(57)【要約】【課題】動作効率のよい圧電ポンプ、およびそれを備えた成績係数（ＣＯＰ；Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の高いスターリング冷却庫を提供する。【解決手段】圧電ポンプ１は、ケーシング２と、ケーシング２内に設けられ、作動媒体を受け入れる作動空間４と、作動空間４に作動媒体を吸入する吸込部としての吸込孔６と、作動空間から作動媒体を吐出する吐出部としての吐出孔７と、ケーシング２内に設けられる背圧空間５と、ケーシング２内の空間を作動空間４と背圧空間５とに仕切る圧電素子３と、作動空間４と背圧空間５とを連通させる連通手段としての連通管１０とを備える。【選択図】        図１
2005016367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、作動媒体を受け入れる作動空間と、
前記作動空間に前記作動媒体を吸入する吸込部と、
前記作動空間から前記作動媒体を吐出する吐出部と、
前記ケーシング内に設けられる背圧空間と、
前記ケーシング内の空間を前記作動空間と前記背圧空間とに仕切る圧電素子と、
前記作動空間と前記背圧空間とを連通させる連通手段とを備えた圧電ポンプ。
【請求項２】
前記連通手段は前記作動空間と前記背圧空間とを連通させる連通管を含み、前記吸込部に前記作動媒体の逆流防止の逆止弁を設け、
該逆止弁よりも上流側に前記連通管の一端を接続した、請求項１に記載の圧電ポンプ。
【請求項３】
前記連通手段は前記作動空間と前記背圧空間とを連通させる連通管を含み、前記吐出部に前記作動媒体の逆流防止の逆止弁を設け、
該逆止弁よりも下流側に前記連通管の一端を接続した、請求項１に記載の圧電ポンプ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電ポンプを高温側の作動媒体循環回路に備えたスターリング冷却庫。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電ポンプおよびスターリング冷却庫に関し、特に、流体を圧電素子で加圧して吐出する圧電ポンプおよびそれを備えたスターリング冷却庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
媒体を循環させるポンプとして、水晶やニオブ酸リチウムなどの圧電素子を用いた圧電ポンプが従来から用いられている。
【０００３】
上記の圧電ポンプは、図４に示すように、ケーシング２と、該本体内に作動空間４および背圧空間５とを備える。ここで、作動空間４と背圧空間５とは圧電素子３によって隔てられている。また、作動空間４側のケーシングには、媒体を吸引する吸込孔６と、該媒体を吐出する吐出孔７とが設けられ、背圧空間５側のケーシングには、背圧空間５の圧力を調整するための背圧孔８が設けられている。なお、吸込孔６と吐出孔７には、媒体を逆流させない逆止弁９がそれぞれ設けられている。
【０００４】
上記の圧電ポンプ１を動作させる際は、圧電素子３に電気信号を与える。これにより、該圧電素子３は図４中の破線矢印の方向に振幅運動する。なお、この際、圧電素子３の端部はケーシング２に固定されており、該圧電素子３は凸面形状に変形しながら振幅運動する。この結果、作動空間４の体積が変動し、該作動空間４内の圧力が圧電素子３の変形状態に応じて変動して、媒体を吸込／吐出する。
【０００５】
ここで、上記の圧電素子３の変形により、背圧空間５の体積も変化することになるが、この結果、背圧空間５の圧力が変動すると、圧電素子３の運動方向と逆向きの力を生じさせることになり、結果として圧電ポンプ１の動作効率が低下する。これに対し、圧電素子３の変形状態に関わらず背圧空間５の圧力が一定となるように、ケーシング２の背圧空間５側に背圧孔８を設けている。
【０００６】
また、このような圧電ポンプ１を適用するデバイスとしては、たとえばスターリング冷却庫における冷媒の循環回路などが挙げられる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２０５６８２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような圧電ポンプにおいては、以下のような問題があった。
【０００９】
上記のポンプを、たとえば媒体の圧力が大気圧に比べて低い回路に接続した場合、背圧空間５の圧力が大気圧であるのに対し、作動空間４側の圧力が低いため、圧電ポンプ１が動作しない状態で、圧電素子３が作動空間４側に凸な形状に反り曲がり、正常な動作を行なうことができない場合がある。その結果、該圧電ポンプの動作効率が低下する。
【００１０】
ところで、特開２０００−２０５６８２号公報（従来例１）において、スターリング冷凍機と冷却器の間の配管に設けられ、該配管内の熱媒体を循環させるポンプが開示されている。
【００１１】
しかしながら、従来例１においては、ポンプ構造の詳細は開示されておらず、上述した作動空間と背圧空間との圧力差による圧電ポンプの動作効率の問題については未解決である。
【００１２】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、動作効率のよい圧電ポンプ、およびそれを備えた成績係数（ＣＯＰ；Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の高いスターリング冷却庫を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電ポンプは、ケーシングと、ケーシング内に設けられ、作動媒体を受け入れる作動空間と、作動空間に作動媒体を吸入する吸込部と、作動空間から作動媒体を吐出する吐出部と、ケーシング内に設けられる背圧空間と、ケーシング内の空間を作動空間と背圧空間とに仕切る圧電素子と、作動空間と背圧空間とを連通させる連通手段とを備える。
【００１４】
これにより、作動空間側と背圧空間側の圧力差を緩和することができるので、圧電素子が圧力差によって変形し、圧電ポンプの動作効率が低下するのを防止することができる。
【００１５】
上記の連通手段としては、作動空間と背圧空間とを連通させる連通管を含む構造が考えられる。
【００１６】
これにより、連通管を介して、作動空間と背圧空間との間の圧力差を緩和することができる。
【００１７】
ここで、１つの局面では、連通管の一端を吸込部と接続し、連通管により、吸込部を介して作動空間と背圧空間とを連通させる構造が考えられる。
【００１８】
この際、吸込部に、作動媒体の逆流防止のための逆止弁を設け、逆止弁よりも上流側の吸込部または配管に連通管を接続することが好ましい。
【００１９】
この構造においては、圧電素子が振動することによる作動空間の圧力変動が緩衝されて、作動媒体の圧電ポンプへの流入が妨げられることがない。したがって、ポンプの吸込／吐出能力を高めることができる。
【００２０】
また、他の局面では、連通管の一端を吐出部と接続し、連通管により、吐出部を介して作動空間と背圧空間とを連通させる構造を採用してもよい。
【００２１】
この際、吐出部に、作動媒体の逆流防止のための逆止弁を設け、逆止弁よりも下流側の吐出部または配管に連通管を接続することが好ましい。
【００２２】
この構造においても、上記の局面と同様の効果を奏することができる。
本発明に係るスターリング冷却庫は、上述した圧電ポンプを高温側の作動媒体循環回路に備える。
【００２３】
該圧電ポンプは従来のものと比較して動作効率がよいので、結果として成績係数の高いスターリング冷却庫を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に基づく圧電ポンプおよびスターリング冷却庫の１つの実施の形態について説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係る圧電ポンプの断面図である。
本実施の形態に係る圧電ポンプ１は、図１に示すように、ケーシング２と、ケーシング２内に設けられ、作動媒体を受け入れる作動空間４と、作動空間４に作動媒体を吸入する吸込部としての吸込孔６と、作動空間から作動媒体を吐出する吐出部としての吐出孔７と、ケーシング２内に設けられる背圧空間５と、ケーシング２内の空間を作動空間４と背圧空間５とに仕切る圧電素子３と、作動空間４と背圧空間５とを連通させる連通手段としての連通管１０とを備える。
【００２６】
吸込部および吐出部には、作動媒体の逆流防止のための逆止弁９が設けられている。ここで、吸込部側の逆止弁９は、圧電ポンプ１内に流入する方向の流れのみを許容し、吐出部側の逆止弁９は、圧電ポンプから流出する方向の流れのみを許容する。
【００２７】
なお、圧電素子３の変形状態に関わらず背圧空間５の圧力を一定とするために、ケーシング２の背圧空間５側に背圧孔８が設置されている。
【００２８】
上記の圧電ポンプ１を動作させる際は、圧電素子３に電気信号を与える。これにより、該圧電素子３は図３中の破線矢印の方向に振幅運動する。なお、この際、圧電素子３の端部はケーシング２に固定されているので、該圧電素子３は作動空間４側或いは背面空間５側に凸面形状に変形する。この結果、作動空間４内の圧力が圧電素子３の変形状態に応じて変動し、媒体を吸込／吐出する。
【００２９】
上記の圧電ポンプ１は、たとえば、スターリング冷却庫の一例である冷凍冷蔵庫における冷媒の循環回路、コンピュータのＣＰＵを冷却する冷媒回路などに使用可能である。
【００３０】
また、該ポンプが吸込／吐出する媒体としては、水、エタノール水溶液、エチレングリコール水溶液、ＨＦＣ冷媒、二酸化炭素などが使用可能であり、これらは、気相であっても、液相であっても、また気液二相であってもよい。
【００３１】
ところで、図１においては、連通管１０の一端を吸込孔６（吸込部）と吸込部ジョイントを介して接続し他端を背圧孔８と接続して、連通管１０により、吸込孔６および背圧孔８を介して作動空間４と背圧空間５とを連通させている。
【００３２】
この際、吸込部において吸込部側の逆止弁９の設置位置よりも上流側に連通管１０を接続することが好ましい。
【００３３】
圧電素子がケーシング本体内に作動媒体を吸入する方向に振動した際には、背圧空間の圧力が増加する。
【００３４】
ここで、連通管１０を吸込部側の逆止弁９よりも下流側に接続した場合、押し出された背圧空間内の作動媒体が作動空間に流入する。
【００３５】
圧電ポンプ内への作動媒体の流入は、作動空間の圧力が低下して、吸込部の逆止弁９が開くことによって行なわれるので、上記のように、背圧空間の作動媒体が作動空間内に流入することによって圧電ポンプの媒体の吸込能力が低下する。
【００３６】
これに対し、上記の構造の採用により、作動媒体が作動空間内に流入することがないので、該ポンプの吸込能力が向上する。
【００３７】
なお、圧電素子がケーシング本体外に作動媒体を吐出する方向に振動する局面においても、該ポンプの吐出能力が向上する。すなわち、圧電素子３が作動空間４側に凸の場合に吐出動作が行われるが、連通管１０を備えておらず背圧空間５が密閉されている場合には、圧電素子が作動空間側に凸とする動作に伴って背圧空間の圧力が低下するため、これが抵抗となり吐出能力を低下させる原因となる。しかし、連通管１０が存在することにより、圧電素子が作動空間側に凸とする動作に伴って連通管１０から背圧空間５に作動媒体が流れ込むため、圧力の低下を防止できることから、抵抗が小さくなりと良好な吐出能力を得ることが可能となる。
【００３８】
図２は、図１に示す圧電ポンプの変形例を示す図である。
図２においては、連通管１０の一端を吐出部と接続し、連通管１０により、吐出部を介して作動空間４と背圧空間５とを連通させる構造を採用している。また、吐出部において逆止弁９の設置位置よりも下流側に連通管１０を吐出ジョイントを介して接続している。
【００３９】
なお、それ以外の事項については、図１に示す圧電ポンプと同様であるので、説明を省略する。
【００４０】
図２に示す構造の圧電ポンプにおいても、図１に示す圧電ポンプと略同様の効果を奏することができる。
【００４１】
以下に、圧電ポンプ１の使用形態の一例として、該ポンプをスターリング冷却庫の高温側の作動媒体（冷媒）循環回路に設ける場合について説明する。
【００４２】
なお、上記の冷却庫は、冷却空間として冷凍空間と冷蔵空間との少なくとも一方を備える。
【００４３】
図３は、本実施の形態に係るスターリング冷却庫の冷媒循環回路を示した模式図である。
【００４４】
本実施の形態に係るスターリング冷却庫は、図３に示すように、スターリング冷凍機１７のウォームヘッドの冷却機構として、該部分に取り付けられた高温側蒸発器１１と、該蒸発器１１に接続され、冷媒蒸気を液化させる高温側凝縮器１２とを備える。
【００４５】
高温側蒸発器１１において気化した冷媒は、ガス管１８を通って高温側凝縮器１２に達する。該凝縮器１２において冷却され、液化した冷媒は、液管１９を通って圧電ポンプ１に達する。
【００４６】
なお、図３において、破線矢印はガス化した冷媒蒸気の流れを示し、実線矢印は液化した液冷媒の流れを示す。
【００４７】
なお、上記の高温側冷却サイクル内の冷媒としては、圧電ポンプ１において使用する媒体として上述したものと同じものなどが使用可能である。
【００４８】
また、該冷凍機１７は、コールドヘッドに取り付けられた低温側凝縮器１５と、該凝縮器１５とともに閉回路を形成し、該回路を流れる低温側冷媒を蒸発させることで冷却庫内の熱を奪う冷却器１６とをさらに備えている。
【００４９】
コールドヘッドにおいて冷却された冷媒は液体となって、液管２０を通って冷却器１６に達する。そして、冷却器１６において蒸発することで、冷却庫内の熱を吸収する。その後、ガス化した冷媒は、ガス管２１を通って低温側凝縮器１５に戻る。
【００５０】
なお、上記の低温側冷却サイクル内の冷媒としては、たとえば、二酸化炭素や炭化水素などが使用可能である。
【００５１】
上記の構成により、スターリング冷凍機１７のウォームヘッドは、高温側蒸発器１１および高温側凝縮器１２によって冷却され、該冷凍機のコールドヘッドの冷熱は、低温側凝縮器１５および冷却器１６によって冷却庫の庫内に伝達される。
【００５２】
ここで、該冷却庫の庫外が高湿度のとき、庫内冷気によって周囲環境よりも低温となる部分（扉のパッキング周辺や庫外壁面など）に結露が生じる場合がある。これに対し、上記部位を伝熱ヒータで加熱して結露を防止すると、消費電力が大きくなるという問題がある。
【００５３】
上記に対し、本実施の形態に係るスターリング冷却庫は、図３に示すように、高温側凝縮器１２と高温側蒸発器１１との間の液管１９に、圧電ポンプ１と発露防止パイプ１４とを設ける。
【００５４】
高温側蒸発器１１および高温側凝縮器１２中の液冷媒は、圧電ポンプ１によって図３中の実線矢印の向きに強制循環され、ドレン処理パイプ１３を介して発露防止パイプ１４へと導かれる。
【００５５】
これにより、発露防止パイプ１４内の冷媒が有する温熱によって、不必要な電力を消耗することなく、上述した発露しやすい部位を加熱して、露点温度以上に保つことができる。
【００５６】
さらに、本実施の形態においては、圧電ポンプ１が従来のものと比較して動作効率がよいので、結果として成績係数の高いスターリング冷却庫を得ることができる。
【００５７】
ここで、本実施の形態に係る圧電ポンプにおいて、上述した各々の特徴部分を組み合わせて複合された効果を得ることは当初から予定されている。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電ポンプの作動空間と背圧空間との圧力差を緩衝し、作動ポンプの動作効率を向上させることができる。また、その結果として、スターリング冷却庫の成績係数を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係る圧電ポンプの断面図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態に係る圧電ポンプの変形例の断面図である。
【図３】本発明の１つの実施の形態に係る圧電ポンプを備えたスターリング冷却庫の冷媒循環回路を示した図である。
【図４】従来の圧電ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１  圧電ポンプ、２  ケーシング、３  圧電素子、４  作動空間、５  背圧空間、６  吸込孔、７  吐出孔、８  背圧孔、９  逆止弁、１０  連通管、１１  高温側蒸発器、１２  高温側凝縮器、１３  ドレン処理パイプ、１４  発露防止パイプ、１５  低温側凝縮器、１６  冷却器、１７  スターリング冷凍機、１８ガス管（高温側）、１９  液管（高温側）、２０  液管（低温側）、２１  ガス管（低温側）。
【図１】
2005016367.tif 000003
【図２】
2005016367.tif 000004
【図３】
2005016367.tif 000005
【図４】
2005016367.tif 000006