(57)【要約】【課題】多くの冷凍機で用いられているピストンを駆動する圧力振動部では構造が複雑で、信頼性の確保も難しいく、圧電体を用いる場合は、単に弾性体の外郭に貼り付けるだけでは大きな圧力振幅を得ることは困難である。【解決手段】圧電体２０を圧力振動発生部６として圧力振動部１に内蔵するとともに、圧電体形状、圧電体前後の空間容積・圧力などを最適化することにより、簡単な構造で効率良く大きな圧力振幅が得られる。【選択図】  図１
2004340506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に充填された作動流体に周期的に圧縮膨張を起こさせる圧力振動部と、前記作動流体と熱を授受することにより作動流体に熱を搬送させる蓄冷器を有する冷凍機であって、前記圧力振動部における圧力振動発生部が圧電体であって、前記圧力振動部に前記圧力振動発生部が内蔵されたことを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
圧電体の形状がほぼ円板状であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
圧電体の共振周波数が、冷凍機に組み込まれ、作動流体が充填された状態で、商用電源周波数に近くなるように構成されたことを特徴とする請求項１，２に記載の冷凍機。
【請求項４】
圧力振動部が密閉された空間を圧電体の圧力振動発生部によって仕切った構造を有し、前記圧力振動発生部の両側に作動流体がほぼ同等の圧力に封入されたことを特徴とする請求項１〜３に記載の冷凍機。
【請求項５】
圧力振動発生部により仕切られた空間のうち、放熱器側空間よりも背面側空間の容積が大きいことを特徴とする請求項１〜４に記載の冷凍機。
【請求項６】
圧力振動発生部が複数でかつ互いに対向した位置に配置されたことを特徴とする請求項１〜５に記載の冷凍機。
【請求項７】
圧力振動部と、放熱部と、蓄冷器と、コールドヘッドと、パルス管がこの順に結合され、その内部に作動流体が充填されて構成される冷凍機であって、前記圧力振動部の背面側空間が前記パルス管と連通管によって接続されたことを特徴とする請求項１〜３に記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリングサイクル冷凍機またはスターリング型パルス管冷凍機等の圧力振動部を有する冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超低温に冷却する冷凍機としては、スターリングサイクルやギフォード・マクマホンサイクル（以後ＧＭサイクルと呼ぶ）を用いた冷凍機や、ディスプレーサがないスターリング型またはＧＭ型のパルス管冷凍機などがある。
【０００３】
特にパルス管冷凍機は、冷却部に稼動部がないために、冷却対象がＳＱＵＩＤや高感度赤外線センサなどの振動を嫌うデバイスへの応用への優位性を有していること、寿命・信頼性の点で有利であることから注目されている。
【０００４】
パルス管冷凍機は圧力振動源と、放熱部と、蓄冷器と、コールドヘッドと、パルス管がこの順に結合されたものが基本構造で、その内部に通常はＨｅの作動流体が数１０ｋｇ／ｃｍ２〜数１０ｋｇ／ｃｍ２の圧力に充填されている。
【０００５】
冷凍能力を高めるため、圧力振動源だけで圧力振動位相と作動流体移動の位相を制御できるように、パルス管の後に細いパイプまたは途中にオリフィスを設けたパイプで、バッファタンクを接続するなど、その構成に改良が加えられたものもある。たとえば第３世代のパルス管冷凍機であるイナータンス型では放熱部からパルス管までの容積に対して、数倍の容積のタンクとパイプの径・長さで位相を制御している。
【０００６】
これらの冷凍機は、内部に封入した作動流体の圧縮・膨張に伴う顕熱変化を利用して熱を輸送するもので、作動流体の圧縮・膨張時の体積変化率が１サイクルあたりの熱輸送量に大きく影響する因子となっている。ＧＭ型冷凍機ではコンプレッサで高圧に圧縮した作動流体をバルブ開閉で吹き出すという方式であり、スターリング型では有効に大きな圧力振動を作り出す圧力振動部としてリニア圧縮機のようなピストン往復振動型のものが主に用いられている。
【０００７】
しかし、ピストン往復振動型の圧縮機ではピストンの動きの反作用によって、冷凍機自体が振動してしまう。そのため、さまざまな防振構造を組込んだり、ふたつの対向して配置した圧縮機を用いたりして振動の低減が図られている。
【０００８】
往復振動型圧縮機以外の圧力振動部としては、実用化にはいたっていないが小型のスターリング冷凍機で圧電体を用いるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
圧電体は板状にして、その両面に電圧を印加するだけで撓みが生じ、その撓みの向きは電圧の＋−の向きで変えることができるので、ブザーの音源としての振動子や超音波モータのような比較的大きなものから、ＳＡＷフィルターのような非常に小さなものまで、電圧印加による撓みや振動を利用するさまざまな用途に用いられており、形状も様々である。
【００１０】
圧電体はそれ自身を振動させることにより、摺動部なしに圧力振動を得ることができるので、高信頼性・長寿命が期待できる。またモータのように磁石を用いないため、ＳＱＵＩＤのような高感度磁気センサを冷却する際にも悪影響を及ぼす恐れがない。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−２５７９７３号公報（第２−３頁、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の往復振動型圧縮機は構造が複雑で、その振動低減対策によりさらに複雑な構造を要する。また摺動部があり、高性能化のためには作動流体への不純物混入を避けることが必要であるため、オイルの使用はできず、磨耗という大きな課題がある。
【００１３】
圧力振動部として圧電体を利用している構成では、作動流体のない面が大気に開放されており、その圧力差が抵抗となって大きな振幅はとれないため、作動流体の圧力振幅を大きくすることが困難であるという問題点を有していた。
【００１４】
本発明は上記従来の冷凍機の圧力振動部が有する問題点を解決するもので、信頼性が高く、簡単な構造の冷凍機を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の冷凍機は、内部に充填された作動流体に周期的に圧縮膨張を起こさせる圧力振動部と、作動流体と熱を授受することにより作動流体に熱を搬送させる蓄冷器を有する冷凍機であって、圧力振動部における圧力振動発生部が圧電体であって、圧力振動部に圧力振動発生部が内蔵される構成を有している。
【００１６】
この構成によって、大気圧などの外部要因で圧電体の振幅が影響を受けることなく、冷却能力が変化する恐れがなくなり、信頼性の高い冷凍機が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、内部に充填された作動流体に周期的に圧縮膨張を起こさせる圧力振動部と、作動流体と熱を授受することにより作動流体に熱を搬送させる蓄冷器を有する冷凍機であって、圧力振動部における圧力振動発生部が圧電体であって、圧力振動部に圧力振動発生部が内蔵されたものである。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の発明は、圧電体の形状がほぼ円板状である。
【００１９】
本発明の請求項３に記載の発明は、圧電体の共振周波数が、冷凍機に組み込まれ、作動流体が充填された状態で、商用電源周波数に近くなるように構成されたものである。
【００２０】
本発明の請求項４に記載の発明は、圧力振動部が密閉された空間を圧電体の圧力振動発生部によって仕切った構造を有し、圧力振動発生部の両側に作動流体がほぼ同等の圧力に封入されたものである。
【００２１】
本発明の請求項５に記載の発明は、圧力振動発生部により仕切られた空間のうち、放熱器側空間よりも背面側空間の容積が大きいものである。
【００２２】
本発明の請求項６に記載の発明は、圧力振動発生部が複数でかつ互いに対向した位置に配置されたものである。
【００２３】
本発明の請求項７に記載の発明は、圧力振動部と、放熱部と、蓄冷器と、コールドヘッドと、パルス管がこの順に結合され、その内部に作動流体が充填されて構成される冷凍機であって、圧力振動部の背面側空間がパルス管と連通管によって接続されたものである。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における冷凍機の圧力振動部を示す模式図であり、図中、１は圧力振動部、６は圧力振動発生部、１０は圧力振動部外郭、１１は背面側空間、１２は放熱器側空間、２０は圧電体、２１は電極である。圧力振動発生部６は圧電体２０の両側を電極２１ではさんだ形状になっている。圧力振動部１の内部である背面側空間１１と放熱器側空間１２に作動流体が充填されている。さらに、圧力振動部１に圧力振動発生部６である圧電体２０が内蔵されている。
【００２６】
圧電体２０は電極２１の電圧の＋−を切り替えることで撓みの向きが逆転するので交流電圧を印加することで、加圧・減圧を周期的に繰り返し、圧力振動を生じさせることができる。
【００２７】
圧電体２０の振幅は、圧電体２０の材質・厚さ・形状、印加する電圧、周波数、圧電体２０の両側からかかる圧力負荷などの影響を受ける。
【００２８】
ここで、特許文献１に示されたように、圧電体が外部空間から仕切られない構造は、大気圧など、外部要因で圧電体の振幅が影響を受け、冷却能力が変化する恐れがあるが、本実施の形態１に示すように圧電体２０全体が圧力振動部１に内蔵されていることにより、そのような影響を低減することができる。
【００２９】
冷凍機の性能には圧力変化率が重要であるので、圧電体２０の振幅を大きくすることが重要であり、しかも効率ができるだけ高いことが望まれる。そのためには圧電体２０の振動を理想的な共振状態に近づけることが重要である。
【００３０】
圧電体の形状は振動に対して以下のような影響がある。
【００３１】
図２は長方形の板状の圧電体１３を、周辺を固定しないフリーな状態で電圧を印加した時の撓みの様子を示したもので、長辺中央部と圧電体中心の距離をＡ、短辺中央部と圧電体中心の距離をＢ、圧電体角と圧電体中心の距離をＣと表している。
【００３２】
圧電体の材料そのものが均質であれば、電圧を印加した時の撓もうとする力はどの部分でも同じなので、縦横の長さが異なると長手方向には他方よりも大きく撓もうとする。したがって図２のように、撓み量は角の部分がもっとも大きく次に短辺中央部、長辺中央部となる。
【００３３】
周辺を固定した場合、この撓み量の違いの分だけ不均等に力がかかることになるので、効率よく大きな振幅を得ることができない。圧電体の形状をほぼ円板状にすることにより、周辺固定部の力のかかり方は均一に近い状態なり、効率よく大きな振幅を得ることができる。
【００３４】
なお、圧電体の周辺部全体がすべて曲線でなく一部直線であったり、角を有していても、同等の効果が得られる。
【００３５】
さらに、圧電体の圧力振動発生部の共振周波数が、冷凍機に組込まれて作動流体を封入した状態でほぼ商用電源周波数になるようにしておけば、周波数変調回路なしに効率よく大きな振幅を得ることができる。
【００３６】
また、圧電体の両側の空間に充填されている気体の圧力に差があると、常時その分だけ一方向に負荷がかかっており、両側に均等に振動しない。背面側空間１１にも冷凍機本体側とほぼ同等の圧力になるようガスを充填しておけば、両側からかかる負荷がバランスし、両側ほぼ均等に振幅が得ることができる。この時圧力振動発生部６が圧力振動部１の内部を完全に気密状態で仕切っている場合背面側のガスは必ずしも作動流体である必要はない。
【００３７】
また圧電体の両側の空間容積は振動に対して下記のような影響がある。
【００３８】
図３は、運転時の状態について示したもので、図３（ａ）は作動流体を加圧している状態であり、図３（ｂ）は作動流体を減圧している状態である。図３（ａ）と図３（ｂ）とも破線は停止時の圧力振動発生部の状態を示しており、Ｖａは加圧時の圧力振動発生部６による背面側空間１１の体積増加量であり、Ｖｂは減圧時の背面側空間１１の体積減少量である。
【００３９】
停止時の背面側空間１１の容積、圧力がＶｏ、Ｐｏとすると、図３（ａ）に示す加圧時に体積増加量Ｖａだけ背面側空間１１の体積が増加することにより、背面側の圧力はＰｏ・Ｖｏ／（Ｖｏ＋Ｖａ）になり、図３（ｂ）に示す減圧時には体積減少量Ｖｂだけ背面側空間１１の体積が減少することによる背面側空間１１の圧力がＰｏ・Ｖｏ／（Ｖｏ−Ｖｂ）に増加するが、放熱器側空間１２の圧力は蓄冷器やパルス管の容積もあるのでこれより小さな圧力変化しか生じない。したがって、加圧時、減圧時とも圧力振動発生部６の振幅を小さくする向きに負荷がかかることになる。
【００４０】
これを避けるためには、背面側空間１１の容積Ｖｏを放熱器側空間１２の容積より大きくすることにより、圧力振動発生部６が加圧側・減圧側どちらに振れる時もその圧力変化が小さくなり、冷凍機側の圧力とのバランスの崩れが小さくなるので、効率よく大きな振幅を得ることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態１では、圧電体２０に電極２１を取り付けたもの自体を圧力振動発生部６としているが、圧電体を別の板に取付けて、圧電体の撓みでその板を撓ませて振動を得る場合でも同様の効果が得られる。
【００４２】
以上のように本実施の形態１においては、ほぼ円板上の圧電体２０を用いた圧力振動発生部６を、圧力振動部１内部を仕切るような構造で内蔵し、圧力振動発生部６の両側の空間に充填された気体の圧力をほぼ同等にし、さらに背面側空間１１の容積を蓄冷器側空間１２の容積より大きくすることにより、効率よく大きな振幅を得ることができるものである。
【００４３】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における２個の圧電体を用いた圧力振動発生部を対向させた圧力振動部を示す模式図である。図中、１は圧力振動部、１０は圧力振動部外郭、１１は背面側空間、１２は放熱器側空間、２０は圧電体、２１は電極である。圧力振動部１の内部には圧力振動発生部６が２個あり、各々の圧力振動発生部６は圧電体２０の両側を電極２１で挟んだ形状になっている。圧力振動部１の内部である２箇所の背面側空間１１と、２個の圧力振動発生部６によって挟まれた放熱器側空間１２には作動流体が充填されている。
【００４４】
２個の圧力振動発生部６は放熱器側空間１２、背面側空間１１へ同時に撓むように、位相・周期を合わせて振動させれば、２個の圧力振動発生部６が逆向きの反作用を及ぼすため打ち消しあい、圧力振動部１の振動は抑えられる。
【００４５】
なお、本実施の形態２では２個の圧電体２０が対向した構成になっているが、圧力振幅を大きくとる場合や、冷凍機の能力を大きくする場合には、図４に示す構成に限らず、図５のように複数の対向した圧電体２０の組によって構成すれば、更なる振動低減の効果が得られる。
【００４６】
以上のように本実施の形態２においては、圧電体２０を用いた圧力振動発生部６を互いに対向して配置することにより、圧力振動部１の振動を低減することができるものである。
【００４７】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３におけるパルス管冷凍機の概略構成を示す模式図である。図中、１は圧力振動部、２は第１の放熱部、３は蓄冷器、４はコールドヘッド、５はパルス管、６は圧力振動発生部、７は第２の放熱部、８は連通管、１１は背面側空間、１２は放熱器側空間、２０は圧電体、２１は電極である。圧力振動発生部６は圧電体２０の両側を電極２１で挟んだ形状になっている。
【００４８】
この構成では、圧力振動発生部６の背面側空間１１がパルス管５と連通管８によって接続されており、圧力振動発生部６の背面側空間１１が、圧力振動と作動流体移動の位相制御におけるバッファタンクの役割を担っている。バッファタンクとして必要な容積は圧力振動発生部６の背面側空間１１としては十分の大きさがあるので、背面側空間１１をバッファタンクとして兼用することにより、冷凍機全体を小型化することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明の冷凍機における圧電体を用いた圧力振動発生部によれば、非常に簡単な構造で効率よく大きな圧力振幅が得られ、高性能の冷凍機を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍機の圧力振動部を示す模式図
【図２】本発明の実施の形態１における冷凍機に適用する圧電体の電圧印加時における撓み状態を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態１における冷凍機の圧力振動発生部の駆動状態を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態２における２個の圧電体を用いて圧力振動発生部を対向させた圧力振動部を示す模式図
【図５】本発明の実施の形態２における複数の圧電体を用いて圧力振動発生部を対向させた圧力振動部を示す模式図
【図６】本発明の実施の形態３におけるパルス管冷凍機を示す模式図
【符号の説明】
１  圧力振動部
２  第１の放熱部
３  蓄冷器
４  コールドヘッド
５  パルス管
６  圧力振動発生部
７  第２の放熱部
８  連通管
１１  背面側空間
１２  放熱器側空間
２０  圧電体
【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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