(57)【要約】【課題】高圧縮率及び低周波数を実現すると共に、エネルギー効率を向上させることができる冷凍機を提供する。【解決手段】本発明の冷凍機は、第一シリンダ１１と第一ピストン１２とにより形成される第一作動室１Ａと、第二シリンダ１３と第二ピストン１４とにより形成される第二作動室１Ｂと、第一ピストン１２と第二ピストン１４とを連動して駆動させる駆動部１５と、を有する圧力振動発生機１と、一端が第二熱交換器４に連通する第一パルス管５及び第二パルス管７と、イナータンスピストン６３及び絞り部６７を有する位相調整機６と、を備え、第二パルス管７の他端は第二作動室１Ｂと連通し、第二パルス管７を介して第二作動室１Ｂに流入する圧力振動の位相は、第一作動室１Ｂの圧力振動の位相と逆位相になっている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一シリンダと前記第一シリンダに往復動可能に挿設した第一ピストンとにより形成される第一作動室と、第二シリンダと前記第二シリンダに往復動可能に挿設した第二ピストンとにより形成される第二作動室と、前記第一ピストンと前記第二ピストンとを連動して駆動させる駆動部と、を有する圧力振動発生機と、
前記第一作動室に連通し、前記第一作動室から流出する作動ガスと第一熱交換対象体とを熱交換させる第一熱交換器と、
第一パルス管と、
第二パルス管と、
前記第一パルス管の一端及び前記第二パルス管の一端に対して流出入する作動ガスと第二熱交換対象体とを熱交換させる第二熱交換器と、
前記第一熱交換器と前記第二熱交換器の間を流動する作動ガスと熱交換する再生熱交換器と、
前記第一パルス管の他端に第一流路形成部材を介して接続されたシリンダと、前記シリンダに往復動可能に挿設したイナータンスピストンと、前記シリンダと前記イナータンスピストンの一端部とにより形成され前記第一流路形成部材を介して前記第一パルス管と連通する第三作動室と、前記シリンダと前記イナータンスピストンの他端部とにより形成される第四作動室と、前記第一流路形成部材と前記第四作動室とを連通させる第二流路形成部材と、前記第二流路形成部材に設置された絞り部と、を有する位相調整機と、
を備え、
前記第二パルス管の他端は、前記第二作動室と連通し、
前記第二パルス管を介して前記第二作動室に流入する圧力振動の位相は、前記第一作動室の圧力振動の位相と逆位相になっている冷凍機。
【請求項２】
請求項１において、
前記第二パルス管の一端は、第三流路形成部材を介して、前記第二熱交換器の前記再生熱交換器側端部から前記第一パルス管の他端までの間の所定箇所と連通している冷凍機。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記第二パルス管の他端は、第四流路形成部材を介して前記第二作動室と連通している冷凍機。
【請求項４】
請求項１又は２において、
前記第二パルス管の他端は、前記第二シリンダに直接的に接続されている冷凍機。
【請求項５】
第一シリンダと前記第一シリンダに往復動可能に挿設した第一ピストンとにより形成される第一作動室と、第二シリンダと前記第二シリンダに往復動可能に挿設した第二ピストンとにより形成される第二作動室と、前記第一ピストンと前記第二ピストンとを連動して駆動させる駆動部と、を有する圧力振動発生機と、
前記第一作動室に連通し、前記第一作動室から流出する作動ガスと第一熱交換対象体とを熱交換させる第一熱交換器と、
パルス管と、
前記パルス管の一端に対して流出入する作動ガスと第二熱交換対象体とを熱交換させる第二熱交換器と、
前記第一熱交換器と前記第二熱交換器の間を流動する作動ガスと熱交換する再生熱交換器と、
前記パルス管の他端に第一流路形成部材を介して接続されたシリンダと、前記シリンダに往復動可能に挿設したイナータンスピストンと、前記シリンダと前記イナータンスピストンの一端部とにより形成され前記第一流路形成部材を介して前記パルス管に連通する第三作動室と、前記シリンダと前記イナータンスピストンの他端部とにより形成される第四作動室と、前記第一流路形成部材と前記第四作動室とを連通させる第二流路形成部材と、前記第二流路形成部材に設置された絞り部と、を有する位相調整機と、
を備え、
前記パルス管の他端は、前記第二作動室と連通し、
前記パルス管を介して前記第二作動室に流入する圧力振動の位相は、前記第一作動室の圧力振動の位相と逆位相になっている冷凍機。
【請求項６】
第一シリンダと前記第一シリンダに往復動可能に挿設した第一ピストンとにより形成される第一作動室と、第二シリンダと前記第二シリンダに往復動可能に挿設した第二ピストンとにより形成される第二作動室と、前記第一ピストンと前記第二ピストンとを連動して駆動させる駆動部と、を有する圧力振動発生機と、
前記第一作動室に連通し、前記第一作動室から流出する作動ガスと第一熱交換対象体とを熱交換させる第一熱交換器と、
管状部材と、
前記管状部材の一端に対して流出入する作動ガスと第二熱交換対象体とを熱交換させる第二熱交換器と、
前記第一熱交換器と前記第二熱交換器の間を流動する作動ガスと熱交換する再生熱交換器と、
前記管状部材に往復動可能に挿設され、前記管状部材の一端部と膨張室を形成すると共に前記管状部材の他端部と後方室を形成するイナータンスピストンと、
前記第二熱交換器の前記再生熱交換器側端部から前記膨張室の前記イナータンスピストン側端部までの間の所定箇所と前記第二作動室とを連通させる流路形成部材と、
を備え、
前記流路形成部材を介して前記第二作動室に流入する圧力振動の位相は、前記第一作動室の圧力振動の位相と逆位相になっている冷凍機。
【請求項７】
請求項６において、
前記流路形成部材は、
パルス管と、
前記パルス管の一端と前記所定箇所とを連通させる第一チューブと、
前記パルス管の他端と前記第二作動室とを連通させる第二チューブと、
を有している冷凍機。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項において、
エンジン又はヒートポンプとして使用可能である冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から冷凍機として、スターリング冷凍機やパルス管冷凍機などが知られている。パルス管冷凍機は、スターリング冷凍機に対して、膨張部に部品としてのピストンを持たず、ガスピストンを発生させる構成となっている。これにより、パルス管冷凍機は、低振動化や長寿命化が可能となる。
【０００３】
パルス管冷凍機としては、例えば国際公開第２００４／０８８２１７号に記載されている。このパルス管冷凍機は、イナータンスピストンタイプであって、イナータンスチューブで位相を調整する単純なイナータンスチューブタイプと比較して、高い圧縮率と低い周波数とを実現することができる。高圧縮率及び低周波数の発生は、より低温の冷凍（高い冷凍性能）を得るために重要な要素となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００４／０８８２１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記イナータンスピストンタイプのパルス管冷凍機では、膨張仕事が熱になってしまい、発電機等で膨張仕事を吸収するスターリング冷凍機に比べてエネルギー効率の面で劣ってしまう。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されており、高圧縮率及び低周波数を実現すると共に、エネルギー効率を向上させることができる冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明に係る冷凍機は、第一シリンダと前記第一シリンダに往復動可能に挿設した第一ピストンとにより形成される第一作動室と、第二シリンダと前記第二シリンダに往復動可能に挿設した第二ピストンとにより形成される第二作動室と、前記第一ピストンと前記第二ピストンとを連動して駆動させる駆動部と、を有する圧力振動発生機と、前記第一作動室に連通し、前記第一作動室から流出する作動ガスと第一熱交換対象体とを熱交換させる第一熱交換器と、第一パルス管と、第二パルス管と、前記第一パルス管の一端及び前記第二パルス管の一端に対して流出入する作動ガスと第二熱交換対象体とを熱交換させる第二熱交換器と、前記第一熱交換器と前記第二熱交換器の間を流動する作動ガスと熱交換する再生熱交換器と、前記第一パルス管の他端に第一流路形成部材を介して接続されたシリンダと、前記シリンダに往復動可能に挿設したイナータンスピストンと、前記シリンダと前記イナータンスピストンの一端部とにより形成され前記第一流路形成部材を介して前記第一パルス管と連通する第三作動室と、前記シリンダと前記イナータンスピストンの他端部とにより形成される第四作動室と、前記第一流路形成部材と前記第四作動室とを連通させる第二流路形成部材と、前記第二流路形成部材に設置された絞り部と、を有する位相調整機と、を備え、前記第二パルス管の他端は、前記第二作動室と連通し、前記第二パルス管を介して前記第二作動室に流入する圧力振動の位相は、前記第一作動室の圧力振動の位相と逆位相になっている。
【０００８】
請求項２に記載の冷凍機は、請求項１において、前記第二パルス管の一端は、第三流路形成部材を介して、前記第二熱交換器の前記再生熱交換器側端部から前記第一パルス管の他端までの間の所定箇所と連通している。
【０００９】
請求項３に記載の冷凍機は、請求項１又は２において、前記第二パルス管の他端は、第四流路形成部材を介して前記第二作動室と連通している。
【００１０】
請求項４に記載の冷凍機は、請求項１又は２において、前記第二パルス管の他端は、前記第二シリンダに直接的に接続されている。
【００１１】
請求項５に記載の本発明に係る冷凍機は、第一シリンダと前記第一シリンダに往復動可能に挿設した第一ピストンとにより形成される第一作動室と、第二シリンダと前記第二シリンダに往復動可能に挿設した第二ピストンとにより形成される第二作動室と、前記第一ピストンと前記第二ピストンとを連動して駆動させる駆動部と、を有する圧力振動発生機と、前記第一作動室に連通し、前記第一作動室から流出する作動ガスと第一熱交換対象体とを熱交換させる第一熱交換器と、パルス管と、前記パルス管の一端に対して流出入する作動ガスと第二熱交換対象体とを熱交換させる第二熱交換器と、前記第一熱交換器と前記第二熱交換器の間を流動する作動ガスと熱交換する再生熱交換器と、前記パルス管の他端に第一流路形成部材を介して接続されたシリンダと、前記シリンダに往復動可能に挿設したイナータンスピストンと、前記シリンダと前記イナータンスピストンの一端部とにより形成され前記第一流路形成部材を介して前記パルス管に連通する第三作動室と、前記シリンダと前記イナータンスピストンの他端部とにより形成される第四作動室と、前記第一流路形成部材と前記第四作動室とを連通させる第二流路形成部材と、前記第二流路形成部材に設置された絞り部と、を有する位相調整機と、を備え、前記パルス管の他端は、前記第二作動室と連通し、前記パルス管を介して前記第二作動室に流入する圧力振動の位相は、前記第一作動室の圧力振動の位相と逆位相になっている。
【００１２】
請求項６に記載の本発明に係る冷凍機は、第一シリンダと前記第一シリンダに往復動可能に挿設した第一ピストンとにより形成される第一作動室と、第二シリンダと前記第二シリンダに往復動可能に挿設した第二ピストンとにより形成される第二作動室と、前記第一ピストンと前記第二ピストンとを連動して駆動させる駆動部と、を有する圧力振動発生機と、前記第一作動室に連通し、前記第一作動室から流出する作動ガスと第一熱交換対象体とを熱交換させる第一熱交換器と、管状部材と、前記管状部材の一端に対して流出入する作動ガスと第二熱交換対象体とを熱交換させる第二熱交換器と、前記第一熱交換器と前記第二熱交換器の間を流動する作動ガスと熱交換する再生熱交換器と、前記管状部材に往復動可能に挿設され、前記管状部材の一端部と膨張室を形成すると共に前記管状部材の他端部と後方室を形成するイナータンスピストンと、前記第二熱交換器の前記再生熱交換器側端部から前記膨張室の前記イナータンスピストン側端部までの間の所定箇所と前記第二作動室とを連通させる流路形成部材と、を備え、前記流路形成部材を介して前記第二作動室に流入する圧力振動の位相は、前記第一作動室の圧力振動の位相と逆位相になっている。
【００１３】
請求項７に記載の冷凍機は、請求項６において、前記流路形成部材は、パルス管と、前記パルス管の一端と前記所定箇所とを連通させる第一チューブと、前記パルス管の他端と前記第二作動室とを連通させる第二チューブと、を有している。
【００１４】
請求項８に記載の冷凍機は、請求項１〜７の何れか一項において、エンジン又はヒートポンプとして使用可能である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の冷凍機によれば、イナータンスピストン及び絞り部を備えることで高圧縮率及び低周波数を実現できると共に、第二パルス管により膨張仕事が回収されて第二ピストンを動かす動力源となるため、エネルギー効率を向上させることができる。第二作動室に流入した膨張仕事は、例えば、第二ピストンが第一ピストン側に移動する際に第二ピストンを第一ピストン側に押す力となり、第二ピストンが第一ピストンから遠ざかる側に移動する際、第二ピストンを当該遠ざかる側へ引っ張る力となる。なお、「逆位相になっている」とは、互いに１８０度異なることを目的として各部が設計されていることを意味し、位相が厳密に１８０度異なることを要せず、±５度程度の誤差を許容するものである。
【００１６】
請求項２に記載の冷凍機によれば、第一パルス管と第二パルス管が別体に形成され、両パルス管が第二熱交換器に対して第三流路形成部材を介して並列的に接続される。これにより、第一パルス管と第二パルス管に既存のパルス管部品を加工なく用いることができ、設計の容易性や製造コスト面で有利となる。また、第三流路形成部材を用いることで、第二パルス管の接続先（所定箇所）の選択自由度が高くなる。
【００１７】
請求項３に記載の冷凍機によれば、第四流路形成部材を用いることで、既存の部品で第二パルス管と第二作動室とが連通可能となり、容易かつ低コストに両者を連通させることができる。
【００１８】
請求項４に記載の冷凍機によれば、流路形成部材を用いず第二パルス管と第二作動室とを直接的に連通させることで、流路流通による膨張仕事のロスを抑制することができる。
【００１９】
請求項５に記載の冷凍機によれば、イナータンスピストン及び絞り部を備えることで高圧縮率及び低周波数を実現できると共に、パルス管の他端から膨張仕事が回収されて第二ピストンを動かす動力源となるため、エネルギー効率を向上させることができる。また、１つのパルス管による構成であるため、部品点数増加の抑制及び製造コスト増加の抑制が可能である。
【００２０】
請求項６に記載の冷凍機によれば、第二熱交換器に連通する管状部材にイナータンスピストンを挿設することで、スターリング冷凍機同様の優れた冷却性能を発揮できると共に、流路形成部材を介して膨張仕事が回収されて第二ピストンを動かす動力源となるため、エネルギー効率を向上させることができる。
【００２１】
請求項７に記載の冷凍機によれば、膨張仕事の回収経路にパルス管を配置することにより、膨張仕事を動力源に変換するための設計が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第一実施形態の冷凍機の構成を示す構成図である。
【図２】第二実施形態の冷凍機の構成を示す構成図である。
【図３】第三実施形態の冷凍機の構成を示す構成図である。
【図４】第四実施形態の冷凍機の構成を示す構成図である。
【図５】第五実施形態の冷凍機の構成を示す構成図である。
【図６】第六実施形態の冷凍機の構成を示す構成図である。
【図７】従来のスターリング冷凍機の構成を示す構成図である。
【図８】膨張室と圧縮室における圧力と容積と時間の関係を示すグラフである。
【図９】膨張室と圧縮室における容積と時間の関係を示すグラフである。
【図１０】膨張室におけるＰ−Ｖ線図を示すグラフである。
【図１１】第七実施形態の冷凍機の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図１〜図１１に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。また、説明に用いる各図は概念図であり、各部の形状は必ずしも厳密なものではない場合がある。
【００２４】
＜第一実施形態＞
第一実施形態の冷凍機は、図１に示すように、主に、圧力振動発生機１と、第一熱交換器２と、再生熱交換器３と、第二熱交換器４と、第一パルス管５と、位相調整機６と、第二パルス管７と、流路形成部材８１〜８３と、を備えている。
【００２５】
圧力振動発生機１は、圧力振動を発生させる装置であって、第一シリンダ１１と、第一ピストン１２と、第二シリンダ１３と、第二ピストン１４と、駆動部１５と、を備えている。
【００２６】
第一シリンダ１１は、シリンダ部材であって、圧力振動発生機１の一端部に配置されている。第一ピストン１２は、第一シリンダ１１に往復動可能に挿設されたピストンである。第一シリンダ１１と第一ピストン１２の一端部により第一作動室１Ａが形成されている。
【００２７】
第二シリンダ１３は、シリンダ部材であって、圧力振動発生機１の他端部に配置されている。第二ピストン１４は、第二シリンダ１３に往復動可能に挿設されたピストンである。第二シリンダ１１と第二ピストン１２の他端部により第二作動室１Ｂが形成されている。
【００２８】
第一シリンダ１１と第一ピストン１２、及び第二シリンダ１３と第二ピストン１４は、非接触であり、両者間には微小間隙が存在する。この微小間隙は、作動ガス（ここではヘリウム）の漏れをシールするクリアランスシールの機能を果たす。
【００２９】
駆動部１５は、リニア駆動装置であって、ケース１５１と、固定子１５２と、可動子１５３と、弾性支持部材１５４、１５５と、を備えている。ケース１５１は、内部に装置を収容可能な中空部材である。固定子１５２は、ケース１５１の内周面に固定されており、磁性材からなるヨーク１５１ａと、コイル１５２ｂと、を備えている。
【００３０】
可動子１５３は、固定子１５２に同軸的に対向配置されており、永久磁石１５３ａと、ロッド１５３ｂと、磁石支持部材１５３ｃと、を備えている。永久磁石１５３ａは、コイル１５２に対向配置されている。ロッド１５３ｂの一端は第一ピストン１２の他端に連結され、ロッド１５３ｂの他端は第二ピストン１４の一端に連結されている。つまり、第一ピストン１２と第二ピストン１４は、ロッド１５３ｂに連動して往復動する。磁石支持部材１５３ｂは、永久磁石１５３ａを支持してロッド１５３ｂに固定している。
【００３１】
弾性支持部材１５４は、ケース１５１の一端部の内周面に配置されたフレクシャベアリングであって、ロッド１５３ｂをケース１５１に対して往復動可能に支持している。同様に、弾性支持部材１５５は、ケース１５１の他端部の内周面に配置されたフレクシャベアリングであって、ロッド１５３ｂをケース１５１に対して往復動可能に支持している。なお、駆動部１５は、本実施形態が冷凍機として作動する場合はリニアモータとして機能し、本実施形態が原動機として作動する場合はリニア発電機として機能する。
【００３２】
第一熱交換器２は、第一作動室１Ａに流路形成部材であるコネクティングチューブ８１を介して連通し、流通するヘリウムと第一熱交換対象体Ｙとを熱交換させる熱交換器である。第一熱交換器２は、例えば２枚の板部材の間に複数本の細管を溶接したシェルアンドチューブ型熱交換器の形態をとり、細管内側のヘリウムと細管外側を流れる第一熱交換対象体Ｙ（例えば冷却水や空気）と熱交換させる。
【００３３】
再生熱交換器３は、一定の温度勾配をもつ等温空間を形成するものであり、管状容器３１に蓄冷材３２が複数枚積層されて構成されている。管状容器３１は、例えばステンレス管である。管状容器３１は、第一熱交換器２に連通している。ヘリウムは、第一熱交換器２と再生熱交換器３との間を流通できる。蓄冷材３２は、例えばステンレス金網である。なお、蓄冷材３２は、原動機においては蓄熱材となる。
【００３４】
第二熱交換器４は、流通するヘリウムと第二熱交換対象体（被冷却体）Ｚとを熱交換させる熱交換器である。第二熱交換器４は再生熱交換器３に連通し、ヘリウムは第二熱交換器４と再生熱交換器３との間を流通できる。第二熱交換器４は、例えば複数の孔を有する金属（例えば銅）のブロックで構成され、第二熱交換対象体Ｚがブロックの外周面に固定される。
【００３５】
第一パルス管５は、一端が第二熱交換器４に接続されたパルス管である。第一パルス管５と第二熱交換器４は連通しており、ヘリウムは第一パルス管５の一端と第二熱交換器４の間を流通できる。第一パルス管５は、肉厚の薄いステンレス管で形成されている。第一パルス管５内には、ヘリウムからなるガスピストン５１（図１の点線参照）が形成される。ガスピストン５１は、第一パルス管５内を往復動すると共に、質量が一定で作動ガス圧によって体積が変化する。
【００３６】
第一パルス管５の一端側には、第二熱交換器４と、第一パルス管５と、ガスピストン５１とによりガス作動室５Ａが形成される。また、第一パルス管５の他端部の内周面には、熱交換器５２が設置されている。熱交換器５２は、流通するヘリウムと熱交換対象体（例えば第一パルス管５外部の空気）とを熱交換させる。熱交換器５２及び第二熱交換器４は、ディストリビュータとしても機能する。なお、ディストリビュータは、往復流動するヘリウムの流路断面における流れを均一にするものである。また、再生熱交換器３、第二熱交換器４、及び第一パルス管５は、熱交換作動部として機能し、一体的に形成されている。
【００３７】
位相調整機６は、ヘリウムの圧力振動の位相を調整する装置であって、主に、シリンダ６１と、第一流路形成部材６２と、イナータンスピストン６３と、ピストンシャフト６４と、弾性支持部材６５と、第二流路形成部材６６と、絞り部６７と、を備えている。
【００３８】
シリンダ６１は、一端が第一パルス管５の他端に第一流路形成部材６２を介して接続されたシリンダ部材である。第一流路形成部材６２は、第一パルス管５の他端側とシリンダ６１の一端側（後述する第三作動室６Ａ）を連通させるコネクティングチューブである。イナータンスピストン６３は、シリンダ６１にクリアランスシール６Ｃを介して往復動可能に挿設されている。クリアランスシール６Ｃを構成する隙間間隔は、約１０〜１００μｍである。
【００３９】
ピストンシャフト６４は、イナータンスピストン６３より小径なロッドであって、イナータンスピストン６３の他端に連結されている。弾性支持部材６５は、シリンダ６１の内周面に設置されたフレキシブルベアリングであり、ピストンシャフト６４をシリンダ６１に対して往復動可能に支持している。
【００４０】
ここで、シリンダ６１の一端側とイナータンスピストン６３の一端部とにより第三作動室６Ａが形成され、シリンダ６１の他端側とイナータンスピストン６３の他端部とにより第四作動室６Ｂが形成される。つまり、位相調整機６は、第三作動室６Ａと第四作動室６Ｂとを有する。位相調整機６は、イナータンスピストン６３がシリンダ６１に対して往復動することにより、ヘリウムの圧力波の位相を遅らせる。
【００４１】
第二流路形成部材６６は、第一流路形成部材６２とシリンダ６１の他端側（第四作動室６Ｂ）とを連通させるコネクティングチューブである。絞り部６７は、第二流路形成部材６６の流路を絞る（圧力・流量を制御する）ものであり、第二流路形成部材６６に設置されたバルブである。絞り部６７は、オリフィスやリニア弁等であっても良い。
【００４２】
第二パルス管７は、肉厚の薄いステンレス管で構成されている。第二パルス管７の一端は、第三流路形成部材８２を介して第二熱交換器４に連通している。第三流路形成部材８２は、第二パルス管７の一端側と第二熱交換器４とを連通させるコネクティングチューブである。第二パルス管７の一端側内周面にはディストリビュータ７１が設置され、第二パルス管７の他端側内周面にはディストリビュータ７２が設置されている。ディストリビュータ７１は、熱交換器としても機能する。第二パルス管７内には、第一パルス管５同様、ガスピストン７３が形成される。そして、ガスピストン７３と第二パルス管７の一端側とによりガス作動室７Ａが形成される。
【００４３】
第二パルス管７の他端は、第四流路形成部材８３を介して、第二シリンダ１３の他端側（第二作動室１Ｂ）と連通している。第四流路形成部材８３は、第二パルス管７の他端側と第二作動室１Ｂとを連通させるコネクティングチューブである。
【００４４】
ここで、第一実施形態の冷凍機の作用効果について説明する。冷凍機において、第一熱交換器２は放熱器として作用し、第二熱交換器４は吸熱器として作用し、駆動部１５はリニアモータとして作用する。これにより、第一作動室１Ａは圧縮室として機能し、第二作動室１Ｂは膨張室として機能し、ガス作動室５Ａ、７Ａは膨張室として機能する。
【００４５】
第一熱交換器２は、第一作動室１Ａで圧縮されたヘリウムの圧縮熱を第一熱交換対象体Ｙに放熱する。再生熱交換器３は、第一熱交換器２から流入するヘリウムを蓄冷材３２で冷却し、低温端（再生熱交換器３の他端：図１における右端）からガス作動室５Ａ、７Ａに近い温度のヘリウムを流出する。
【００４６】
また、再生熱交換器３は、すでにガス作動室５Ａ、７Ａにおいて膨張し終え、再生熱交換器３の低温端から流入するヘリウムを、蓄冷材３２で加熱して高温端（再生熱交換器３の一端：図１における左端）から流出する。当該流出するヘリウムの温度は、第一作動室１Ａのヘリウムの温度に近似している。
【００４７】
第二熱交換器４は、ガス作動室５Ａ、７Ａで膨張し所定の低温になったヘリウムが第二熱交換器４を通過する際、固定された第二熱交換対象体（被冷却体）Ｚを冷却する。
【００４８】
位相調整機６は、第一流路形成部材６２を介して流入・流出するヘリウムにより、ガスイナータンスピストン６３がシリンダ６１に対して往復動し、ヘリウムの圧力波形の位相を遅らせる。つまり、イナータンスピストン６３は、位相シフト機能を有する。位相シフトは、第一パルス管５の低温端でのガス流量（流速）をできるだけ良好にするためのものである。
【００４９】
また、第二流路形成部材６６及び絞り部６７を介してヘリウムが流動することもあり、ヘリウムの圧力波形の位相及び圧力振幅が調整される。このように位相調整機６により、ガス作動室５Ａ、７Ａの圧力Ｐと容積Ｖの位相差（ＰＶ位相差）が、より低い冷凍を得るための適切な範囲（所定範囲：６０〜１６０度）となる。つまり、位相調整機６は、ＰＶ位相差が上記所定範囲となるように、弾性支持部材６５の弾性率（軸方向の剛性）、クリアランスシール６Ｃの隙間間隔、又は絞り部６７の絞り等が調整されている。最適なＰＶ位相差は、９０〜１２０度周辺である。
【００５０】
第二パルス管７は、第三流路形成部材８２を介して流入・流出するヘリウムに対して、第一パルス管５と同様の作用を発揮する。すなわちガス作動室７Ａにおいてヘリウムが膨張し、ヘリウムの温度が下がる。第二パルス管７は、第三流路形成部材８２を介して流入した膨張仕事を、第四流路形成部材８３を介して第二作動室１Ｂに送出する。つまり、第二パルス管７は、第二熱交換器４及び第一パルス管５における膨張仕事を回収し、第二作動室１Ｂに供給する。第三流路形成部材８２、第二パルス管７、及び第四流路形成部材８３は、第二作動室１Ｂに第一作動室１Ａと位相が１８０度異なる（逆位相となる）圧力振動を供給するように設計されている。
【００５１】
ここで、第三流路形成部材８２、第二パルス管７、及び第四流路形成部材８３がない場合の作用について説明する。これらの要素７、８２、８３がない場合、膨張仕事は、位相調整機６によってほとんどが熱に変換されてしまう。そして、当該熱は、熱交換器５２等で放熱される。つまり、膨張仕事が熱に変換され放熱されることでエネルギーロスが生じる。具体的には、クリアランスシール６Ｃを介して漏れたヘリウムが、第一パルス管５から受けた膨張仕事の一部を熱にする。また、受けた膨張仕事のうち残りの膨張仕事は、絞り部６７を介して熱になる。第四作動室６Ｂの圧力は１周期でそれほど変わらず、第三作動室６Ａの圧力は一般に振幅０．１〜１ＭＰａで振動する。このようにクリアランスシール６Ｃや絞り部６７を通過して圧力は低下し、膨張仕事は熱となって熱交換器５２やその他の部位から放熱される。
【００５２】
しかしながら、本実施形態によれば、膨張仕事が第二パルス管７を介して回収され、第二作動室１Ｂに供給される。膨張仕事は、回収経路を介して第二作動室１Ｂに第一作動室１Ａと逆位相（反対位相）の圧力振動を発生させ、第二ピストン１４が当該圧力振動により駆動部１５の駆動を助ける方向に動かされる。回収した膨張仕事は、第二ピストン１４に対し、駆動部１５が第二ピストン１４を右に動かすとき右に、左に動かすとき左に力を加える。つまり、膨張仕事が第二ピストン１４を駆動部１５の駆動方向に駆動させるため、駆動部１５の入力電力が減少し、エネルギー効率を向上させることができる。
【００５３】
このように、本実施形態によれば、第一パルス管５がイナータンスピストン６３及び絞り部６７に連通することで高圧縮率及び低周波数（すなわち低温冷凍）を実現できると共に、第二パルス管７により膨張仕事が回収されるためエネルギー効率を向上させることができる。また、第一実施形態によれば、第一パルス管５と第二パルス管７に既存のパルス管部品を加工なく用いることができ、設計の容易性や製造コスト面で有利となる。また、第三流路形成部材８２を用いることで、第二パルス管７の一端の接続先の選択自由度が高くなる。
【００５４】
＜第二実施形態＞
第二実施形態の冷凍機は、図２に示すように、第一実施形態と比較して主に第二パルス管７がなく、パルス管５（第一実施形態の第一パルス管５に相当する）の他端と第二作動室１Ｂとが第四流路形成部材８４により連通している構成となっている。
【００５５】
すなわち、第二実施形態の冷凍機は、主に、圧力振動発生機１と、第一熱交換器２と、再生熱交換器３と、第二熱交換器４と、パルス管５と、位相調整機６と、流路形成部材８１と、第四流路形成部材８４と、を備えている。
【００５６】
第四流路形成部材８４は、第一流路形成部材６２と第二作動室１Ｂとを連通させるコネクティングチューブである。パルス管５と位相調整機６の間で位相が調整されると共に、パルス管５から流出した膨張仕事は、第四流路形成部８４に分岐して第二作動室１Ｂに供給される。第二作動室１Ｂには、第一作動室１Ａと逆位相の圧力振動が供給される。これにより、第一実施形態とほぼ同様の効果が発揮される。
【００５７】
＜第三実施形態＞
第三実施形態の冷凍機は、図３に示すように、第一実施形態と比較して、第四流路形成部材８３がなく、第二パルス管７と第二シリンダ１３とが１つの管状部材９として一体となっている点で異なっている。つまり、第三実施形態の冷凍機は、第一実施形態の構成において、第二パルス管７と第二シリンダ１３が第四流路形成部材８３を介さず直接的に接続されている。
【００５８】
管状部材９は、第二シリンダ１３と第二パルス管７の機能を有し、一端側に第二ピストン１４が挿設され、他端側にディストリビュータ７１が配置されている。第二作動室１Ｂは、第二パルス管７内と共通して形成されているといえる。第三流路形成部材８３は、第二熱交換器４と管状部材９の他端とを連通している。この構成であっても、第一実施形態とほぼ同様の効果が発揮される。また、第三実施形態によれば、流路形成部材を用いず第二パルス管７と第二作動室１Ｂとが連通しているため、流路流通による膨張仕事のロスを抑制することができる。
【００５９】
＜第四実施形態＞
第四実施形態の冷凍機は、図４に示すように、第三実施形態と比較して第二ピストン１４の軸方向の長さが長くなっている点で異なっている。具体的に、第二ピストン１４の軸方向の長さは、管状部材９の軸方向の長さの半分以上（ここでは７割程度）に設計されており、スターリング冷凍機における膨張ピストンの機能を発揮するのに十分な長さになっている。これにより、第一実施形態とほぼ同様の効果が発揮されると共に、デッドスペースを小さくすることができる。
【００６０】
＜第五実施形態＞
第五実施形態の冷凍機は、図５に示すように、主に、圧力振動発生機１と、第一熱交換器２と、再生熱交換器３と、第二熱交換器４と、管状部材９０と、位相調整機６０と、第二パルス管７と、流路形成部材８１と、流路形成部材（「第一チューブ」に相当する）８２と、第四流路形成部材（「第二チューブ」に相当する）８３と、を備えている。流路形成部材８２は、第三流路形成部材８２と同様の構成である。
【００６１】
管状部材９０は、一端が第二熱交換器４の他端（再生熱交換器３側とは反対の端部：図５における右端）に接続され、他端が閉塞された有底管状部材である。位相調整機６０は、イナータンスピストン６０１と、ピストンシャフト６０２と、弾性支持部材６０３と、を有している。
【００６２】
イナータンスピストン６０１は、管状部材９０にクリアランスシールを介して管状部材９０に対して往復動可能に挿設されている。イナータンスピストン６０１は、スターリング冷凍機の膨張ピストンの機能を発揮するのに十分な軸方向の長さを有し、当該軸方向長さは、管状部材９０の軸方向長さの半分以上（ここでは５割程度）に設計されている。イナータンスピストン６０１は、十分に長いため、スターリング冷凍機の低温端に相当する位置にまで到達できる。
【００６３】
ピストンシャフト６０２は、イナータンスピストン６０１より小径なロッドであって、イナータンスピストン６０１の他端に連結されている。弾性支持部材６０３は、管状部材９０の内周面に設置されたフレキシブルベアリングであり、ピストンシャフト６０２を管状部材９０に対して往復動可能に支持している。
【００６４】
管状部材９０の一端側には、管状部材９０の一端部とイナータンスピストン６０１の一端部とにより膨張室９０Ａが形成されている。また、管状部材９０の他端側には、管状部材９０の他端部とイナータンスピストン６０１の他端部とにより後方室９０Ｂが形成されている。膨張室９０Ａは、スターリング冷凍機における膨張室と同様の機能を発揮する。管状部材９０は、イナータンスピストン６０１に対するシリンダの役割を果たす。第五実施形態によれば、第一実施形態とほぼ同様の効果が発揮されると共に、デッドスペースを小さくすることができる。
【００６５】
＜第六実施形態＞
第六実施形態の冷凍機は、図６に示すように、第五実施形態と比較して、第四流路形成部材８３がなく、第二パルス管７と第二シリンダ１３とが１つの管状部材９２として一体となっている点と、第二ピストン１４が長い点で異なっている。第六実施形態の冷凍機は、第五実施形態の構成において、第二パルス管７と第二シリンダ１３が第四流路形成部材８３を介さず直接的に接続されている。
【００６６】
管状部材９２は、第二シリンダ１３と第二パルス管７の機能を有し、一端側に第二ピストン１４が挿設され、他端側にディストリビュータ７１が配置されている。第二作動室１Ｂは、第二パルス管７内と共通して形成されているといえる。第三流路形成部材８３は、第二熱交換器４と管状部材９２の他端とを連通している。
【００６７】
また、第二ピストン１４の軸方向の長さは、管状部材９２の軸方向の長さの半分以上（ここでは７割程度）に設計されており、スターリング冷凍機における膨張ピストンの機能を発揮するのに十分な長さになっている。
【００６８】
第五及び第六実施形態のように、フレクシャベアリングを用いたシステムでは、作動ガスと固体の間に小さな摩擦が生じる。そして、イナータンスピストン６０１の変位は、圧力よりも１８０度近く遅い位相となる。イナータンスピストン６０１のストロークは、弾性支持部材６０３の弾性係数とイナータンスピストン６０１の質量で調整できる。
【００６９】
これにより、第一実施形態とほぼ同様の効果が発揮される。さらに、本実施形態では、スターリング冷凍機並みの冷凍性能を発揮できる上、図７に示すようにスターリング冷凍機で用いられるような、イナータンスピストンが膨張仕事を吸収するためのリニア発電機（ジェネレータ）Ｇを必要としない。これにより、膨張仕事を回収できる上、製造コスト低減が可能となる。なお、図７に示すスターリング冷凍機は、フレクシャスプリング支持タイプ（ｆｌｅｘｕｒｅ  ｓｐｒｉｎｇ  ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｔｙｐｅ）のものである。
【００７０】
ここで、圧力Ｐと容積Ｖの関係図について説明する。図８は、図７に示すスターリング冷凍機の膨張室９００Ａ及び圧縮室１０Ａの容積Ｖ９００Ａ、Ｖ１０Ａと圧力Ｐを示すグラフである。横軸が時間（位相角度）を示し、右の縦軸が圧力（Ｐａ）を示し、左の縦軸が容積（ｍ３）を示す。良好な冷凍性能を発揮できる冷凍機では、圧力Ｐと容積Ｖ９００Ａの間の位相が約６０〜１６０度であり、最適は１２０度周辺となる。第六実施形態では、膨張室９０Ａの容積Ｖ９０Ａと第二作動室１Ｂの容積Ｖ１Ｂの合計が、図７における容積Ｖ９００Ａに相当する。
【００７１】
図９は、第六実施形態の冷凍機の容積変化を示している。第六実施形態の冷凍機では、イナータンスピストン６０１の変位が圧力よりも約１８０度位相が遅い場合、Ｖ９０Ａ、Ｖ９００ＡＢ、Ｖ１Ｂの合計容積が、スターリング冷凍機の膨張室の容積Ｖ９００Ａに類似する。Ｖ９００ＡＢは、Ｖ９０ＡとＶ１Ｂの合計容積である。圧力とＶ９０Ａとの間の位相差は、約９０〜１５０度であって、約１２０度が好ましい。
【００７２】
図１０は、膨張室９０Ａと第二作動室１Ｂの圧力と容積の関係を示すＰ−Ｖ線図である。図１０に示すように、Ｖ１ＢがあることによりＶ９００ＡＢの軌跡が囲む領域の面積は大きくなり、エネルギー効率が大きくなることがわかる。図１０は、他の実施形態における第三作動室６Ａの容積と第二作動室１Ｂの容積との関係に類似し、他の実施形態においても所定の効果が発揮されることがわかる。
【００７３】
＜第七実施形態＞
第七実施形態の冷凍機は、図１１に示すように、第二実施形態に対して圧力振動発生機１０と位相調整機６００とを追加したものである。すなわち、第七実施形態の冷凍機は、主に、２つの圧力振動発生機１、１０と、第一熱交換器２と、再生熱交換器３と、第二熱交換器４と、パルス管５と、２つの位相調整機６、６００と、流路形成部材８１０、８４０と、を備えている。圧力振動発生装置１０は、圧力振動発生装置１と同構成である。位相調整機６００は、位相調整機６と同構成であり、両者に共通の絞り部６７が設けられている。
【００７４】
流路形成部材８１０は、両圧力振動発生装置１，１０の第一作動室１Ａと第一熱交換器２とを連通させるコネクティングチューブである。第一流路形成部材６２０は、パルス管５の他端（熱交換器５２側端部）と両位相調整機６、６００の第三作動室６Ａとを連通させるコネクティングチューブである。第二流路形成部材６６０は、第一流路形成部材６２０と両位相調整機６、６００の第四作動室６Ｂとを連通させるコネクティングチューブである。第二流路形成部材６６０の分岐前の部位には、両位相調整機６、６００に共通の絞り部６７が設置されている。第四流路形成部材８４０は、第一流路形成部材６２０と両圧力振動発生装置１，１０の第二作動室１Ｂとを連通させるコネクティングチューブである。
【００７５】
第七実施形態の冷凍機によれば、第一実施形態とほぼ同様の効果が発揮される。さらに第七実施形態によれば、２つの圧力振動発生装置１，１０を対称的に配置し、２つの位相調整機６、６００を対称的に配置することで、振動の発生が抑制され、低振動を実現することができる。
【００７６】
＜その他＞
本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、第一実施形態における２つのパルス管５、７は、１つのパルス管形成部材に対して内側を２つの空間に仕切ることで実現しても良い。例えば、パルス管５、７は、同軸的に配置された径の異なる２つの管状部材（パルス管）により形成して良く、１つのパルス管内に仕切板を配置して形成しても良い。また、パルス管５、７は、第三流路形成部材８２を用いず、２つのパルス管を並列的に配置したものでも良い。これによれば、第三流路形成部材８２を省略することができ、部品点数の面で有利となる。ただし、設計の容易性やコストの面では第一実施形態のほうが優れている。
【００７７】
また、第三流路形成部材８２の一端の接続先は、第二熱交換器４に限らず、第二熱交換器４の再生熱交換器３側の端部から第一パルス管５の他端までの間のいずれかであれば良い。これにより、実施形態同様の効果が発揮される。ただし、第三流路形成部材８２の一端の接続先は、第二熱交換器４であることが好ましく、これにより膨張仕事をより直接的に回収することができる。
【００７８】
また、第二熱交換器４や熱交換器５２を利用することで、ディストリビュータ７１を省略しても良い。また、第一ピストン１２と第二ピストン１４は、１つのピストンで一体的に形成されても良い。また、各流路形成部材の両端部には、適宜、圧力損失低減のための円錐継手を配置しても良い。また、各流路形成部材は、適宜チューブを用いても良い。また、本実施形態は、第二熱交換器４を加熱することで原動機（例えばエンジンやヒートポンプ）として機能する。
【符号の説明】
【００７９】
１、１０：圧力振動発生装置、  １１：第一シリンダ、  １２：第一ピストン、
１Ａ：第一作動室、  １３：第二シリンダ、  １４：第二ピストン、
１Ｂ：第二作動室、  １５：駆動部、
２：第二熱交換器、  ３：再生熱交換器、
４：第二熱交換器、  ５：第一パルス管、パルス管、
６、６０、６００：位相調整機、  ６１：シリンダ、  
６２：第一流路形成部材、  ６３、６０１：イナータンスピストン、
６４：ピストンシャフト、  ６５：弾性支持部材、  ６６：第二流路形成部材、
６７：絞り部、
７：第二パルス管、  ８２：第三流路形成部材、  ８３：第四流路形成部材、
９、９０、９２：管状部材、  ９０Ａ：膨張室、  ９０Ｂ：後方室、  
Ｙ：第一熱交換対象体、  Ｚ：第二熱交換対象体
【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】
2014066393.tif 000009
【図８】
2014066393.tif 000010
【図９】
2014066393.tif 000011
【図１０】
2014066393.tif 000012
【図１１】
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