(57)【要約】【課題】外部から作用する振動の影響を受けにくいフリーピストン型冷凍機を提供する。【解決手段】フリーピストン型冷凍機は、圧力容器１７と、圧力容器１７に収容された軸方向に往復動可能なフリーピストンと、軸方向と異なる方向を向く少なくとも１つの回転軸まわりに圧力容器１７を回転させることによってフリーピストンの姿勢を変える姿勢変更機構２０と、を備える。フリーピストン型冷凍機は、圧力容器１７に設けられた冷却ステージ１３ａと、被冷却物に冷却ステージ１３ａを接続する柔軟伝熱部と、をさらに備えてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力容器と、
前記圧力容器に収容された軸方向に往復動可能なフリーピストンと、
軸方向と異なる方向を向く少なくとも１つの回転軸まわりに前記圧力容器を回転させることによって前記フリーピストンの姿勢を変える姿勢変更機構と、を備えることを特徴とするフリーピストン型冷凍機。
【請求項２】
前記圧力容器に設けられた冷却ステージと、
被冷却物に前記冷却ステージを接続する柔軟伝熱部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のフリーピストン型冷凍機。
【請求項３】
前記圧力容器及び／または前記フリーピストンの振動を検出する振動センサと、
前記振動センサによって検出された振動に基づいて前記姿勢変更機構を制御する制御部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のフリーピストン型冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリーピストン型冷凍機、例えば、フリーピストン型のスターリング冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、スターリング冷凍機それ自身の運転によってスターリング冷凍機に生じる振動を抑制するために、弾性体、質量物および減衰体を備える振動抑制装置をスターリング冷凍機に設けることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４６４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷凍機は静粛な環境でのみ使用されるわけではなく、外部からの振動にさらされる場所に設置されることもありうる。例えば、超電導モータで駆動される電気自動車において超電導モータを冷却するために極低温冷凍機を利用することが近年試みられている。外部から作用する振動は、冷凍機に悪影響を与えうる。例えば、フリーピストン型の冷凍機については、外部からの振動の方向と大きさによっては振動がフリーピストンの挙動に影響し、その結果、冷凍性能が低下しうる。あるいは、外部からの振動がフリーピストンの振動を過剰に増幅することもありうる。
【０００５】
従来の振動抑制装置は典型的にばね質量系で構成されるから、設計された特定方向の特定周波数の振動を抑制することができるにすぎない。外部から冷凍機に作用する振動は、種々の方向、周波数、振幅を有しうる。そのうえ、振動の方向、周波数、振幅は常に一定ではなく、時間とともに変化しうる。よって、外部からの振動を従来の振動抑制装置で完全に抑制することは、現実には困難である。
【０００６】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、外部からの振動の影響を受けにくいフリーピストン型冷凍機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様によると、フリーピストン型冷凍機は、圧力容器と、前記圧力容器に収容された軸方向に往復動可能なフリーピストンと、軸方向と異なる方向を向く少なくとも１つの回転軸まわりに前記圧力容器を回転させることによって前記フリーピストンの姿勢を変える姿勢変更機構と、を備える。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、外部から作用する振動の影響を受けにくいフリーピストン型冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】冷凍機の冷凍能力と加振周波数の関係を例示するグラフである。
【図３】他の実施の形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。
【図４】実施の形態に係る膨張機の一例を概略的に示す図である。
【図５】他の実施の形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。
【００１２】
図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の全体構成を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、圧縮機１１、接続管１２、及び膨張機１３を備える。図示されるのはスプリット式のスターリング冷凍機であり、圧縮機１１は膨張機１３から離れて配置されている。接続管１２は、圧縮機１１の作動ガス室を膨張機１３の作動ガス室に接続する。接続管１２は、圧縮機１１と膨張機１３との間で作動ガスを流通させるガス流路を提供する。接続管１２は、フレキシブル管または剛性管である。作動ガスは例えばヘリウムガスである。
【００１３】
圧縮機１１は、圧縮機ユニットを収容する圧縮機ケース１４を備える。圧縮機ケース１４は、高圧の作動ガスを気密に保持するよう構成されている圧力容器である。圧縮機ユニットは圧縮機ピストン及び圧縮機シリンダを備えており、それらのうち一方は圧縮機ケース１４の中で軸方向Ｃに往復動するよう構成されている可動部材１５であり、他方は圧縮機ケース１４に固定されている静止部材である。
【００１４】
圧縮機１１は、可動部材１５の軸方向往復動を可能とするように可動部材１５を支持する可動部材支持部１６を備える。可動部材支持部１６は例えば板ばね等の弾性部材を備え、可動部材１５は可動部材支持部１６を介して圧縮機ケース１４に支持される。また圧縮機１１は、可動部材１５の軸方向往復動を駆動する往復駆動源、例えばリニアモータを備える。このように電磁気的作用によって可動部材１５が駆動される場合には、可動部材１５をフリーピストンとみなすことができる。可動部材１５は、ある振幅及び周波数で圧縮機ケース１４及び静止部材に対し軸方向Ｃに振動する。こうして圧縮機１１は作動ガスの圧力振動を生成することができる。
【００１５】
膨張機１３は、圧力容器１７、ディスプレーサ１８、及びディスプレーサ支持部１９を備える。圧力容器１７は、高圧の作動ガスを気密に保持するよう構成されている。ディスプレーサ１８は、軸方向Ｃに往復動可能なフリーピストンであり、圧力容器１７に収容されている。ディスプレーサ支持部１９は、ディスプレーサ１８の軸方向往復動を可能とするようにディスプレーサ１８を支持する。ディスプレーサ支持部１９は例えば板ばね等の弾性部材を備え、ディスプレーサ１８はディスプレーサ支持部１９を介して圧力容器１７に支持される。このようにして、ディスプレーサ１８とディスプレーサ支持部１９とからなる振動系が構成される。この振動系は、圧縮機１１の可動部材１５の振動と同一の周波数で当該振動と位相差を有してディスプレーサ１８が軸方向Ｃに振動するよう構成されている。
【００１６】
なお、極低温冷凍機１０は、圧縮機１１の可動部材１５と膨張機１３のディスプレーサ１８がともに軸方向Ｃに往復動するよう構成されているが、この限りでない。可動部材１５とディスプレーサ１８が同じ方向に動くことは必須ではない。圧縮機１１の中心軸が膨張機１３の中心軸と異なって方向付けられ、可動部材１５の運動方向とディスプレーサ１８の運動方向が異なっていてもよい。
【００１７】
膨張機１３は、圧力容器１７に設けられた冷却ステージ１３ａを備える。冷却ステージ１３ａは、膨張機１３内の作動ガス膨張空間に隣接する圧力容器１７の部分に固着されている。極低温冷凍機１０によって冷却されるべき物体は、冷却ステージ１３ａに直接取り付けられ、または伝熱部材を介して冷却ステージ１３ａと熱的に連結される。
【００１８】
圧縮機１１で生成された圧力振動が接続管１２を通じて膨張機１３に伝達される。伝達された作動ガス圧力の脈動によってディスプレーサ１８が駆動される。それにより、膨張機１３には圧縮機１１の圧力振動と同一の周波数で当該振動と位相差を有する圧力振動が駆動される。圧縮機１１と膨張機１３との間に逆スターリングサイクルが形成される。このようにして、膨張機１３は冷却ステージ１３ａに寒冷を発生させる。極低温冷凍機１０は、冷却ステージ１３ａを介して被冷却物を冷却することができる。
【００１９】
極低温冷凍機１０は、軸方向Ｃに垂直な回転軸Ｄまわりに圧力容器１７を回転させることによってディスプレーサ１８の姿勢を変える姿勢変更機構２０を備える。極低温冷凍機１０は、姿勢変更機構２０を介して取付面２２に設置される。取付面２２は、極低温冷凍機１０が設置されるべき機器であり、例えば電気自動車、人工衛星などの移動体に設けられている。
【００２０】
姿勢変更機構２０は、支持台２４及び回転部２６を備える。圧縮機１１と膨張機１３が支持台２４に装着され、支持台２４が回転部２６を介して取付面２２に設置されている。膨張機１３はその常温部（すなわち非冷却部）が支持台２４に装着される。回転部２６は、取付面２２に対し支持台２４を回転軸Ｄまわりに回転させるよう構成されている。回転を矢印Ｅで図１に示す。回転部２６は、初期姿勢から例えば±９０度の範囲で回転可能である。回転部２６は、手動により回転可能であってもよいし、モータなどの回転駆動源を備えてもよい。
【００２１】
姿勢変更機構２０は、軸方向Ｃと異なる方向を向く少なくとも１つの回転軸まわりに圧力容器１７を回転させることができればよく、よって回転軸Ｄは軸方向Ｃに非垂直であってもよい。
【００２２】
また、姿勢変更機構２０は、軸方向Ｃと異なる２つの回転軸それぞれのまわりに圧力容器１７を回転させるよう構成されていてもよい。２つの回転軸は、回転軸Ｄと、軸方向Ｃ及び回転軸Ｄに垂直なもう一つの回転軸であってもよい。こうして、姿勢変更機構２０は、ディスプレーサ１８の姿勢を三次元的に変えるよう構成されていてもよい。
【００２３】
必要に応じて、姿勢変更機構２０は、圧力容器１７の平行移動を可能とするよう構成されていてもよい。
【００２４】
圧縮機１１と膨張機１３がともに支持台２４上にあるから、姿勢変更機構２０は、圧力容器１７とともに圧縮機ケース１４を回転させ、ディスプレーサ１８とともに可動部材１５の姿勢を変えることができる。
【００２５】
あるいは、圧縮機１１と膨張機１３がそれぞれ個別の姿勢変更機構を備えてもよい。この場合、圧縮機１１の可動部材１５の姿勢と膨張機１３のディスプレーサ１８の姿勢を個別に調整することができる。圧縮機１１と膨張機１３の相対的な姿勢変化を許容するために、接続管１２は、フレキシブル管であってもよい。
【００２６】
図２は、冷凍機の冷凍能力と加振周波数の関係を例示するグラフである。横軸は約０．３Ｇでの加振周波数を示し、縦軸はその加振による冷凍機の冷凍能力の低下率を表す。図２からわかるように、冷凍機が軸方向に加振される場合には、無加振の場合に比べて冷凍能力が最大で約４％低下する。一方、冷凍機が径方向（すなわち軸方向に垂直な方向）に加振される場合には、顕著な冷凍能力の低下は見られない。軸方向加振が冷凍能力を低下させるのは、そもそも冷凍機のフリーピストンが選択的に軸方向に振動するよう構成され、他の方向には剛に支持されているからである。よって、軸方向の振動が外部から冷凍機に入力されるとフリーピストンは影響を受けやすい。
【００２７】
実施の形態に係る極低温冷凍機１０には、上述のように姿勢変更機構２０が設けられている。したがって、極低温冷凍機１０に外部から入力される振動の方向が既知である場合には、極低温冷凍機１０のフリーピストンの軸方向がその既知の振動方向に一致しないように、極低温冷凍機１０の姿勢を調整することができる。姿勢変更機構２０は、極低温冷凍機１０を回転させることによって、フリーピストンの軸方向が振動方向と好ましくは少なくとも４５度交差するように、より好ましくは直交するように、極低温冷凍機１０の姿勢を調整することができる。
【００２８】
このようにすれば、極低温冷凍機１０のフリーピストン、例えばディスプレーサ１８または可動部材１５が外部から軸方向に加振されるのを防ぐことができる。よって、外部の振動による冷凍能力の低下を抑制することができる。また、軸方向加振によるフリーピストンの振幅の過剰な増大も抑制され、衝突音などの異音発生や衝突によるピストンの破損の危険性を低減することができる。
【００２９】
図３は、他の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の全体構成を概略的に示す図である。図示されるように、極低温冷凍機１０は、一体型のフリーピストン型冷凍機例えばスターリング冷凍機であってもよい。この場合、膨張機と圧縮機が一体化されており、可動部材１５とディスプレーサ１８がともに同じ圧力容器１７に収容されている。すなわち圧力容器１７は２つのフリーピストンを有する。図１に示す実施の形態と同様に、姿勢変更機構２０は、軸方向Ｃと異なる方向を向く少なくとも１つの回転軸Ｄまわりに圧力容器１７を回転させることによってフリーピストンの姿勢を変えるよう構成されている。よって、図３に示す極低温冷凍機１０においても同様に、外部からの軸方向加振の悪影響を軽減または除去することができる。
【００３０】
図４は、実施の形態に係る膨張機１３の一例を概略的に示す図である。冷却ステージ１３ａに加えて、膨張機１３は、被冷却物３０に冷却ステージ１３ａを接続する柔軟伝熱部２８を備えてもよい。柔軟伝熱部２８は、可撓性の伝熱部材であってもよい。柔軟伝熱部２８は、それ自身が変形可能であることによって、被冷却物３０に対する冷却ステージ１３ａの位置変化を吸収することができる。よって、被冷却物３０が静止部に固定されていても、姿勢変更機構２０による膨張機１３の姿勢の調整が許容される。
【００３１】
被冷却物３０は、真空環境で使用される物体であってもよく、真空チャンバ３２内に収容されてもよい。膨張機１３は、冷却ステージ１３ａが真空チャンバ３２内に挿入された状態で膨張機１３を真空チャンバ３２に装着するためのフランジ３４を備えてもよい。フランジ３４は、ベローズ３６を介して真空チャンバ３２に取り付けられてもよい。
【００３２】
なお、図４に示される膨張機１３は、図１に示すスプリット型の極低温冷凍機１０の膨張機１３であってもよいし、図３に示す一体型の極低温冷凍機１０であってもよい。
【００３３】
図５は、他の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の全体構成を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、圧力容器１７及び／またはフリーピストンの振動を検出する第１振動センサ３８及び第２振動センサ４０を備える。第１振動センサ３８は、ディスプレーサ１８の軸方向振動を検出し、第２振動センサ４０は、ディスプレーサ１８の径方向振動を検出するよう配置されている。第１振動センサ３８及び第２振動センサ４０は例えば加速度センサである。第１振動センサ３８及び第２振動センサ４０は圧力容器１７の常温部で外表面に設置されている。第１振動センサ３８及び第２振動センサ４０は、圧力容器１７の中に配置されてもよい。
【００３４】
また極低温冷凍機１０は、第１振動センサ３８及び第２振動センサ４０によって検出された振動に基づいて姿勢変更機構２０を制御する制御部４２を備える。制御部４２は、第１振動センサ３８及び第２振動センサ４０それぞれの出力信号を受信するようそれらセンサに接続されている。
【００３５】
制御部４２は、第１振動センサ３８及び第２振動センサ４０の出力信号から振動レベルを算出する。制御部４２は、軸方向、径方向、及びこれら二方向の中間の複数方向について、振動レベルを算出することができる。制御部４２は、振動レベルが算出された複数の方向から、最小の振動レベルの方向を決定する。制御部４２は、振動レベルに代えて、振動の大きさを評価するための任意の指標を算出してもよい。このような最小の振動方向の推定は、任意の公知の方法により適宜行うことができる。
【００３６】
制御部４２は、そうして決定された最小振動方向にディスプレーサ１８の軸方向を一致させるように姿勢変更機構２０を制御する。姿勢変更機構２０は、圧力容器１７を回転させ、それにより、決定された方向へとディスプレーサ１８が向けられる。このようにすれば、極低温冷凍機１０への外部振動の影響が小さい方向へと極低温冷凍機１０の姿勢を自動的に調整することができる。
【００３７】
制御部４２は、第１振動センサ３８によって検知される振動が第２振動センサ４０によって検知される振動より大きいか否かを判定し、大きいと判定される場合に、姿勢変更機構２０による姿勢調整を実行してもよい。逆に、第１振動センサ３８によって検知される振動が第２振動センサ４０によって検知される振動より小さいと判定される場合には、制御部４２は、極低温冷凍機１０の姿勢を固定してもよい。このようにすれば、軸方向の振動が径方向の振動に比べて小さいときには極低温冷凍機１０の姿勢を維持することができ、軸方向の振動が径方向の振動に比べて大きいときに極低温冷凍機１０の姿勢を調整することができる。
【００３８】
極低温冷凍機１０は、少なくとも１つの振動センサ例えば軸方向の第１振動センサ３８のみを備えてもよい。制御部４２は、第１振動センサ３８によって検出された振動に基づいて姿勢変更機構２０を制御してもよい。制御部４２は、検出される軸方向振動がしきい値を超える場合に極低温冷凍機１０の姿勢を調整し、検出される軸方向振動がしきい値を超えない場合に極低温冷凍機１０の姿勢を維持する。制御部４２は、極低温冷凍機１０を回転させながら第１振動センサ３８により振動を監視し、検出される軸方向振動がしきい値を下回る方向を探索してもよい。
【００３９】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００４０】
実施の形態に係る極低温冷凍機１０は、スターリング冷凍機には限られず、その他のフリーピストン型冷凍機であってもよい。
【００４１】
実施の形態に係る極低温冷凍機１０は、車両や人工衛星など地球上または宇宙空間における移動体、クーラーボックスのような人手で持ち運び可能な機器、または、その他の任意の機器に設置されてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０  極低温冷凍機、  １３ａ  冷却ステージ、  １７  圧力容器、  １８  ディスプレーサ、  ２０  姿勢変更機構、  ２８  柔軟伝熱部、  ３０  被冷却物、  ３８  第１振動センサ、  ４０  第２振動センサ、  ４２  制御部。
【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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