位相差をずらした状態にしておくことになる。
【００６９】
図１０に示す振動制御では、凍結バッグ２の検出温度が第１設定温度から第２設定温度にある期間に、第２モード（加震モード）で制御される。この期間は、凍結バッグ２内の凍結保存液が液体から固体に変わる期間であり、その期間の振動を大きくすることにより、凍結保存液を加震・攪拌し、均一に凍結させることができる。凍結保存液が完全に固体に変わった後は、撹拌する必要がないため第１モード（振動最低モード）で制御し、凍結バッグ２が取り出されるまでその状態を維持する。凍結バッグ２が装置から取り出された場合（Ｓ２６のＹ）は図８で説明したとおり装置自体の動作が終了するので、振動制御も終了することになる。
【００７０】
以上説明したように実施の形態に係る冷凍装置１の制御例１によれば、温度制御の為のモータ駆動電圧制御から独立して、駆動電力の位相差を変更可能とすることにより、冷却対象に任意のタイミングで所望の大きさの振動を加えることができる。なお、冷却対象の凝固点付近で刺激を与える方法として、保存液中にマイクロバブルを注入する方法や、振動付与装置にて外部から振動を加える方法も考えられる。しかしながら、マイクロバブル注入装置や振動付与装置が必要になり、冷凍装置１の大型化・コストアップの要因となる。これに対して実施の形態に係る冷凍装置１では、そのような装置が不要であり、冷凍装置１の大型化・コストアップを抑えることができる。
【００７１】
なお構成例１と構成例２を比較すると、構成例２には以下のメリットがある。冷却対象を上下から挟み込んで冷却するため、下面からのみ冷却する構成例１と比較して、冷却対象の温度ムラを低減することができる。第１スターリング冷凍機１０ａのピストンの往復移動範囲と、第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンの往復移動範囲が同一軸上にあるため、第１モード（最小振動モード）時の振動をより小さくすることができる。構成例１のように第１スターリング冷凍機１０ａのピストンと、第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンを並べて配置する場合、２つのピストン間で回転方向の力が働き、第１スターリング冷凍機１０ａの振動と第２スターリング冷凍機１０ｂの振動を相殺する力が弱まる場合がある。構成例２では、第１スターリング冷凍機１０ａのピストンと、第２スターリング冷凍機１０ｂのピストンが同一軸上にあるため、回転方向の力が発生しない。
【００７２】
なお図２に示した構成例２では、冷却対象を第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂで上下から挟み込む構成を示したが、第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂで左右から挟み込む構成でもよい。
【００７３】
（制御例２）
図１１は、実施の形態に係る冷凍装置１の制御例２を実現するための回路構成例を示す図である。制御例２では、凍結バッグ２の表面に温度センサＴ１に加えて振動センサＶ１が設置される。振動センサＶ１の検出値は制御部３３に伝達される。その他の構成は、図６に示した制御例１と同様であるため説明を省略する。また、制御例２における温度制御も、図８に示した制御例１と同様であるため説明を省略する。
【００７４】
実施の形態に係る冷凍装置１の制御例２における振動制御を説明する。以下、図１０に示した制御例１における振動制御との相違点を説明する。
【００７５】
ステップＳ２５の第１モードから第２モードへの移行処理は以下の様に行われる。制御部３３は、同一周波数逆位相で同期して動作している第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２の駆動周波数をそれぞれわずかにずらす点は制御例１と同一である。
【００７６】
振動センサＶ１から取得した検出振動量が、設定振動量まで上昇すると、制御部３３は、第１インバータ回路３７ａの駆動周波数と第２インバータ回路３７ｂの駆動周波数を元の同じ周波数に戻すことでその位相差状態を維持し、第１モードから第２モードへの移行処理を終了する。設定振動量は第２モードで動作時の冷凍装置１の想定振動で、冷却対象を加震・攪拌し、温度ムラを解消して均一に冷凍するのに十分な振動量である。設定振動量は、実験やシミュレーションをもとに導出された値に設定される。
【００７７】
Ｓ２３の第２モードから第１モードへの移行処理は制御例１と同一である。第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２の駆動周波数をそれぞれわずかにずらし、元の位相差状態に戻ったらずらした周波数を元に戻し、第２モードから第１モードへの移行処理を終了する。
【００７８】
以上説明したように実施の形態に係る冷凍装置１の制御例２によれば、制御例１と同様の効果を奏するとともに、実際に検出した振動をもとに第２モードの制御状態（位相差）を決定するため、第２モードにおいて冷却対象に、目標とする振動量をより正確に加えることができる。
【００７９】
（制御例３）
図１２は、実施の形態に係る冷凍装置１の制御例３を実現するための回路構成例を示す図である。制御例１では、第１駆動回路３５ａと第２駆動回路３５ｂが設けられたが、制御例３では第２駆動回路３５ｂが省略される。その代わりに制御例３では、位相反転スイッチ３９が設けられる。
【００８０】
位相反転スイッチ３９は、駆動回路３５ａのプラス側配線を第２リニアモータＭ２のプラス側配線に接続かつ駆動回路３５ａのマイナス側配線を第２リニアモータＭ２のマイナス側配線に接続する第１接続状態と、駆動回路３５ａのプラス側配線を第２リニアモータＭ２のマイナス側配線に接続かつ駆動回路３５ａのマイナス側配線を第２リニアモータＭ２のプラス側配線に接続する第２接続状態を、選択的に切り替え可能なＣ接点スイッチである。位相反転スイッチ３９は、第２リニアモータＭ２に流れる電流の向きを変えることにより、第１リニアモータＭ１と第２リニアモータＭ２の位相を同位相から逆位相、または逆位相から同位相に切り替えることができる。位相反転スイッチ３９には例えば、リレーや半導体スイッチを使用することができる。
【００８１】
実施の形態に係る冷凍装置１の制御例３における振動制御を説明する。以下、図１０に示した制御例１における振動制御との相違点について説明する。
【００８２】
ステップＳ２５の第１モードから第２モードへの移行処理は以下の様に行われる。制御部３３は、第１リニアモータＭ１の駆動コイルと第２リニアモータＭ２の駆動コイルに供給する駆動電圧を徐々に低下させ、第１リニアモータＭ１と第２リニアモータＭ２を一時停止させる。一時停止させず、モータ駆動状態で位相反転スイッチ３９を切り替えると、リニアモータの駆動コイルの物理特性上、駆動コイルに同じ電流が流れ続けようとし、突入電流による放電によりスイッチ回路にダメージを与えたり、位相を切り替えた第２リニアモータＭ２の動作が不安定になって一時的に異常な振動が発生する可能性がある。したがって、位相反転スイッチ３９の切り替え前に、駆動電力の振幅をほぼ０または極小にする必要がある。
【００８３】
そののち、制御部３３は、位相反転スイッチ３９を第２接続状態から第１接続状態に切り替える。その後、制御部３３は、第１リニアモータＭ１と第２リニアモータＭ２への電力供給を再開する。これにより、第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・逆位相で制御する第１モード（振動最低モード）から、第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・同一位相で制御する第２モード（加震モード）への移行処理が完了する。
【００８４】
ステップＳ２３の第２モードから第１モードへの移行処理は同様に以下の様に行われる。制御部３３は、第１リニアモータＭ１の駆動コイルと第２リニアモータＭ２の駆動コイルに供給する駆動電圧を徐々に低下させ、第１リニアモータＭ１と第２リニアモータＭ２を一時停止させる。制御部３３は、位相反転スイッチ３９を第１接続状態から第２接続状態に切り替える。その後、制御部３３は、第１リニアモータＭ１と第２リニアモータＭ２への電力供給を再開することで、第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・同位相で制御する第２モード（加震モード）から、第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・逆位相で制御する第１モード（振動最低モード）への移行処理が完了する。
【００８５】
制御例３における温度制御は、振動制御において、第１リニアモータＭ１と第２リニアモータＭ２への電力供給が停止している期間、凍結バッグ２の検出温度と目標温度の偏差に基づくフィードバック制御も一時停止する。
【００８６】
以上説明したように実施の形態に係る冷凍装置１の制御例３によれば、制御例１と同様の効果を奏するとともに、駆動周波数、振幅を制御する回路であるインバータ回路３７ａを１つにできるため、制御基板３０のコストを低減することができる。なお制御例３では、第１モードの位相差と第２モードの位相差は１８０°にのみ設定することができる。
【００８７】
（制御例４）
図１３は、実施の形態に係る冷凍装置１の制御例４を実現するための回路構成例を示す図である。制御例４では、凍結バッグ２の表面に複数の温度センサが設置される。凍結バッグ２の表面において、複数の温度センサは、できるだけお互いに離れた位置に設置されることが好ましい。図１３では、凍結バッグ２の上面に第１温度センサＴ１が設置され、凍結バッグ２の下面に第２温度センサＴ２が設置される。その他の構成は、図６に示した制御例１と同様であるため説明を省略する。また、制御例４における温度制御も、図８に示した制御例１と同様であるため説明を省略する。
【００８８】
図１４は、実施の形態に係る冷凍装置１の制御例４における振動制御の具体的動作を説明するためのフローチャートである。制御部３３は、冷却対象の凍結バッグ２に設置された第１温度センサＴ１と第２温度センサＴ２からそれぞれ温度を取得する（Ｓ３０）。制御部３３は、取得されたＴ１、Ｔ２の温度を第１設定温度、第２設定温度と比較する。第１設定温度、第２設定温度の設定方法は、制御例１、２、３と同様である。Ｔ１、Ｔ２の両方が、第１設定温度以上であるか、第２設定温度以下である場合（Ｓ３１のＹ）で、現在の動作モードが第１モードである場合（Ｓ３２のＹ）はそのまま、第１駆動回路３５ａ及び第２駆動回路３５ｂを制御して、第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・逆位相で制御する（第１モード（振動最低モード））。現在のモードが第２モードである場合（Ｓ３２のＮ）は、第１モードへの移行処理（Ｓ３３）を行う。取得されたＴ１、Ｔ２の温度のいずれかが、第１設定温度より大きく、第２設定温度より小さい場合（Ｓ３１のＮ）は、制御部３３は、Ｔ１とＴ２の温度差と、設定温度差を比較する（Ｓ３４）。設定温度差は、設計者の知見、実験結果、シミュレーション結果などに基づき決定される。
【００８９】
Ｔ１とＴ２の温度差が設定温度差より小さい場合（Ｓ３４のＮ）は、現在の動作モードが第１モードである場合（Ｓ３２のＹ）は、そのまま第１モードで動作する。第２モードである場合（Ｓ３２のＮ）は、第１モードへの移行処理（Ｓ３３）を行う。Ｔ１とＴ２の温度差が設定温度差以上の場合（Ｓ３４のＹ）で、現在のモードが第２モードの場合（Ｓ３５のＹ）はそのまま、現在のモードが第１モードの場合（Ｓ３５のＮ）は、制御部３３は、第２モードへの移行処理（Ｓ３６）を行う。第１モードから第２モード、及び第２モードから第１モードへの切り替え方法は、上記制御例１、２、３に示した方法を用いることができる。
【００９０】
Ｔ１、Ｔ２の両方の検出温度が第２設定温度以下（Ｓ３１のＹ）となり凍結保存液が完全に固体に変わった後は、攪拌する必要がない為、現在のモードを確認し（Ｓ３２）、第１モードになっていない場合（Ｓ３２のＮ）は、第１モードへの移行処理が行われ（Ｓ３３）、凍結バッグ２が装置から取り出されるまで（Ｓ３７のＮ）その状態を維持する。凍結バッグ２が装置から取り出された場合（Ｓ３７のＹ）は図８で説明したとおり装置自体の動作が終了するので、振動制御も終了することになる。
【００９１】
以上説明したように実施の形態に係る冷凍装置１の制御例４によれば、凍結バッグ２の温度が凝固点付近に到達し、複数の温度センサから取得される温度の温度差が大きく温度ムラが大きいときのみ、第２モード（加震モード）で動作することにより、不要な振動を発生させることなく、冷却対象の温度ムラを低減することができる。
【００９２】
図１３、図１４では温度センサが２つ設置される例を説明した。この点、温度センサが３つ以上設置される場合、図１４のステップＳ３１では、３つ以上の温度センサにより検出された複数の温度がすべて第１設定温度より大きいか、または第２設定温度より小さいかを判定する。また、Ｓ３４では、３つ以上の温度センサにより検出された複数の検出温度間の最大温度差を、設定温度差を比較する。
【００９３】
上記の制御例１−４の説明では、制御部３３は、第１モード（振動最低モード）のとき第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・逆位相で制御し、第２モード（加震モード）のとき第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・同一位相とするか、または第１モードの同一周波数・逆位相の状態から一定の位相差をずらした状態で制御した。この点、構成例２のように第１スターリング冷凍機１０ａと第２スターリング冷凍機１０ｂが対向配置され、両者の構成が同じ場合、制御部３３は、第１モード（振動最低モード）のとき第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・同一位相で制御し、第２モード（加震モード）のとき第１リニアモータＭ１及び第２リニアモータＭ２を同一周波数・逆位相とするか、または第１モードの同一周波数・逆位相の状態から一定の位相差をずらした状態で制御する。
【００９４】
上記の制御例１−４の温度制御の説明では、冷却対象の検出温度を制御対象とした。この点、第１スターリング冷凍機１０ａの冷却端と放熱端の温度差、及び第２スターリング冷凍機１０ｂの冷却端と放熱端の温度差も制御対象に加味してもよい。一般に、十分に温度が低下していない状態で、スターリング冷凍機に大きな駆動電圧を加えると、ピストンの振幅が可動範囲を超えてシリンダ端部に衝突し、ダメージを与える可能性があることが知られている。これは、スターリング冷凍機の冷却端と放熱端の温度差は、冷凍機の効率限界を示すカルノー効率比に直接影響する。カルノー効率比は、冷却端の絶対温度をＴｃ、放熱端の絶対温度をＴｈとすると、η＝（Ｔｈ−Ｔｃ）／Ｔｈで表わされ、その温度状態では動力から冷熱を取り出す際に投入したエネルギーに対して効率比ηを掛けた値が最大となることが知られており、（摩擦などの損失がない場合の最大効率。）この温度低下に伴う効率低下よる損失増に合わせて、スターリング冷凍機に加えることが可能な最大駆動電圧が決定される。
【００９５】
上記の制御例１−４の説明では、第１モードと第２モードを切り替える例を説明した。この点、上記の制御例１−２、４において、冷却対象に加える振動量がそれぞれ異なる３つ以上のモードを用意し、多段階に冷却対象に加える振動量を切り替えることも可能である。なお上記の制御例３では、多段階に振動量を切り替えることはできない。
【００９６】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、本発明を実施するにあたっての一具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。設計変更が加えられた新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形それぞれの効果をあわせもつ。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。以上の構成要素の任意の組み合わせも、本発明の態様として有効である。図面の断面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。
【符号の説明】
【００９７】
１  冷凍装置、  ２  凍結バッグ、  ３  収容容器、  ５  電源、  １０  スターリング冷凍機、  １０ａ  第１スターリング冷凍機、  １０ｂ  第２スターリング冷凍機、  １１  ハウジング、  １２  シリンダ、  １３  フリーピストン、  １３ａ  第１ロッド、  １４  ドライブピストン、  １４ａ  第２ロッド、  １５ａ  圧縮空間、  １５ｂ  膨張空間、  １６  再生器、  １７  第１板バネ、  １８  第２板バネ、  ２０  冷却板、  ２０ａ  第１冷却板、  ２０ｂ  第２冷却板、  ３０  制御基板、  ３１  基準電圧生成回路、  ３２  降圧回路、  ３３  制御部、  ３５  駆動回路、  ３７  インバータ回路、  ３８  出力フィルタ、  ３５ａ  第１駆動回路、  ３５ｂ  第２駆動回路、  ３９  位相反転スイッチ、  ４０  収容室、  ５０  断熱材、  ６０  扉、  Ｍ１  第１リニアモータ、  Ｍ２  第２リニアモータ、  Ｔ１  温度センサ、  Ｖ１  振動センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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