JP2003014322A - フリーピストン型スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のスターリング冷凍機においては、たと
えば運転開始時のような冷却面の温度が常温に近い状態
である場合には、内部ガス圧が定常運転状態に至るまで
の間に、定常状態における最大入力電圧を印加すると、
ピストンとディスプレーサとが相互干渉を生じて衝突す
る虞が有った。 【解決手段】 リニアモータ１３に取り付けられたピス
トン１のストローク（移動距離）を、リニアモータ１３
に印加される電圧と電流とインダクタンス（Ｌ）と抵抗
成分（Ｒ）とからマイクロコンピュータ１０４で演算す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフリーピストン型ス
ターリング冷凍機に関し、より詳細には、ピストンとデ
ィスプレーサとの衝突を回避し得るようにしたフリーピ
ストン型スターリング冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍機の冷凍サイクルとしては、従来は
フロンの凝縮、蒸発の繰り返しを利用した蒸気圧縮式の
冷凍サイクルが一般的であった。しかし、近年の地球環
境対策の面から、特定フロンを対象としてフロンの使用
及び生産が規制されている。このような事情から、上述
のようなフロンを利用した冷凍サイクルに代えて、逆ス
ターリング冷凍サイクルが注目されている。

【０００３】逆スターリング冷凍サイクルは、ヘリウム
ガス、水素ガス、窒素ガス等の地球環境に悪影響を与え
難いと考えられているガスを作動媒体として使用し、逆
スターリングサイクルによって低温を得るようにしたも
のである。

【０００４】図１１は従来のフリーピストン型スターリ
ング冷凍機の構成例を示す縦断面図である。まずこの図
１１を参照して従来のフリーピストン型スターリング冷
凍機の構成について説明する。

【０００５】シリンダ３は概略円筒形状に形成されてお
り、その内部には円筒形のピストン１及びディスプレー
サ２が同軸上に配置されている。ピストン１はピストン
支持バネ５によって耐圧容器４に弾性支持されている。

【０００６】ピストン１には、同軸で貫通する摺動孔１
ａが設けられている。この摺動孔１ａには、ディスプレ
ーサ２の一端からディスプレーサ２と同軸上に延出され
たロッド２ａが挿入されている。ロッド２ａの先端部は
ピストン１を貫通して突出しており、ディスプレーサ支
持バネ６によって耐圧容器４に弾性支持されている。

【０００７】ピストン１のディスプレーサ２とは逆側、
即ちロッド２ａが突出している側には非磁性体製の断面
がＬ字状で全体としてはカップ状のスリーブ１４が連結
されている。このスリーブ１４のディスプレーサ２側に
は環状の永久磁石１５が取り付けられている。この永久
磁石１５の更に外周には駆動用コイル１６を内蔵した断
面がコの字状の外周ヨーク１７が備えられている。一
方、シリンダ３と永久磁石１５との間には内周ヨーク１
８が取り付けられている。

【０００８】駆動用コイル１６には、リード線２０，２
１が接続されており、これらは耐圧容器４をハーメチッ
ク端子を介して貫通して図示しない制御ボックスと接続
されている。また、永久磁石１５、駆動コイル１６、リ
ード線２０，２１、外周ヨーク１７及び内周ヨーク１８
は全体としてリニアモータ１３を構成しており、制御ボ
ックスから上述のリード線２０，２１を介してリニアモ
ータ駆動用電源が供給される。

【０００９】以上のようなフリーピストン型スターリン
グ冷凍機の構成において、リニアモータ駆動用電源が供
給されることにより、永久磁石１５が外周ヨーク１７と
内周ヨーク１８との間隙１９内をピストン１の軸方向に
平行に移動するため、永久磁石１５が取り付けられてい
るスリーブ１４も一体的に移動し、このスリーブ１４に
連結されているピストン１も永久磁石１５及びスリーブ
１４と共に一体的にピストン１の軸方向と平行に摺動す
る。このような動作により、作動媒体のガスが圧縮空間
９で圧縮され、膨張空間１０で膨張する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来のス
ターリング冷凍機においては、リニアモータ駆動用電源
の電圧を増減させることによりピストン１のストローク
を調整し、この結果としてディスプレーサ２のストロー
クを増減させて冷凍能力を調整していた。しかし、たと
えば運転開始時のような冷却面の温度が常温に近い状態
である場合には、内部ガス圧が定常運転状態に至るまで
の間に、定常状態における最大入力電圧を印加すると、
ピストンとディスプレーサとが相互干渉を生じて衝突す
る虞が有った。このようなピストンとディスプレーサと
の衝突という事態を回避するためにはリニアモータ駆動
用電圧を低目に調整する必要があり、このことが冷凍能
力を最大限に引き出せないという問題を招来していた。

【００１１】上述のような問題を解決するために、本願
出願人は特願２００１−１２６０２の発明を出願してい
る。この特願２００１−１２６０２の発明では、ピスト
ンが可動範囲を越えたことを検出するセンサを備えるこ
とが提案されている。しかし、これによっても、ピスト
ンが可動範囲の限界位置に達した時点にのみそのことを
検出できるだけであり、ピストンの位置を連続的に検出
することが出来ず、また検出制度が粗いため、ピストン
の位置を精密に検出することが出来ないという問題が有
った。このため、上述の特願２００１−１２６０２の発
明を利用しても、従来のフリーピストン型スターリング
冷凍機においてはその冷凍能力を最大限に引き出すこと
が出来なかった。

【００１２】本発明は以上のような事情に鑑みてなされ
たものであり、冷凍機の運転時のみならずすべての状態
においてピストン及びディスプレーサの位置を特定の一
点のみではなく連続的に、且つ高精度で検出することに
より、両者の衝突という冷凍機そのものの破壊に結びつ
くような事態を回避すると共に、高度な冷凍能力を発揮
させ得るフリーピストン型スターリング冷凍機の提供を
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述のような目的を達成
するために本発明では、基本的には、ピストンの移動位
置及びディスプレーサの移動位置の検出手段と、検出さ
れたピストンの移動位置及びディスプレーサの移動位置
に基づいて、両者の衝突を回避するように制御する制御
手段とを備える。

【００１４】そして、リニアモータに取り付けられたピ
ストンのストローク（移動距離）を検出する手段とし
て、第１には、リニアモータに印加される電圧と電流と
インダクタンス（Ｌ）と抵抗成分（Ｒ）とからピストン
のストロークを演算する手段を備える。

【００１５】また第２には、リニアモータへの印加電圧
値に代えてマイクロコンピュータが出力するＰＷＭイン
バータ波形生成用電圧コードからピストンの位置を演算
する手段を備える。

【００１６】また第３には、リニアモータを構成する外
周ヨークと内周ヨークとの間の静電容量を測定する手段
を備える。

【００１７】また第４には、スリーブに誘電体を取り付
け、この誘電体の移動に伴って静電容量が変化するよう
な一対の電極を備える。

【００１８】また第５には、スリーブに誘電体を取り付
け、この誘電体の移動に伴って静電容量が変化するよう
な一対の電極を備えると共に、一対の電極に同時に当接
するように、スリーブに取り付けられた誘電体に導電体
を取り付ける。そして、導電体が一対の電極に同時に当
接して短絡することをリミッタスイッチとして機能させ
る。

【００１９】また第６にバランスマスの変位を測定する
ことにより、ピストンの位置を演算する手段を備える。

【００２０】具体的には、本発明は、作動ガスを封入し
たシリンダ内を、それぞれの移動位置に相関関係を有し
て往復運動するピストン及びディスプレーサと、前記ピ
ストンを移動させるリニアモータとを備えたフリーピス
トン型スターリング冷凍機において、前記ピストンの移
動位置を連続的に検出するピストン位置検出手段と、該
ピストン位置検出手段が検出した前記ピストンの移動位
置から、前記相関関係に基づいて前記ディスプレーサの
移動位置を演算するディスプレーサ位置検出手段と、前
記ピストン位置検出手段及び前記ディスプレーサ位置検
出手段の検出結果に基づいて、前記ピストンと前記ディ
スプレーサとの衝突を回避するように前記リニアモータ
に駆動電流を印加する制御手段とを備えたことを特徴と
する。

【００２１】このような本発明のフリーピストン型スタ
ーリング冷凍機では、ピストンの移動位置が連続的に検
出され、この検出されたピストンの移動位置に基づいて
ディスプレーサの移動位置が演算され、ピストン及びデ
ィスプレーサの位置に基づいて、両者の衝突を回避する
ようにリニアモータに駆動電流が印加されるので、最大
出力を得るように制御することが出来る。

【００２２】また本発明は、作動ガスを封入したシリン
ダ内を、それぞれの移動位置に相関関係を有して往復運
動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンを
移動させるリニアモータとを備えたフリーピストン型ス
ターリング冷凍機において、前記ピストンの移動位置
を、前記リニアモータに印加される電圧値と、前記リニ
アモータに通流する電流値と、前記リニアモータのリア
クタンス成分及び抵抗成分とから演算して連続的に検出
するピストン位置検出手段と、該ピストン位置検出手段
が検出した前記ピストンの移動位置から、前記相関関係
に基づいて前記ディスプレーサの移動位置を演算するデ
ィスプレーサ位置検出手段とを備えたことを特徴とす
る。

【００２３】このような本発明のフリーピストン型スタ
ーリング冷凍機では、ピストンの移動位置が、リニアモ
ータに印加される電圧値と、リニアモータに通流する電
流値と、リニアモータのリアクタンス成分及び抵抗成分
とから演算されて連続的に検出され、この検出されたピ
ストンの移動位置からディスプレーサの移動位置が演算
される。

【００２４】また、本発明に係るフリーピストン型スタ
ーリング冷凍機は、上記発明において、前記リニアモー
タを駆動するためのＰＷＭインバータ波形生成手段を備
え、前記演算に使用される前記リニアモータに印加され
る電圧値として、前記ＰＷＭインバータ波形生成手段に
与えられるＰＷＭインバータ波形生成用電圧に関連する
値を使用することを特徴とする。

【００２５】このような本発明のフリーピストン型スタ
ーリング冷凍機では、リニアモータを駆動するためのＰ
ＷＭインバータ波形生成手段を備えており、このＰＷＭ
インバータ波形生成手段に与えられるＰＷＭインバータ
波形生成用電圧に関連する値がリニアモータに印加され
る電圧値に代えて演算に使用される。

【００２６】また、本発明は、作動ガスを封入したシリ
ンダ内を、それぞれの移動位置に相関関係を有して往復
運動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストン
を移動させるリニアモータとを備えたフリーピストン型
スターリング冷凍機において、前記リニアモータの固定
子と移動子との間に保持される静電容量を検出する手段
と、検出された静電容量の変化に基づいて前記ピストン
の移動位置を連続的に検出するピストン位置検出手段
と、該ピストン位置検出手段が検出した前記ピストンの
移動位置から、前記ディスプレーサの移動位置を演算す
るディスプレーサ位置検出手段とを備えたことを特徴と
する。

【００２７】このような本発明のフリーピストン型スタ
ーリング冷凍機では、リニアモータの固定子と移動子と
の間に保持される静電容量が検出され、検出された静電
容量の変化に基づいてピストンの移動位置が連続的に検
出され、検出されたピストンの移動位置からディスプレ
ーサの移動位置が演算される。

【００２８】また本発明は、作動ガスを封入したシリン
ダ内を、それぞれの移動位置に相関関係を有して往復運
動するピストン及びディスプレーサを備えたフリーピス
トン型スターリング冷凍機において、前記ピストンに固
定された誘電体と、該誘電体と近接して配置された一対
の電極と、前記一対の電極間に保持される静電容量を検
出する手段と、検出された静電容量の変化に基づいて前
記ピストンの移動位置を連続的に検出するピストン位置
検出手段と、該ピストン位置検出手段が検出した前記ピ
ストンの移動位置から、前記ディスプレーサの移動位置
を演算するディスプレーサ位置検出手段とを備えたこと
を特徴とする。

【００２９】このような本発明のフリーピストン型スタ
ーリング冷凍機では、ピストンに固定された誘電体に近
接して配置された一対の電極間に保持される静電容量が
検出され、検出された静電容量の変化に基づいてピスト
ンの移動位置が連続的に検出され、検出されたピストン
の移動位置からディスプレーサの移動位置が演算され
る。

【００３０】また本発明に係るフリーピストン型スター
リング冷凍機は、上記発明において、前記ピストンと一
体的に移動し、前記ピストンが所定位置に移動した場合
に前記一対の電極に同時に接触することにより短絡させ
る導電体と、前記一対の電極が短絡したことを検出する
手段とを更に備えたことを特徴とする。

【００３１】このような本発明のフリーピストン型スタ
ーリング冷凍機では、導電体がピストンと一体的に移動
してピストンが所定位置に移動した場合に一対の電極に
同時に接触することにより短絡させ、これが検出される
ので、ピストン位置の検出結果には拘わらずに、ピスト
ンが所定位置に移動したことを検出することが出来る。

【００３２】また本発明は、作動ガスを封入したシリン
ダ内を、それぞれの移動位置に相関関係を有して往復運
動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストン及
びディスプレーサの移動により生じる振動を吸収するた
めのバランスマスとを備えたフリーピストン型スターリ
ング冷凍機において、前記バランスマスの変位量を光学
的に検出する手段と、検出された前記バランスマスの変
位量に基づいて前記ピストンの移動位置を連続的に検出
するピストン位置検出手段と、該ピストン位置検出手段
が検出した前記ピストンの移動位置から、前記ディスプ
レーサの移動位置を演算するディスプレーサ位置検出手
段とを備えたことを特徴とする。

【００３３】このような本発明のフリーピストン型スタ
ーリング冷凍機によれば、バランスマスの変位量が光学
的に検出され、検出されたバランスマスの変位量に基づ
いてピストンの移動位置が連続的に検出され、更にディ
スプレーサの移動位置が演算される。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づいて詳述する。

【００３５】（実施の形態１）実施の形態１では、フリ
ーピストン型スターリング冷凍機のリニアモータに印加
される電圧と電流とインダクタンス（Ｌ）と抵抗成分
（Ｒ）とからピストンの移動位置（以下、ストロークと
いう）を演算する構成を採っている。図１、図２、図３
は本発明の実施の形態１を説明するための図である。

【００３６】図１はスターリング冷凍機３１と制御ボッ
クス３０との接続状態を示す模式図である。なお、スタ
ーリング冷凍機３１そのものの構成は前述の図１１に示
されている従来例と同様である。

【００３７】図１において、スターリング冷凍機３１に
は入力端子２００を介して制御ボックス３０との間にリ
ード線２０，２１が接続されており、制御ボックス３０
からスターリング冷凍機３１へ制御電圧出力ＣＶが与え
られる。この制御ボックス３０からスターリング冷凍機
３１へ与えられる制御電圧出力ＣＶの電圧を検出する電
圧計３２と、同じく電流を検出する電流計３３とが備え
られており、両者の検出値、即ち電圧値と電流値とはそ
れぞれ電圧値入力ＶＩＮ及び電流値入力ＣＩＮとして共
に制御ボックス３０に入力される。

【００３８】図２は制御ボックス３０の構成例を示すブ
ロック図である。制御ボックス３０内には、スターリン
グ冷凍機３１のリニアモータ駆動用の制御電圧を出力す
るためのリニアモータ駆動用制御電圧出力部１０１（Ｐ
ＷＭインバータ波形を出力する）、電圧計３２が検出し
た電圧値を入力する電圧値入力部１０２、電流計３３が
検出した電流値入力部１０３、後述する演算を行なうマ
イクロコンピュータ１０４、電源部１０５、制御ボック
ス３０をリセットするためのリセット部１０６、ＰＷＭ
インバータ波形を生成するための発振部１０７等が備え
られている。

【００３９】なお、電圧値入力部１０２は、電圧計３２
に代えて、電圧を直接Ａ／Ｄ変換することにより電圧値
を得るようにしてもよい。また電流計３３に代えて、カ
レントトランス（ＣＴ）を利用してもよい。

【００４０】図３はスターリング冷凍機３１内のリニア
モータの等価回路図である。制御ボックス３０のリニア
モータ駆動用制御電圧出力部１０１から入力電圧Ｖｔが
与えられると、電流Ｉが通流し、抵抗成分において「Ｒ
＊Ｉ」、インダクタ成分において「Ｌ＊ｄｉ／ｄｔ」の
電圧降下が生じる。従って、逆起電力Ｖｇは下記式
（１）式にて表わされる。

【００４１】 Ｖｇ＝Ｖｔ−Ｒ＊Ｉ−Ｌ＊ｄｉ／ｄｔ …（１）

【００４２】また、逆起電力Ｖｇはピストンのストロー
クＸｐの関数であり、下記式（２）にて表わされる。

【００４３】Ｖｇ＝ｆ（Ｘｐ） …（２）

【００４４】ここで、Ｌ及びＲは既知であり、Ｖｔ及び
Ｉはそれぞれ電圧値入力部１０２及び電流値入力部１０
３からマイクロコンピュータ１０４に与えられるため、
上記式（１）及び（２）からピストンのストロークＸｐ
をマイクロコンピュータ１０４が演算することが可能で
ある。

【００４５】このようにしてマイクロコンピュータ１０
４はピストンのストロークＸｐを演算により求めるが、
ピストンのストロークとディスプレーサのストロークと
は比例関係に有るので、比例定数をＡとするとディスプ
レーサのストロークＸｄを下記式（３）により求めるこ
とが出来る。

【００４６】Ｘｄ＝Ａ＊Ｘｐ …（３）

【００４７】以上のように、ピストン１のストロークＸ
ｐが演算により求められれば、それからディスプレーサ
２のストロークも求まり、両者が求まることによりピス
トン１及びディスプレーサ２のストロークは常時連続的
に検出可能になるため、マイクロコンピュータ１０４が
リニアモータ駆動用制御電圧出力部１０１の出力電圧を
制御することにより両者の衝突という事態を回避するこ
とが可能になる。

【００４８】（実施の形態２）なお、上述の実施の形態
１においては、スターリング冷凍機３１のリニアモータ
に印加される電圧を電圧計３２等で検出して電圧値入力
部１０２からマイクロコンピュータ１０４が取り込むよ
うにしている。しかし、制御ボックス３０のリニアモー
タ駆動用制御電圧出力部１０１の内部インピーダンス
（Ｚｐ）が既知であることと、リニアモータ駆動用制御
電圧出力部１０１から出力されるリニアモータ駆動用イ
ンバータ波形の電圧をマイクロコンピュータ１０４が電
圧コード値（Ｈ）に基づいて自身で指示していることか
ら、電圧値入力部１０２によらずともマイクロコンピュ
ータ１０４自身で下記式（４）により演算可能である。

【００４９】Ｖｅ＝Ｈ−Ｂ＊Ｚｐ＊Ｉ …（４） 但し、Ｂ：定数

【００５０】このようにして求まめられる電圧Ｖｅは電
圧値入力部１０２からマイクロコンピュータ１０４に入
力される電圧値に代えることが可能であるため、実施の
形態２においては電圧計３２を備える必要が無くなる。

【００５１】（実施の形態３）次に、リニアモータを構
成する外周ヨークと内周ヨークとの間の静電容量を測定
することにより、ピストン１とディスプレーサ２との衝
突を回避する実施の形態３の構成について説明する。

【００５２】図４は本発明のフリーピストン型スターリ
ング冷凍機のリニアモータの要部の構成を示す模式図で
ある。図４に示すように、外周ヨーク１７及び内周ヨー
ク１８それぞれにリード線１７ａと１８ａとを接続し、
スリーブ１４の移動に伴う静電容量の変化を測定できる
ようにする。内周ヨーク１８に接続されたリード線１８
ａは接地し、外周ヨーク１７に接続されたリード線１７
ａはオペレーションアンプＯＰ１の「−」入力端子に接
続する。

【００５３】オペレーションアンプＯＰ１は、「−」入
力端子と出力端子ＯＵＴ１との間を帰還抵抗Ｒ１を介し
て、「＋」入力端子と出力端子ＯＵＴ１との間を帰還抵
抗Ｒ２を介してそれぞれ接続し、更に「＋」入力端子と
抵抗Ｒ２とのノードは抵抗Ｒ３を介して接地されてい
る。このような回路構成により、オペレーションアンプ
ＯＰ１の出力端子ＯＵＴ１からの出力波形は図５の波形
図に示すように、周期Ｔで発振する。

【００５４】図６はスターリング冷凍機３１が作動した
場合のオペレーションアンプＯＰ１の出力波形を示す波
形図である。図６(a) に示されているように、制御ボッ
クス３０のリニアモータ駆動用制御電圧出力部１０１か
ら正弦波のリニアモータ駆動用電圧波形が出力されてス
ターリング冷凍機３１のリニアモータに印加されるとス
リーブ１４が移動する（勿論この結果としてピストン１
が移動する）。この際、リニアモータ駆動用制御電圧出
力部１０１から出力されるリニアモータ駆動用電圧波形
の正弦波の最大値（位相９０度）のタイミングにおい
て、図６(b) に示すようにオペレーションアンプＯＰ１
の出力端子ＯＵＴ１からの出力波形の周期Ｔが最小とな
る。

【００５５】ところで、上述のタイミング（位相９０
度）はマイクロコンピュータ１０４には既知であるの
で、その際のオペレーションアンプＯＰ１の出力波形の
周期Ｔを計測することにより、マイクロコンピュータ１
０４はピストン１のストロークを検出することが可能で
ある。但し、リニアモータ駆動用制御電圧出力部１０１
から出力されるリニアモータ駆動用電圧波形の正弦波の
最小値（位相２７０度）のタイミングのオペレーション
アンプＯＰ１の出力波形の周期Ｔを計測するようにして
もよい。

【００５６】（実施の形態４）次に、スリーブに誘電体
を取り付け、その移動に伴って静電容量が変化するよう
な電極を備えることにより、ピストン１とディスプレー
サ２との衝突を回避する実施の形態４の構成について説
明する。

【００５７】図７は本発明のフリーピストン型スターリ
ング冷凍機の要部の構成例を示す模式図である。図７に
示すように、スリーブ１４の移動方向（ストロークの方
向）を軸長方向とする丸棒状、または角柱状の誘電体１
４ａをスリーブ１４のピストン支持バネ５側に取り付け
る。また、ピストン支持バネ５の支柱５ａに固定された
支持台１４ｃに棒状の一対の電極１４ｂ１，１４ｂ２
を、誘電体１４ａと平行に且つ取り囲むように取り付け
る。なお、一対の電極１４ｂ１，１４ｂ２にはそれぞれ
リード線１４ｄ１，１４ｄ２が接続されている。

【００５８】以上のような構成により、誘電体１４ａは
スリーブ１４の移動と共に移動するので、一対の電極１
４ｂ１，１４ｂ２においてスリーブ１４との相対位置、
即ちスリーブ１４の移動位置に対応した静電容量が発生
する。従って、両リード線１４ｄ１，１４ｄ２を前述の
図４のリード線１７ａ，１８ａと同様に、一方を接地
し、他方をオペレーションアンプＯＰ１の「−」入力端
子に接続すれば、図５の波形図と同様の出力波形が得ら
れる。

【００５９】なおこの実施の形態４においては、誘電体
１４ａ及び一対の電極１４ｂ１，１４ｂ２からなるセン
サを追加する必要が有り、前述の実施の形態３に比して
コストが嵩むが、誘電体１４ａ及び一対の電極１４ｂ
１，１４ｂ２の材質、形状及びサイズの選定により任意
の静電容量をオペレーションアンプＯＰ１に入力させる
ことが可能になるという利点がある。

【００６０】（実施の形態５）次に、実施の形態４に併
せて、スリーブに取り付けられた誘電体に導電体を取り
付け、これをリミッタスイッチとして機能させる構成の
実施の形態５について説明する。

【００６１】図８は本発明のフリーピストン型スターリ
ング冷凍機の要部の構成例を示す模式図である。図８に
示されているように、誘電体１４ａのスリーブ１４への
取り付け位置に近い部分に導電体１４ｅを取り付ける。
この導電体１４ｅは、ディスプレーサ２とピストン１と
が衝突する直前の位置までスリーブ１４がピストン支持
バネ５側へ移動した場合に一対の電極１４ｂ１，１４ｂ
２の双方に同時に当接して両者を短絡するような位置を
予め求めておいて誘電体１４ａに導電体１４ｅを取り付
ける。

【００６２】以上のような構成により、誘電体１４ａは
スリーブ１４の移動と共に移動するが、ディスプレーサ
２とピストン１とが衝突する直前の位置までスリーブ１
４がピストン支持バネ５側へ移動した場合には導電体１
４ｅが一対の電極１４ｂ１，１４ｂ２の双方に同時に当
接して両者を短絡するので、これを電気的に検出するこ
とにより、ピストン１とディスプレーサ２との衝突を回
避するためのリミッタスイッチとして機能させることが
出来る。

【００６３】具体的な回路構成を図９に示す。両リード
線１４ｄ１，１４ｄ２を前述の図４のリード線１７ａ，
１８ａと同様に、一方を接地し、他方をオペレーション
アンプＯＰ１の「−」入力端子に接続することは前述の
実施の形態４の場合と同様である。従って、オペレーシ
ョンアンプＯＰ１の出力端子ＯＵＴ１からは図５の波形
図と同様の出力波形が得られる。

【００６４】しかし、この実施の形態５においては、一
方のリード線（図９では１４ｄ２）をオペレーションア
ンプＯＰ２の「＋」入力端子へ抵抗Ｒ６を介して入力し
てある。一方、オペレーションアンプＯＰ２の「−」入
力端子は基準電圧を得るために、抵抗Ｒ４を介して電源
電圧＋Ｖと、抵抗Ｒ５を介して接地電位と接続されてい
る。なお、オペレーションアンプＯＰ２の出力端子ＯＵ
Ｔ２と「＋」入力端子との間は帰還抵抗Ｒ７を介して接
続されている。そして、オペレーションアンプＯＰ２の
出力端子ＯＵＴ２は制御ボックス３０のマイクロコンピ
ュータ１０４のローアクティブの割り込み入力端子に接
続されている。

【００６５】スターリング冷凍機３１が正常に動作して
いる場合には、導電体１４ｅが一対の電極１４ｂ１，１
４ｂ２に当接することはないため、オペレーションアン
プＯＰ２の「＋」入力端子への入力信号は「−」入力端
子への入力信号よりもハイレベルになるように各抵抗の
値が設定されており、この場合のオペレーションアンプ
ＯＰ２の出力端子ＯＵＴ２からの出力信号は図６(c) の
左側部分に示されているようにハイレベルである。この
場合、マイクロコンピュータ１０４は割込み処理は行な
わない。

【００６６】しかし、ピストン１とディスプレーサ２と
が衝突する直前の位置となった場合には、導電体１４ｅ
が一対の電極１４ｂ１，１４ｂ２に同時に当接するた
め、オペレーションアンプＯＰ２の「＋」入力端子への
入力信号は「−」入力端子への入力信号よりもローレベ
ルになる。これにより、オペレーションアンプＯＰ２の
出力端子ＯＵＴ２からの出力信号は図６(c) の右側部分
に示されているようにローレベルになり、マイクロコン
ピュータ１０４は割込み処理を実行する。

【００６７】なお、オペレーションアンプＯＰ１側で
は、導電体１４ｅが一対の電極１４ｂ１，１４ｂ２に同
時に当接した場合、その出力端子ＯＵＴ１からの出力波
形はローレベルに固定される。

【００６８】従って、マイクロコンピュータ１０４はオ
ペレーションアンプＯＰ１の出力端子ＯＵＴ１からの出
力信号の周期Ｔを測定してピストン１の位置を検出して
いるが、何らかの事情によりピストン１がディスプレー
サ２と衝突する可能性が有る位置にまで接近した場合に
は、オペレーションアンプＯＰ２の出力端子ＯＵＴ２か
らの出力信号がハイレベルからローレベルに転じてマイ
クロコンピュータ１０４の割込みポートに入力されるた
め、マイクロコンピュータ１０４はこれに応じてスター
リング冷凍機３１のリニアモータへの給電を停止するこ
とが可能である。換言すれば、この実施の形態５におい
ては、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突する危険
性が生じた場合には、マイクロコンピュータ１０４によ
る緊急停止が可能になる。

【００６９】（実施の形態６）次に、バランスマスの変
位を測定することにより、ピストンの位置を演算する構
成の実施の形態６について説明する。

【００７０】図１０はバランスマス２０５の周辺の構成
例を示す模式図であり、図１０(a)は側面図を、図１０
(b) は平面図をそれぞれ示している。

【００７１】バランスマス２０５はスターリング冷凍機
３１の耐圧容器４の外側に、ピストン１、耐圧容器４等
の移動に伴う振動を吸収する目的で備えられている。従
って、ピストン１及びディスプレーサ２等の運動に伴っ
てバランスマス２０５も運動し、その実体は複雑ではあ
るがディスプレーサ２の運動状態を変数とする関数とし
て表わせることが知られている。従って、バランスマス
２０５の運動状態、具体的にはその移動のストロークを
検出すればディスプレーサ２のストロークを検出するこ
とが可能である。

【００７２】具体的には、バランスマス２０５の厚みは
最大変位以上の厚みに設計しておき、その厚みをＴとす
る。バランスマス２０５のストロークの方向と直交する
方向で、且つバランスマス２０５を挟んだ位置にフォト
インタラプタの受光部２０４と発光部２０７とが対向し
て配置されている。但し、フォトインタラプタの受光部
２０４と発光部２０７とを結ぶ線分がバランスマス２０
５の中心を通らないような位置関係とする必要がある。

【００７３】フォトインタラプタの受光部２０４にはバ
ランスマス２０５の厚みＬと同一内径の円筒のサヤ２０
３が、発光部２０７には同じく円筒のサヤ２０６がそれ
ぞれ備えらている。それぞれのサヤ２０３，２０６の軸
方向がフォトインタラプタの受光部２０４と発光部２０
７とを結ぶ線分と一致するように構成されていることは
言うまでもない。

【００７４】なお、両サヤ２０３，２０６それぞれの先
端部分はバランスマス２０５と干渉しないように、且つ
フォトインタラプタの発光部２０７からの発光が受光部
２０４に本来受光されない状態において受光部２０４に
外部から光が入り難いようにするために、バランスマス
２０５の外形とほぼ同一の曲率で平面視で円弧状に形成
されている。

【００７５】フォトインタラプタの受光部２０４とサヤ
２０３とは一体的に支持台２０２に、同発光部２０７と
サヤ２０６とは一体的に支持台２０８にそれぞれ取り付
けられており、両支持台２０２，２０８はバランスマス
２０５の支持バネ２０９を取り付けるバネ支持台２０
１，２０１を介して耐圧容器４に取り付けられている。
なお、バランスマス２０５自体は支持バネ２０９に取り
付けられている。

【００７６】なお、上述のような構成においては、バラ
ンスマス２０５はフォトインタラプタの発光部２０７か
らの発光の乱反射防止するために黒色に塗装するか、黒
色の材料を使用することが望ましい。

【００７７】以上のような構成により、バランスマス２
０５が停止している状態では、フォトインタラプタの受
光部２０４では受光量はゼロになる。しかし、バランス
マス２０５がディスプレーサ２の移動に伴ってそのスト
ローク方向に変位すると、その変位量に比例した光量を
フォトインタラプタの受光部２０４が受光するので、こ
れを制御ボックス３０のマイクロコンピュータ１０４に
与えることにより、ディスプレーサ２のストロークを連
続的に検出することが可能である。

【００７８】なお、上述の実施の形態６では、バランス
マス２０５そのものでフォトインタラプタの発光部２０
７からの発光を遮光するようにしているが、バランスマ
ス２０５に別途遮光部材を取り付ける構成を採ってもよ
いことは言うまでもない。また、サヤ２０３，２０６の
内径はバランスマス２０５の厚みＬ以下であればより小
径であってもよいことは言うまでもない。

【００７９】

【発明の効果】以上のように本発明のフリーピストン型
スターリング冷凍機によれば、ピストンの移動位置が連
続的に検出され、この検出されたピストンの移動位置に
基づいてディスプレーサの移動位置が演算され、ピスト
ン及びディスプレーサの位置に基づいて、両者の衝突を
回避っするようにリニアモータに駆動電流が印加される
ので、ピストンとディスプレーサとが衝突しないように
両者の移動を制御しつつ、いかなる条件下においても最
大出力にて冷凍サイクルを稼動させることが可能にな
る。

【００８０】また、本発明のフリーピストン型スターリ
ング冷凍機によれば、ピストンとディスプレーサとが衝
突しないように両者の移動を制御可能になるため、いか
なる条件下においても最大出力にて冷凍サイクルを稼動
させることが可能になる。

【００８１】また、本発明のフリーピストン型スターリ
ング冷凍機によれば、ピストンのストローク（移動距
離）をリニアモータに印加される電圧と電流とインダク
タンス（Ｌ）と抵抗成分（Ｒ）とから演算するため、別
途センサ等を取り付ける必要が無く、コストの上昇を伴
わない。

【００８２】また本発明のフリーピストン型スターリン
グ冷凍機によれば、リニアモータへの印加電圧値に代え
てマイクロコンピュータが出力するＰＷＭインバータ波
形生成用電圧コードからピストンの位置を演算するた
め、より一層コストの上昇を伴わない。

【００８３】また本発明のフリーピストン型スターリン
グ冷凍機によれば、リニアモータを構成する外周ヨーク
と内周ヨークとの間の静電容量を測定することにより、
ピストンの位置を演算するため、わずかの部品の追加の
みで構成の複雑化を回避できる。

【００８４】また本発明のフリーピストン型スターリン
グ冷凍機によれば、冷凍機内部のスリーブに誘電体を取
り付け、その移動に伴って静電容量が変化するような電
極を備え、この電極から静電容量を測定することによ
り、ピストンの位置を演算するため、わずかの部品の追
加のみで構成の複雑化を回避できる。

【００８５】また本発明のフリーピストン型スターリン
グ冷凍機によれば、スリーブに誘電体を取り付け、この
誘電体の移動に伴って静電容量が変化するような一対の
電極を備えると共に、ピストンが所定値に移動した場合
に一対の電極を短絡するような誘電体の位置に導電体を
取り付けてリミッタスイッチとして機能させるため、何
らかの事情によりピストンの移動位置の検出が出来なく
なって、または誤検出するようになって制御が不可能に
なった場合にも、ピストンとディスプレーサとの衝突を
回避できるので、冷凍機自体の破壊というような事態は
防止できる。

【００８６】また本発明のフリーピストン型スターリン
グ冷凍機によれば、ピストン及びディスプレーサの移動
に伴う振動を給するためのバランスマスの変位を測定す
ることにより、ピストンの位置を演算するので、冷凍機
の重要部分に手を加えること無く、既成の冷凍機にも本
発明を容易に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スターリング冷凍機と制御ボックスとの接続状
態を示す模式図である。

【図２】制御ボックスの構成例を示すブロック図であ
る。

【図３】スターリング冷凍機内のリニアモータの等価回
路図である。

【図４】本発明のフリーピストン型スターリング冷凍機
のリニアモータの要部の構成を示す模式図である。

【図５】オペレーションアンプの出力端子からの出力波
形である。

【図６】スターリング冷凍機が作動した場合のオペレー
ションアンプ出力波形を示す波形図である。

【図７】本発明のフリーピストン型スターリング冷凍機
の要部の構成例を示す模式図である。

【図８】本発明のフリーピストン型スターリング冷凍機
の要部の構成例を示す模式図である。

【図９】本発明のフリーピストン型スターリング冷凍機
のリニアモータの要部の構成を示す模式図である。

【図１０】本発明のフリーピストン型スターリング冷凍
機のバランスマスの周辺の構成例を示す模式図である。

【図１１】従来のフリーピストン型スターリング冷凍機
の構成例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ ピストン ２ ディスプレーサ ３ シリンダ ４ 耐圧容器 １３ リニアモータ １４ａ 誘電体 １４ｂ１，１４ｂ２ 電極 １４ｅ 導電体 ３０ 制御ボックス ３２ 電圧計 ３３ 電流計 １０４ マイクロコンピュータ ２０５ バランスマス

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスを封入したシリンダ内を、それ
   ぞれの移動位置に相関関係を有して往復運動するピスト
   ン及びディスプレーサと、前記ピストンを移動させるリ
   ニアモータとを備えたフリーピストン型スターリング冷
   凍機において、 前記ピストンの移動位置を連続的に検出するピストン位
   置検出手段と、 該ピストン位置検出手段が検出した前記ピストンの移動
   位置から、前記相関関係に基づいて前記ディスプレーサ
   の移動位置を演算するディスプレーサ位置検出手段と、 前記ピストン位置検出手段及び前記ディスプレーサ位置
   検出手段の検出結果に基づいて、前記ピストンと前記デ
   ィスプレーサとの衝突を回避するように前記リニアモー
   タに駆動電流を印加する制御手段とを備えたことを特徴
   とするフリーピストン型スターリング冷凍機。
2. 【請求項２】 作動ガスを封入したシリンダ内を、それ
   ぞれの移動位置に相関関係を有して往復運動するピスト
   ン及びディスプレーサと、前記ピストンを移動させるリ
   ニアモータとを備えたフリーピストン型スターリング冷
   凍機において、 前記ピストンの移動位置を、前記リニアモータに印加さ
   れる電圧値と、前記リニアモータに通流する電流値と、
   前記リニアモータのリアクタンス成分及び抵抗成分とか
   ら演算して連続的に検出するピストン位置検出手段と、 該ピストン位置検出手段が検出した前記ピストンの移動
   位置から、前記相関関係に基づいて前記ディスプレーサ
   の移動位置を演算するディスプレーサ位置検出手段とを
   備えたことを特徴とするフリーピストン型スターリング
   冷凍機。
3. 【請求項３】 前記リニアモータを駆動するためのＰＷ
   Ｍインバータ波形生成手段を備え、 前記演算に使用される前記リニアモータに印加される電
   圧値として、前記ＰＷＭインバータ波形生成手段に与え
   られるＰＷＭインバータ波形生成用電圧に関連する値を
   使用することを特徴とする請求項２に記載のフリーピス
   トン型スターリング冷凍機。
4. 【請求項４】 作動ガスを封入したシリンダ内を、それ
   ぞれの移動位置に相関関係を有して往復運動するピスト
   ン及びディスプレーサと、前記ピストンを移動させるリ
   ニアモータとを備えたフリーピストン型スターリング冷
   凍機において、 前記リニアモータの固定子と移動子との間に保持される
   静電容量を検出する手段と、 検出された静電容量の変化に基づいて前記ピストンの移
   動位置を連続的に検出するピストン位置検出手段と、 該ピストン位置検出手段が検出した前記ピストンの移動
   位置から、前記ディスプレーサの移動位置を演算するデ
   ィスプレーサ位置検出手段とを備えたことを特徴とする
   フリーピストン型スターリング冷凍機。
5. 【請求項５】 作動ガスを封入したシリンダ内を、それ
   ぞれの移動位置に相関関係を有して往復運動するピスト
   ン及びディスプレーサを備えたフリーピストン型スター
   リング冷凍機において、 前記ピストンに固定された誘電体と、 該誘電体と近接して配置された一対の電極と、 前記一対の電極間に保持される静電容量を検出する手段
   と、 検出された静電容量の変化に基づいて前記ピストンの移
   動位置を連続的に検出するピストン位置検出手段と、 該ピストン位置検出手段が検出した前記ピストンの移動
   位置から、前記ディスプレーサの移動位置を演算するデ
   ィスプレーサ位置検出手段とを備えたことを特徴とする
   フリーピストン型スターリング冷凍機。
6. 【請求項６】 前記ピストンと一体的に移動し、前記ピ
   ストンが所定位置に移動した場合に前記一対の電極に同
   時に接触することにより短絡させる導電体と、 前記一対の電極が短絡したことを検出する手段とを更に
   備えたことを特徴とする請求項５に記載のフリーピスト
   ン型スターリング冷凍機。
7. 【請求項７】 作動ガスを封入したシリンダ内を、それ
   ぞれの移動位置に相関関係を有して往復運動するピスト
   ン及びディスプレーサと、前記ピストン及びディスプレ
   ーサの移動により生じる振動を吸収するためのバランス
   マスとを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機に
   おいて、 前記バランスマスの変位量を光学的に検出する手段と、 検出された前記バランスマスの変位量に基づいて前記ピ
   ストンの移動位置を連続的に検出するピストン位置検出
   手段と、 該ピストン位置検出手段が検出した前記ピストンの移動
   位置から、前記ディスプレーサの移動位置を演算するデ
   ィスプレーサ位置検出手段とを備えたことを特徴とする
   フリーピストン型スターリング冷凍機。