CN113028673A - 自由活塞式斯特林制冷机 - Google Patents

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驹田淳
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Jembardo Industrial Co ltd
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Abstract

本发明提供一种能够以简单且廉价的手段抑制活塞、置换器的撞击的自由活塞式斯特林制冷机。自由活塞式斯特林制冷机(1)具有：缸体(15)，设置于壳体(2)内；活塞(23)及置换器(16)，设置为能够在所述缸体(15)内往复运动；线性电动机(24)，使所述活塞(23)往复运动；以及，控制单元(38)，对所述线性电动机(24)的动作进行控制，所述控制单元(38)具有：逆变器电路(39)，向所述线性电动机(24)供给规定频率的交流电流；检流电路(40)，检测从所述逆变器电路(39)输出的电流；以及，控制电路(41)，基于所述检流电路(40)检测出的电流的紊乱来控制来自所述逆变器电路(39)的输出，从而能够以廉价的结构且通过简单的控制来抑制碰撞。

Description

自由活塞式斯特林制冷机
技术领域
本发明涉及自由活塞式斯特林制冷机，尤其涉及活塞与置换器隔着压缩室直接对置配置的自由活塞式斯特林制冷机。
背景技术
以往，作为这种自由活塞式斯特林制冷机，已知如下制冷机，其具有：壳体；缸体，所述缸体设置于所述壳体内；活塞，所述活塞以能够往复运动的方式设置于所述缸体内；线性电动机，所述线性电动机使所述活塞往复运动；置换器，所述置换器伴随着所述活塞的往复运动而在所述缸体内往复运动；控制单元，所述控制单元控制所述线性电动机的动作(例如，参照专利文献1、2)。这样的自由活塞式斯特林制冷机的所述活塞的振幅不确定，振幅因供给至所述线性电动机的电力等而变动。同样地，所述置换器的振幅也不确定，振幅因供给至所述线性电动机的电力等而变动。另外，所述活塞以及置换器的振幅也根据吸热部、排热部的温度等而变动。因此，在专利文献1中，基于吸热部以及排热部的温度来控制向所述线性电动机供给的电力，并且抑制所述活塞与置换器的相互的撞击或者所述活塞以及/或者置换器与其他的部位的撞击(以下称为“碰撞”)。另外，在专利文献2中，通过连续地运算来求出活塞以及置换器的位置，并基于该运算结果来控制向所述线性电动机供给的电力，抑制碰撞。另外，在专利文献2中，为了通过连续地运算求出活塞以及置换器的位置，需要电流以及电压检测单元或者检测静电电容的单元或者光学传感器等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-337551号公报
专利文献2：日本特开2003-14322号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在这样的自由活塞式斯特林制冷机中，存在需要检测用于控制的物理量的单元或者运算变得复杂等问题。因此，存在自由活塞式斯特林制冷机的系统变得复杂或者价格变得昂贵等问题。
本发明的目的在于解决以上的问题点，提供一种能够以简单且廉价的单元抑制碰撞的自由活塞式斯特林制冷机。
用于解决问题的手段
本发明的技术方案1所记载的自由活塞式斯特林制冷机具有：壳体；缸体，所述缸体设置于所述壳体内；活塞，所述活塞以能够往复运动的方式设置于所述缸体内；线性电动机，所述线性电动机使所述活塞往复运动；置换器，所述置换器伴随着所述活塞的往复运动而在所述缸体内往复运动；以及控制单元，所述控制单元对所述线性电动机的动作进行控制，在所述自由活塞式斯特林制冷机中，所述控制单元具有：逆变器电路，所述逆变器电路生成规定频率的交流电流并向所述线性电动机供给；检流电路，所述检流电路对从该逆变器电路输出的电流进行检测；以及控制电路，所述控制电路基于所述检流电路检测出的电流的紊乱，而对来自所述逆变器电路的输出进行控制。
另外，本发明的技术方案2所记载的自由活塞式斯特林制冷机为，在技术方案1中，所述控制电路针对所述逆变器电路所输出的交流电流的每1个周期，对所述检流电路所检测出的检测波形与基准波形进行比较来计算差值，并将该差值作为电流的紊乱的判断基准。
另外，本发明的技术方案3所记载的自由活塞式斯特林制冷机为，在技术方案2中，所述控制电路对n个周期量的交流电流的检测波形进行平均而计算出1个周期量的基准波形。
另外，本发明的技术方案4所记载的自由活塞式斯特林制冷机为，在技术方案3中，所述控制电路将计算出的基准波形与接着成为计算源的n个周期量的交流电流的下一n个周期量的交流电流的检测波形进行比较，并且对下一n个周期量的交流电流的检测波形进行平均而计算出接下来的基准波形。
发明效果
本发明的技术方案1所记载的自由活塞式斯特林制冷机通过如以上那样构成，基于由检流单元检测出的电流的紊乱来控制向所述线性电动机的输出，因此能够以廉价的结构且通过简单的控制来抑制碰撞。
另外，所述控制电路针对所述逆变器电路所输出的交流电流的每1个周期，对所述检流电路所检测出的检测波形与基准波形进行比较来计算差值，并将该差值作为电流的紊乱的判断基准，从而能够通过简单的运算来抑制碰撞。
另外，所述控制电路通过对n个周期量的交流电流的检测波形进行平均来计算1个周期量的基准波形，即使在因运转强度、周围的温度等而稳定条件不同的情况下，也能够同样地稳定地抑制碰撞。
另外，所述控制电路将计算出的基准波形与接着成为计算源的n个周期量的交流电流的下一个n个周期量的交流电流的检测波形进行比较，并且将下一个n个周期量的交流电流的检测波形平均而计算下一个基准波形，由此即使在通过调节运转强度或周围的温度等发生变动而使稳定条件变动的情况下，也同样能够稳定地抑制碰撞。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的自由活塞式斯特林制冷机的剖视图。
图2是本发明的一实施方式的控制电路的框图。
图3是表示本发明的一实施方式的理想状态下的电流波形及其紊乱的说明图，(a)表示电流波形，(b)表示电流波形的紊乱。
图4是表示本发明的一实施方式的紊乱比较轻度的情况下的电流波形和基于该电流波形的数据处理的说明图。
图5是表示本发明的一实施方式的基于图4的波形的电流的紊乱的说明图。
图6是表示本发明的一实施方式的紊乱比较重度的情况下的电流波形和基于该电流波形的数据处理的说明图。
图7是表示本发明的一实施方式的基于图6的波形的电流的紊乱的说明图。
附图标记说明
1自由活塞式斯特林制冷机
2壳体
15缸体
16置换器
23活塞
24线性电动机
38控制单元
39逆变器电路
40检流电路
41控制电路
Ws1～Ws7基准波形
Cn1～Cn7 n周期量的检测波形
具体实施方式
以下，基于图1至图7对本发明的实施方式进行说明。1是本发明的自由活塞式斯特林制冷机。所述斯特林制冷机1具有金属制的壳体2。并且，所述壳体2具有第一壳体3和第二壳体4。所述第一壳体3具有圆筒部5和大径部6并且是一体形成的，所述圆筒部5形成为小径圆筒状，所述大径部6是基端开放的。并且，所述圆筒部5具有被封闭的前端部7、中间部8和基部9。另外，所述大径部6具有形成为大致圆形的突曲面状的一端面部10和短圆筒状的侧面部11。同样地，所述第二壳体4具有圆筒状的侧面部12和形成为大致圆形的突曲面状的另一端面部13。并且，由所述大径部6和所述第二壳体4形成圆筒状的主体部14。
在所述圆筒部5的内部，相对于所述圆筒部5同轴地插入设置有延伸至所述主体部14的内部的缸体15。即，所述缸体15的中心轴线X与所述圆筒部5的中心轴线X一致。并且，所述缸体15使用金属成型。并且，在所述缸体15的前端侧的内侧，以能够沿中心轴线X方向滑动的方式收容有置换器16。另外，在该置换器16的前端与所述圆筒部5的前端部7之间形成有膨胀室E，通过间隙17使所述缸体15的内外连通。另外，在所述中间部8中，在所述圆筒部5的内周与所述缸体15的外周之间设置有再生器18，并且在所述基部9中，在所述缸体15自身形成有连通所述缸体15的内外的连通孔19。另外，在所述圆筒部5的前端部7的内周与所述缸体15的前端外周之间，设置有吸热翅片20，并且在所述再生器18与连通孔19之间，在所述圆筒部5的内周与所述缸体15的外周之间设置有排热翅片21。并且，形成从所述缸体15的内部前端通过间隙17、吸热翅片20、再生器18、排热翅片21、连通孔19而到达所述缸体15内的压缩室C的路径22。而且，在所述主体部4内，在所述缸体15的基部侧的内侧，以能够沿中心轴线X方向滑动的方式收纳有活塞23。而且，该活塞23的基端部与线性电动机24同轴地连结。另外，该线性电动机24构成为具有：短筒状的框架26，所述框架26通过连接体25与所述活塞23的基端连接，并在所述缸体15的基端侧的外周同轴状地延伸设置；圆筒状的永久磁铁27，所述永久磁铁27固定于该框架26的一端；以及，环状的电磁线圈28，所述电磁线圈28与该永久磁铁27的外周接近地设置。
另外，在使框架26与所述活塞23连接的连接体25上连接有用于控制所述活塞23的动作的第一板簧29。进而，在所述置换器16的基端侧连接有用于控制该置换器16的动作的杆30的一端，并且在所述杆30的另一端连接有第二板簧31。另外，所述杆30贯通所述活塞23的中心并沿中心轴线X方向延伸。另外，所述第一及第二板簧29、31在所述主体部14内配置在所述缸体15的基端侧的外部，并且第二板簧31配置在比所述第一板簧29更远离所述缸体15的基端侧的位置。
另外，图1中的32是设置于所述第二壳体4的另一端面部13的振动吸收组件，经由与所述缸体15的中心轴线X同轴地配置的安装部33以及与所述安装部33连接的连接部34，配置成板簧35与平衡配重36同轴状地重叠。
图2是所述斯特林制冷机1的电气系统的简单框图。所述电气系统具有电源37和控制单元38。所述电源37是直流电源。另外，所述直流电源可以是电池等，另外，也可以是交流电源和整流电路。另外，所述控制单元38具有逆变器电路39、检流电路40和控制电路41。所述逆变器电路39将来自所述电源37的直流电流转换为规定频率的交流电流并供给至所述线性电动机24的电磁线圈28。另外，所述检流电路40检测从所述逆变器电路39输出的电流。另外，所述控制电路41基于所述检流电路40检测出的电流的紊乱来控制来自所述逆变器电路39的输出。
并且，根据所述结构，若使所述逆变器电路39形成的交流电流流过所述电磁线圈28，则从该电磁线圈28产生交变磁场，通过所述交变磁场，产生使所述永久磁铁27在中心轴线X方向上往复运动的力。通过所述力，与固定有所述永久磁铁27的框架26连接的活塞23在所述缸体15内沿中心轴线X方向往复运动。因此，当所述活塞23向靠近所述置换器16的方向移动时，形成于所述活塞23与置换器16之间的压缩室C内的气体被压缩，通过所述连通孔19、排热翅片21、再生器18、吸热翅片20、间隙17，到达膨胀室E，从而所述置换器16相对于所述活塞23以规定的相位差被下压，所述膨胀室E形成于所述置换器16的前端与圆筒部5的前端部7之间。另一方面，当所述活塞23向远离所述置换器16的方向移动时，所述压缩室C的内部成为负压，所述膨胀室E内的气体从所述膨胀室E通过所述间隙17、吸热翅片20、再生器18、排热翅片21、连通孔19回流至所述压缩室C，从而所述置换器16相对于所述活塞23以规定的相位差被上推。通过在这样的工序中进行由两个等温变化和等体积变化构成的可逆循环，所述膨胀室E的附近成为低温，另一方面，所述压缩室C的附近成为高温。
从所述逆变器电路39向所述线性电动机24的电磁线圈28供给的交流电流由所述检流电路40检测。如果所述斯特林制冷机1的动作稳定，则所述逆变器电路39输出的交流电流的所述检流电路40的检测波形如图3(a)所示那样，相同形状的正弦波连续。并且，在该情况下，由于全部的正弦波的大小、形状相同，因此如图3(b)所示，检测波形没有紊乱。
另一方面，如图4或图6所示，实际上由所述检流电路40检测的交流电流略微紊乱。本申请人发现，如果碰撞的危险性变高，则电流波形的紊乱变大，若开始碰撞，则电流波形的紊乱进一步变大。电流波形的紊乱由差值ΔI来定义，所述差值ΔI是将成为基准的波形与检测出的波形进行比较而导出的。另外，这里所说的差值ΔI可以是波形的面积的差，另外，也可以是单纯的振幅的差。无论在哪种情况下，差值ΔI的计算都能够通过简单的程序极其容易地进行。并且，若利用该现象，则无需设置用于测定各种物理量的传感器类，或者不计算所述活塞23、置换器16的位置，就能够抑制碰撞。
另外，所述斯特林制冷机1稳定动作的状态的电流波形根据运转强度、周围的温度条件等而变化。因此，优选不预先设定基准波形，而是通过对大致稳定动作的状态的电流波形进行平均来计算。另外，若通过使所述斯特林制冷机1持续工作而使周围的温度条件等发生变化，或者调节所述斯特林制冷机1的运转强度，则所述检流电路40检测出的波形发生变化。因此，优选定期地计算基准波形。
在所述斯特林制冷机1的动作大致稳定的状态下，所述控制电路41计算对所述检流电路40检测出的交流电流的n个周期量Cn1的波形进行平均而得到的1个周期量的基准波形Ws1。另外，在此设为n＝5。并且，所述控制电路41将下一个5个周期的交流电流Cn2的波形一个一个地与所述基准波形Ws1进行比较，计算其差。同时，所述控制电路41计算对接下来的5个周期的交流电流Cn2的波形进行平均而得到的1个周期量的基准波形Ws2。并且，所述控制电路41进一步将接下来的5个周期的交流电流Cn3的波形逐一与所述基准波形Ws2进行比较，计算其差。同时，所述控制电路41还计算对接下来的5个周期的交流电流Cn3的波形进行平均而得到的1个周期量的基准波形Ws3。通过重复这些处理，能够得到如图5或图7所示的电流的紊乱。
如图5所示，如果检测出的电流波形的紊乱(差值ΔI)收敛于基准值+B至-B的范围，则视为暂时稳定。另一方面，如图7所示，如果检测出的电流波形的紊乱(差值ΔI)偏离从基准值+B至-B的范围，则所述控制电路41根据其程度抑制所述逆变器电路39的输出。
如上所述，本发明的自由活塞式斯特林制冷机1具有：壳体2；缸体15，所述缸体15设置于所述壳体2内；活塞23，所述活塞23以能够往复运动的方式设置于所述缸体15内；线性电动机24，所述线性电动机使所述活塞23往复运动；置换器16，所述置换器16伴随着所述活塞23的往复运动而在所述缸体15内往复运动；以及，控制单元38，所述控制单元38控制所述线性电动机24的动作，在自由活塞式斯特林制冷机1中，所述控制单元38具有：逆变器电路39，所述逆变器电路39产生规定频率的交流电流，并向所述线性电动机24供给；检流电路40，所述检流电路40检测从所述逆变器电路39输出的电流；以及，控制电路41，所述控制电路41基于所述检流电路40检测出的电流的紊乱来控制来自所述逆变器电路39的输出，从而能够以廉价的结构且通过简单的控制来抑制碰撞。
另外，在本发明中，所述控制电路41针对所述逆变器电路39所输出的交流电流的每1个周期，对所述检流电路40所检测出的检测波形与基准波形进行比较并计算差值ΔI，并将该差值ΔI作为电流的紊乱的判断基准，由此能够通过简单的运算来抑制碰撞。
另外，在本发明中，所述控制电路41对n个周期量的交流电流的检测波形进行平均来计算1个周期量的基准波形，由此，即使在因运转强度、周围的温度等而稳定条件不同的情况下，也能够同样地稳定地抑制碰撞。
而且，在本发明中，所述控制电路41将计算出的基准波形Ws1与接着成为计算源的n个周期量的交流电流Cn1的下一个n个周期量的交流电流Cn2的检测波形进行比较，并且对下一个n个周期量的交流电流Cn2的检测波形进行平均而计算下一个基准波形Ws2，由此即使在由于调节运转强度或周围的温度等发生变动而使稳定条件变动的情况下，也同样能够稳定地抑制碰撞。
此外，本发明并不限定于以上的实施方式，能够在发明的主旨的范围内实施各种变形。例如，在所述实施方式中，判定电流的紊乱的基准值是单一的，但也可以将该基准值设为多个阶段。

Claims (4)

1.一种自由活塞式斯特林制冷机，具有：壳体；缸体，所述缸体设置于所述壳体内；活塞，所述活塞以能够往复运动的方式设置于所述缸体内；线性电动机，所述线性电动机使所述活塞往复运动；置换器，所述置换器伴随着所述活塞的往复运动而在所述缸体内往复运动；以及，控制单元，所述控制单元对所述线性电动机的动作进行控制，其特征在于，
所述控制单元具有：逆变器电路，所述逆变器电路生成规定频率的交流电流并向所述线性电动机供给；检流电路，所述检流电路对从所述逆变器电路输出的电流进行检测；以及，控制电路，所述控制电路基于所述检流电路检测出的电流的紊乱来控制来自所述逆变器电路的输出。
2.根据权利要求1所述的自由活塞式斯特林制冷机，其特征在于，所述控制电路针对所述逆变器电路输出的交流电流的每1个周期，对所述检流电路所检测出的检测波形与基准波形进行比较来计算差值，并将该差值作为电流的紊乱的判断基准。
3.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林制冷机，其特征在于，所述控制电路对n个周期量的交流电流的检测波形进行平均来计算1个周期量的基准波形。
4.根据权利要求3所述的自由活塞式斯特林制冷机，其特征在于，所述控制电路将计算出的基准波形与接着成为计算源的n个周期量的交流电流的下一个n个周期量的交流电流的检测波形进行比较，并且对下一个n个周期量的交流电流的检测波形进行平均来计算下一个基准波形。
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