JP2003185284A - スターリング冷凍機 - Google Patents
スターリング冷凍機Info
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- JP2003185284A JP2003185284A JP2001389867A JP2001389867A JP2003185284A JP 2003185284 A JP2003185284 A JP 2003185284A JP 2001389867 A JP2001389867 A JP 2001389867A JP 2001389867 A JP2001389867 A JP 2001389867A JP 2003185284 A JP2003185284 A JP 2003185284A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
Landscapes
- Control Of Linear Motors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 動作試験により得られた詳細なデータに基づ
いて、ピストンの駆動周波数を状況に応じて適切に制御
できるスターリング冷凍機を提供する。 【解決手段】 作動ガスを封入した圧力容器４内を、所
定の位相差を有して共振するピストン１及びディスプレ
ーサ２と、前記ピストン１を移動させるリニアモータ１
３と、前記ピストン１のストロークと前記ピストン１の
支持バネ５のバネ定数との関係ならびにこのバネ定数と
前記ピストン１及びディスプレーサ２の共振周波数との
関係をデータテーブルとして記憶するメモリと、スター
リング冷凍機の出力設定に基づいて決定される前記ピス
トン１のストロークから前記支持バネ５のバネ定数を前
記データテーブルを参照して導き、さらにこのバネ定数
から共振周波数を前記データテーブルを参照して求め、
この共振周波数を前記ピストン１の駆動電源の周波数と
して前記リニアモータ１３に印加するマイコンとを備え
たことを特徴とするスターリング冷凍機。
いて、ピストンの駆動周波数を状況に応じて適切に制御
できるスターリング冷凍機を提供する。 【解決手段】 作動ガスを封入した圧力容器４内を、所
定の位相差を有して共振するピストン１及びディスプレ
ーサ２と、前記ピストン１を移動させるリニアモータ１
３と、前記ピストン１のストロークと前記ピストン１の
支持バネ５のバネ定数との関係ならびにこのバネ定数と
前記ピストン１及びディスプレーサ２の共振周波数との
関係をデータテーブルとして記憶するメモリと、スター
リング冷凍機の出力設定に基づいて決定される前記ピス
トン１のストロークから前記支持バネ５のバネ定数を前
記データテーブルを参照して導き、さらにこのバネ定数
から共振周波数を前記データテーブルを参照して求め、
この共振周波数を前記ピストン１の駆動電源の周波数と
して前記リニアモータ１３に印加するマイコンとを備え
たことを特徴とするスターリング冷凍機。
Description
【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するものである。
スターリング冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】スターリング冷凍機は、フロン等の環境
に悪いガスを使用することなく、極低温の冷熱が得られ
る小型の冷凍機である。このスターリング冷凍機は、精
密な機械であり、駆動部品をはじめとする様々な要素が
設計通りに製作されていることが非常に重要である。
に悪いガスを使用することなく、極低温の冷熱が得られ
る小型の冷凍機である。このスターリング冷凍機は、精
密な機械であり、駆動部品をはじめとする様々な要素が
設計通りに製作されていることが非常に重要である。
【０００３】図９は、従来のフリーピストン型スターリ
ング冷凍機の構成を示す縦断面図である。まずこの図９
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。
ング冷凍機の構成を示す縦断面図である。まずこの図９
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。
【０００４】シリンダ３は概略円筒形状に形成されてお
り、その内部には円筒型のピストン１及びディスプレー
サ２が同軸上に配置されている。密閉された耐圧容器４
の内部には、ヘリウム等の作動媒体のガス（作動ガス）
が充填されている。
り、その内部には円筒型のピストン１及びディスプレー
サ２が同軸上に配置されている。密閉された耐圧容器４
の内部には、ヘリウム等の作動媒体のガス（作動ガス）
が充填されている。
【０００５】ピストン１は板バネから成るピストン支持
バネ５によって耐圧容器４に弾性支持されている。ピス
トン１には、同軸で貫通する摺動孔１ａ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。
バネ５によって耐圧容器４に弾性支持されている。ピス
トン１には、同軸で貫通する摺動孔１ａ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。
【０００６】ピストン１に関してディスプレーサ２の逆
側、即ちロッド２ａが突出している側は非磁性体製の断
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のさら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。
そして、この外周ヨーク１７と対向するように、内周ヨ
ーク１８がシリンダ３の外周に取り付けられている。こ
れら外周ヨーク１７と内周ヨーク１８間には、永久磁石
１５が摺動する円筒状の間隙１９が形成されている。
側、即ちロッド２ａが突出している側は非磁性体製の断
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のさら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。
そして、この外周ヨーク１７と対向するように、内周ヨ
ーク１８がシリンダ３の外周に取り付けられている。こ
れら外周ヨーク１７と内周ヨーク１８間には、永久磁石
１５が摺動する円筒状の間隙１９が形成されている。
【０００７】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、駆動用コイル１６、
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を介してピストン１の駆動電源がリニ
アモータ１３に供給される。
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、駆動用コイル１６、
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を介してピストン１の駆動電源がリニ
アモータ１３に供給される。
【０００８】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１３にピストン
１の駆動電源（例えば、パルス電圧）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１
８との間の間隙１９内をシリンダ３の軸方向に平行に振
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も一体的に往復運動する。したがって、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と共に一体的にシリンダ３の軸方向に沿
って往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間
１０において、作動ガスの周期的な圧力変動が生じる。
その結果、図１０に示すように、ピストン１及びディス
プレーサ２は、所定の位相差をもってシリンダ３内を往
復運動することになる。
グ冷凍機の構成において、リニアモータ１３にピストン
１の駆動電源（例えば、パルス電圧）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１
８との間の間隙１９内をシリンダ３の軸方向に平行に振
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も一体的に往復運動する。したがって、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と共に一体的にシリンダ３の軸方向に沿
って往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間
１０において、作動ガスの周期的な圧力変動が生じる。
その結果、図１０に示すように、ピストン１及びディス
プレーサ２は、所定の位相差をもってシリンダ３内を往
復運動することになる。
【０００９】このような動作により、作動ガスが圧縮空
間９で圧縮されて加熱され、その熱が耐圧容器４側面の
放熱面１１を介して放熱される一方、膨張空間１０で膨
張して吸熱され、耐圧容器４先端の冷却面７において極
低温が得られる。
間９で圧縮されて加熱され、その熱が耐圧容器４側面の
放熱面１１を介して放熱される一方、膨張空間１０で膨
張して吸熱され、耐圧容器４先端の冷却面７において極
低温が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スター
リング冷凍機の運転中、ピストン支持バネ５やディスプ
レーサ支持バネ６のバネ定数が変動したり、作動ガスの
温度変化が理想的なサイクルから逸脱することによっ
て、駆動部品の動作状態（ピストン１及びディスプレー
サ２の共振周波数等）に狂いが生じやすい。そのため、
リニアモータ１３に一定周波数のパルス電圧を与えてい
るだけでは、スターリング冷凍機から安定した冷却性能
が得られないばかりか、電力を浪費して冷却効率が悪く
なる。
リング冷凍機の運転中、ピストン支持バネ５やディスプ
レーサ支持バネ６のバネ定数が変動したり、作動ガスの
温度変化が理想的なサイクルから逸脱することによっ
て、駆動部品の動作状態（ピストン１及びディスプレー
サ２の共振周波数等）に狂いが生じやすい。そのため、
リニアモータ１３に一定周波数のパルス電圧を与えてい
るだけでは、スターリング冷凍機から安定した冷却性能
が得られないばかりか、電力を浪費して冷却効率が悪く
なる。
【００１１】したがって、ピストン１の駆動電源の周波
数を状況に応じて制御してやる必要がある。しかしなが
ら、今までは規準となるパラメータ（ピストン支持バネ
５のバネ定数、背圧空間８の温度、冷却ヘッド７や放熱
面１１の温度）とピントン１の駆動電源の周波数との間
の対応関係について、正確かつ詳細なデータが得られて
いなかったため、かかる制御を適切に行うことが困難で
あった。
数を状況に応じて制御してやる必要がある。しかしなが
ら、今までは規準となるパラメータ（ピストン支持バネ
５のバネ定数、背圧空間８の温度、冷却ヘッド７や放熱
面１１の温度）とピントン１の駆動電源の周波数との間
の対応関係について、正確かつ詳細なデータが得られて
いなかったため、かかる制御を適切に行うことが困難で
あった。
【００１２】本発明は、そのような点に鑑みて、動作試
験により得られた詳細なデータに基づいて、ピストンの
駆動周波数を状況に応じて適切に制御できるスターリン
グ冷凍機を提供することを目的とする。
験により得られた詳細なデータに基づいて、ピストンの
駆動周波数を状況に応じて適切に制御できるスターリン
グ冷凍機を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のスターリング冷凍機は、作動ガスを封入した
圧力容器内を、所定の位相差を有して共振するピストン
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、前記ピストンのストロークと前記ピストン
の支持バネのバネ定数との関係ならびにこのバネ定数と
前記ピストン及びディスプレーサの共振周波数との関係
をデータテーブルとして記憶するメモリと、スターリン
グ冷凍機の出力設定に基づいて決定される前記ピストン
のストロークから前記支持バネのバネ定数を前記データ
テーブルを参照して導き、さらにこのバネ定数から共振
周波数を前記データテーブルを参照して求め、この共振
周波数を前記ピストンの駆動電源の周波数として前記リ
ニアモータに印加するマイコンとを備えたことを特徴と
する。
に本発明のスターリング冷凍機は、作動ガスを封入した
圧力容器内を、所定の位相差を有して共振するピストン
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、前記ピストンのストロークと前記ピストン
の支持バネのバネ定数との関係ならびにこのバネ定数と
前記ピストン及びディスプレーサの共振周波数との関係
をデータテーブルとして記憶するメモリと、スターリン
グ冷凍機の出力設定に基づいて決定される前記ピストン
のストロークから前記支持バネのバネ定数を前記データ
テーブルを参照して導き、さらにこのバネ定数から共振
周波数を前記データテーブルを参照して求め、この共振
周波数を前記ピストンの駆動電源の周波数として前記リ
ニアモータに印加するマイコンとを備えたことを特徴と
する。
【００１４】この構成によると、スターリング冷凍機の
出力設定により定まるピストンのストロークからピスト
ン支持バネのバネ定数が求まり、そのバネ定数に適した
ピストンとディスプレーサの共振周波数も割り出され
る。
出力設定により定まるピストンのストロークからピスト
ン支持バネのバネ定数が求まり、そのバネ定数に適した
ピストンとディスプレーサの共振周波数も割り出され
る。
【００１５】また本発明のスターリング冷凍機は、作動
ガスを封入した圧力容器内を、所定の位相差を有して共
振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、前記リニアモータを収納す
る背圧空間の温度と前記ピストン及びディスプレーサの
共振周波数との関係をデータテーブルとして記憶するメ
モリと、前記背圧空間の温度を検出する温度センサと、
この温度センサの検出温度に基づいて共振周波数を前記
データテーブルを参照して求め、この共振周波数を前記
ピストンの駆動電源の周波数として前記リニアモータに
印加するマイコンとを備えたことを特徴とする。
ガスを封入した圧力容器内を、所定の位相差を有して共
振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、前記リニアモータを収納す
る背圧空間の温度と前記ピストン及びディスプレーサの
共振周波数との関係をデータテーブルとして記憶するメ
モリと、前記背圧空間の温度を検出する温度センサと、
この温度センサの検出温度に基づいて共振周波数を前記
データテーブルを参照して求め、この共振周波数を前記
ピストンの駆動電源の周波数として前記リニアモータに
印加するマイコンとを備えたことを特徴とする。
【００１６】この構成によると、温度センサにより検出
された背圧空間の温度からピストン及びディスプレーサ
の共振周波数が求まる。
された背圧空間の温度からピストン及びディスプレーサ
の共振周波数が求まる。
【００１７】また本発明のスターリング冷凍機は、作動
ガスを封入した圧力容器内を、所定の位相差を有して共
振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、前記ピストンとディスプレ
ーサの位相を検知する位相検知センサと、この位相検知
センサの検知した位相に基づいて、前記ピストンの駆動
電源を変更して前記リニアモータに印加することによ
り、前記ピストン及びディスプレーサの位相差を補正す
るマイコンとを備えたことを特徴とする。
ガスを封入した圧力容器内を、所定の位相差を有して共
振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、前記ピストンとディスプレ
ーサの位相を検知する位相検知センサと、この位相検知
センサの検知した位相に基づいて、前記ピストンの駆動
電源を変更して前記リニアモータに印加することによ
り、前記ピストン及びディスプレーサの位相差を補正す
るマイコンとを備えたことを特徴とする。
【００１８】この構成によると、位相検知センサにより
検知されたピストン及びディスプレーサの位相から位相
差が求められる。
検知されたピストン及びディスプレーサの位相から位相
差が求められる。
【００１９】また本発明のスターリング冷凍機は、作動
ガスを封入した圧力容器内を、所定の位相差を有して共
振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、前記圧力容器先端の冷却面
の温度と前記ピストン及びディスプレーサの位相差の関
係をデータテーブルとして記憶するメモリと、前記冷却
面の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検
出温度に基づいて、上記データテーブルを参照して前記
ピストン及びディスプレーサの位相差を求め、前記ピス
トンの駆動電源を変更して前記リニアモータに印加する
ことにより、前記ピストン及びディスプレーサの位相差
を補正するマイコンとを備えたことを特徴とする。
ガスを封入した圧力容器内を、所定の位相差を有して共
振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、前記圧力容器先端の冷却面
の温度と前記ピストン及びディスプレーサの位相差の関
係をデータテーブルとして記憶するメモリと、前記冷却
面の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検
出温度に基づいて、上記データテーブルを参照して前記
ピストン及びディスプレーサの位相差を求め、前記ピス
トンの駆動電源を変更して前記リニアモータに印加する
ことにより、前記ピストン及びディスプレーサの位相差
を補正するマイコンとを備えたことを特徴とする。
【００２０】この構成によると、温度センサにより検出
された冷却面の温度からピストン及びディスプレーサの
位相差が求められる。
された冷却面の温度からピストン及びディスプレーサの
位相差が求められる。
【００２１】また本発明のスターリング冷凍機は、作動
ガスを封入した圧力容器内を、所定の位相差を有して共
振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、前記圧力容器側面の放熱面
の温度と前記ピストン及びディスプレーサの位相差の関
係をデータテーブルとして記憶するメモリと、前記放熱
面の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検
出温度に基づいて、上記データテーブルを参照して前記
ピストン及びディスプレーサの位相差を求め、前記ピス
トンの駆動電源を変更して前記リニアモータに印加する
ことにより、前記ピストン及びディスプレーサの位相差
を補正するマイコンとを備えたことを特徴とする。
ガスを封入した圧力容器内を、所定の位相差を有して共
振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、前記圧力容器側面の放熱面
の温度と前記ピストン及びディスプレーサの位相差の関
係をデータテーブルとして記憶するメモリと、前記放熱
面の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検
出温度に基づいて、上記データテーブルを参照して前記
ピストン及びディスプレーサの位相差を求め、前記ピス
トンの駆動電源を変更して前記リニアモータに印加する
ことにより、前記ピストン及びディスプレーサの位相差
を補正するマイコンとを備えたことを特徴とする。
【００２２】この構成によると、温度センサにより検出
された放熱面の温度からピストン及びディスプレーサの
位相差が求められる。
された放熱面の温度からピストン及びディスプレーサの
位相差が求められる。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態について
説明する。以下の実施形態において、図９に示す従来の
フリーピストン型スターリング冷凍機に共通する部品に
は、同一の符号を附している。図１は、本実施形態に係
るスターリング冷凍機の制御系統を示すブロック図であ
る。
説明する。以下の実施形態において、図９に示す従来の
フリーピストン型スターリング冷凍機に共通する部品に
は、同一の符号を附している。図１は、本実施形態に係
るスターリング冷凍機の制御系統を示すブロック図であ
る。
【００２４】マイコン３０には、制御部３１と波形ドラ
イブ部３２が内蔵されている。メモリ３３は、各種の情
報を記憶しており、制御部３１はその情報を必要に応じ
て参照することができる。このスターリング冷凍機の運
転操作は、操作表示部３４を通じて行い、その運転状態
は操作表示部３４に表示される。なお、マイコン３０
は、電源３５により駆動される。
イブ部３２が内蔵されている。メモリ３３は、各種の情
報を記憶しており、制御部３１はその情報を必要に応じ
て参照することができる。このスターリング冷凍機の運
転操作は、操作表示部３４を通じて行い、その運転状態
は操作表示部３４に表示される。なお、マイコン３０
は、電源３５により駆動される。
【００２５】ところで、リニアモータ１３を使用するフ
リーピストン型スターリング冷凍機では、その出力設定
によってピストン１のストロークが異なっている。ピス
トン１のストロークは、ピストン１の駆動電源の周波数
によって制御できる。
リーピストン型スターリング冷凍機では、その出力設定
によってピストン１のストロークが異なっている。ピス
トン１のストロークは、ピストン１の駆動電源の周波数
によって制御できる。
【００２６】ピストン１のストロークが変われば、それ
に応じてピストン支持バネ５の変位が変わる。通常、バ
ネ材の変位が変われば、そのバネ定数は変化する。特
に、部品のコストを抑えるために、安価なバネ材を使用
する場合は、バネの変位に伴うバネ定数の変化量が大き
くなくなる。このバネ定数の変化が大きくなると、ピス
トンとディスプレーサの位相差のずれも大きくなり、こ
れを無視すると、スターリング冷凍機から必要な出力が
得られなくなる。
に応じてピストン支持バネ５の変位が変わる。通常、バ
ネ材の変位が変われば、そのバネ定数は変化する。特
に、部品のコストを抑えるために、安価なバネ材を使用
する場合は、バネの変位に伴うバネ定数の変化量が大き
くなくなる。このバネ定数の変化が大きくなると、ピス
トンとディスプレーサの位相差のずれも大きくなり、こ
れを無視すると、スターリング冷凍機から必要な出力が
得られなくなる。
【００２７】図２は、SK材から成るピストン支持バネ５
のバネの変位とバネ定数との関係の一例を示す図であ
る。この図より明らかなように、バネの変位に正比例し
てバネ定数が増す傾向があり、バネの変位が8mmである
ときは、1mmのときよりもバネ定数が約１割増してい
る。
のバネの変位とバネ定数との関係の一例を示す図であ
る。この図より明らかなように、バネの変位に正比例し
てバネ定数が増す傾向があり、バネの変位が8mmである
ときは、1mmのときよりもバネ定数が約１割増してい
る。
【００２８】本実施形態のスターリング冷凍機の運転制
御方法について述べる。ピストン支持バネ５の変位とそ
のバネ材のバネ定数には、図２のように、バネ材に特有
の関係があるので、これを予めデータテーブルとしてメ
モリ３３に記憶しておく。また、このバネ定数が定まる
と、ピストン１及びディスプレーサ２の共振周波数も決
まるので、これらのバネ定数と共振周波数の関係もデー
タテーブルとしてメモリ３３に記憶しておく。
御方法について述べる。ピストン支持バネ５の変位とそ
のバネ材のバネ定数には、図２のように、バネ材に特有
の関係があるので、これを予めデータテーブルとしてメ
モリ３３に記憶しておく。また、このバネ定数が定まる
と、ピストン１及びディスプレーサ２の共振周波数も決
まるので、これらのバネ定数と共振周波数の関係もデー
タテーブルとしてメモリ３３に記憶しておく。
【００２９】上述のように、スターリング冷凍機の出力
が設定されると、ピストン１のストロークに対応するピ
ストン支持バネ５の変位が一義的に定まる。マイコン３
０内の制御部３１は、上記のデータテーブルを参照する
ことにより、ピストン支持バネ５のバネ定数、さらには
ピストン１及びディスプレーサ２の共振周波数を求め
る。そして、この共振周波数の電圧（例えば、パルス電
圧）をピストン１の駆動電源として波形ドライブ部３２
からリニアモータ１３に与える。これにより、バネの変
位によりバネ材のバネ定数が一定でなくても、ピストン
１及びディスプレーサ２の共振周波数のずれを防止で
き、スターリング冷凍機から必要な出力が安定して得ら
れるようになる。
が設定されると、ピストン１のストロークに対応するピ
ストン支持バネ５の変位が一義的に定まる。マイコン３
０内の制御部３１は、上記のデータテーブルを参照する
ことにより、ピストン支持バネ５のバネ定数、さらには
ピストン１及びディスプレーサ２の共振周波数を求め
る。そして、この共振周波数の電圧（例えば、パルス電
圧）をピストン１の駆動電源として波形ドライブ部３２
からリニアモータ１３に与える。これにより、バネの変
位によりバネ材のバネ定数が一定でなくても、ピストン
１及びディスプレーサ２の共振周波数のずれを防止で
き、スターリング冷凍機から必要な出力が安定して得ら
れるようになる。
【００３０】次に、本発明の第２の実施形態について図
面を参照して説明する。図３は、本実施形態に係るスタ
ーリング冷凍機の制御系統を示すブロック図である。背
圧空間８（図９参照）には、温度センサ３６が設けられ
ている。背圧空間８は、膨張空間９と反対側の端部でシ
リンダ３と連通する耐圧容器４内の空間であって、作動
空間（圧縮空間９と膨張空間１０）の圧力の平衡を保つ
役割をしている。この背圧空間８には、リニアモータ１
３、ピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６
が配設されている。
面を参照して説明する。図３は、本実施形態に係るスタ
ーリング冷凍機の制御系統を示すブロック図である。背
圧空間８（図９参照）には、温度センサ３６が設けられ
ている。背圧空間８は、膨張空間９と反対側の端部でシ
リンダ３と連通する耐圧容器４内の空間であって、作動
空間（圧縮空間９と膨張空間１０）の圧力の平衡を保つ
役割をしている。この背圧空間８には、リニアモータ１
３、ピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６
が配設されている。
【００３１】スターリング冷凍機の運転により、放熱面
１１から熱が放熱され、放熱面１１周辺の耐圧容器４の
温度が上昇する。放熱面１１の熱は、耐圧容器４を伝わ
り、背圧空間８の温度を上昇させる。背圧空間８の温度
が上昇すると、ピストン支持バネ５やディスプレーサ支
持バネ６の温度も上昇する。通常、これらのバネ材のバ
ネ定数は温度によって一定ではないため、ピストン１及
びディスプレーサ２の共振周波数が変化する。
１１から熱が放熱され、放熱面１１周辺の耐圧容器４の
温度が上昇する。放熱面１１の熱は、耐圧容器４を伝わ
り、背圧空間８の温度を上昇させる。背圧空間８の温度
が上昇すると、ピストン支持バネ５やディスプレーサ支
持バネ６の温度も上昇する。通常、これらのバネ材のバ
ネ定数は温度によって一定ではないため、ピストン１及
びディスプレーサ２の共振周波数が変化する。
【００３２】図４は、背圧空間８の温度とピストン１及
びディスプレーサ２の共振周波数の関係の一例を示して
いる。背圧空間８の温度が上昇すると、共振周波数は減
少する傾向がある。
びディスプレーサ２の共振周波数の関係の一例を示して
いる。背圧空間８の温度が上昇すると、共振周波数は減
少する傾向がある。
【００３３】本実施形態の運転制御方法について図４及
び図５を参照して説明する。操作表示部３４を操作し
て、初期設定（ステップＳ１）を行った後、ステップＳ
２で運転を開始する。メモリ３３は、背圧空間８の温度
とピストン１及びディスプレーサ２の共振周波数の関係
をデータテーブルとして記憶している。そして、ステッ
プＳ３で、温度センサ３６により背圧空間８の温度を検
出し、マイコン３０内の制御部３１に入力する。なお、
ステップＳ２で運転停止の操作をしたときは、マイコン
３０はリニアモータ１３へ電源を供給しない。
び図５を参照して説明する。操作表示部３４を操作し
て、初期設定（ステップＳ１）を行った後、ステップＳ
２で運転を開始する。メモリ３３は、背圧空間８の温度
とピストン１及びディスプレーサ２の共振周波数の関係
をデータテーブルとして記憶している。そして、ステッ
プＳ３で、温度センサ３６により背圧空間８の温度を検
出し、マイコン３０内の制御部３１に入力する。なお、
ステップＳ２で運転停止の操作をしたときは、マイコン
３０はリニアモータ１３へ電源を供給しない。
【００３４】制御部３１は、上記のデータテーブルを参
照することにより、背圧空間８の温度に対応した共振周
波数を割り出し、この共振周波数の電圧（例えば、パル
ス電圧）をピストン１の駆動電源としてリニアモータ１
３に印加する。すなわち、ステップＳ４で温度が下降し
ていれば、共振周波数を上げ（ステップＳ５）、逆に温
度が上昇していれば、共振周波数を下げる（ステップＳ
６）。これにより、バネ定数がバネ材の温度により一定
でなくても、ピストン１及びディスプレーサ２の共振周
波数のずれを防止でき、スターリング冷凍機から必要な
出力が安定して得られるようになる。
照することにより、背圧空間８の温度に対応した共振周
波数を割り出し、この共振周波数の電圧（例えば、パル
ス電圧）をピストン１の駆動電源としてリニアモータ１
３に印加する。すなわち、ステップＳ４で温度が下降し
ていれば、共振周波数を上げ（ステップＳ５）、逆に温
度が上昇していれば、共振周波数を下げる（ステップＳ
６）。これにより、バネ定数がバネ材の温度により一定
でなくても、ピストン１及びディスプレーサ２の共振周
波数のずれを防止でき、スターリング冷凍機から必要な
出力が安定して得られるようになる。
【００３５】次に、本発明の第３の実施形態について図
面を参照して説明する。図６は、本実施形態に係るスタ
ーリング冷凍機の制御系統のブロック図である。耐圧容
器４（図９参照）内には、ピストン１とディスプレーサ
２の位相検知手段３７，３８がそれぞれ設けられてい
る。位相検知手段としては、加速度ピックアップ、リニ
アゲージ、磁気センサ等の変位を検出するものであれば
よい。
面を参照して説明する。図６は、本実施形態に係るスタ
ーリング冷凍機の制御系統のブロック図である。耐圧容
器４（図９参照）内には、ピストン１とディスプレーサ
２の位相検知手段３７，３８がそれぞれ設けられてい
る。位相検知手段としては、加速度ピックアップ、リニ
アゲージ、磁気センサ等の変位を検出するものであれば
よい。
【００３６】上記の通り、ピストン支持バネ５やディス
プレーサ支持バネ６のバネ定数は、バネの変位や温度に
より変動するので、ピストン１及びディスプレーサ２の
位相差も初期値からずれる。ずれた位相差は元に戻さね
ば、スターリング冷凍機から所望の冷却性能が得られな
くなる。
プレーサ支持バネ６のバネ定数は、バネの変位や温度に
より変動するので、ピストン１及びディスプレーサ２の
位相差も初期値からずれる。ずれた位相差は元に戻さね
ば、スターリング冷凍機から所望の冷却性能が得られな
くなる。
【００３７】本実施形態の運転制御方法について述べ
る。位相検知手段３７，３８は、ピストン１とディスプ
レーサ２の位相をそれぞれ検知し、マイコン３０内の制
御部３１に入力する。制御部３１は、それに基づいてピ
ストン１及びディスプレーサ２の位相差を求める。ここ
で、ピストン１及びディスプレーサ２の位相差とピスト
ン１の駆動電源の周波数との間には比例関係がある。
る。位相検知手段３７，３８は、ピストン１とディスプ
レーサ２の位相をそれぞれ検知し、マイコン３０内の制
御部３１に入力する。制御部３１は、それに基づいてピ
ストン１及びディスプレーサ２の位相差を求める。ここ
で、ピストン１及びディスプレーサ２の位相差とピスト
ン１の駆動電源の周波数との間には比例関係がある。
【００３８】そこで、制御部３１は、求めた位相差に応
じて、ピストン１の駆動電源の周波数を変更して、波形
ドライブ部３２からリニアモータ１３に印加する。これ
により、バネ定数がバネ材のバネの変位や温度により一
定でなくても、ピストン１及びディスプレーサ２の位相
差の変動を修正でき、スターリング冷凍機から必要な出
力が安定して得られるようになる。
じて、ピストン１の駆動電源の周波数を変更して、波形
ドライブ部３２からリニアモータ１３に印加する。これ
により、バネ定数がバネ材のバネの変位や温度により一
定でなくても、ピストン１及びディスプレーサ２の位相
差の変動を修正でき、スターリング冷凍機から必要な出
力が安定して得られるようになる。
【００３９】次に、本発明の第４の実施形態について図
面を参照して説明する。図７は、本実施形態のスターリ
ング冷凍機の制御系統のブロック図である。耐圧容器４
（図９参照）先端の冷却面７には、温度センサ３９が設
けられている。この温度センサ３９は、冷却面７の温度
を検知して、マイコン３０内の制御部３１に入力する。
面を参照して説明する。図７は、本実施形態のスターリ
ング冷凍機の制御系統のブロック図である。耐圧容器４
（図９参照）先端の冷却面７には、温度センサ３９が設
けられている。この温度センサ３９は、冷却面７の温度
を検知して、マイコン３０内の制御部３１に入力する。
【００４０】ここで、冷却面７や放熱面１１の温度は、
スターリング冷凍機が所定の出力で運転されていれば、
理想的には一定である。しかし、上述のように、ピスト
ン支持バネ５やディスプレーサ支持バネ６のバネ定数が
変化するので、ピストン１及びディスプレーサ２の位相
差に狂いが生ずる。この結果、圧縮空間９や膨張空間１
０における作動ガスの圧力変化が理想的なサイクルから
外れ、冷却面７や放熱面１１の温度は一定ではなくな
る。
スターリング冷凍機が所定の出力で運転されていれば、
理想的には一定である。しかし、上述のように、ピスト
ン支持バネ５やディスプレーサ支持バネ６のバネ定数が
変化するので、ピストン１及びディスプレーサ２の位相
差に狂いが生ずる。この結果、圧縮空間９や膨張空間１
０における作動ガスの圧力変化が理想的なサイクルから
外れ、冷却面７や放熱面１１の温度は一定ではなくな
る。
【００４１】図８は、冷却面７の温度とピストン１及び
ディスプレーサ２の位相差との関係の一例を示してい
る。冷却面７の温度が上がると、位相差は小さくなる傾
向がある。
ディスプレーサ２の位相差との関係の一例を示してい
る。冷却面７の温度が上がると、位相差は小さくなる傾
向がある。
【００４２】本実施形態の運転制御方法について説明す
る。メモリ３３は、冷却面７の温度とピストン１及びデ
ィスプレーサ２の位相差の関係をデータテーブルとして
記憶している。ここで、位相差とピストン１の駆動電源
の周波数との間には比例関係がある。
る。メモリ３３は、冷却面７の温度とピストン１及びデ
ィスプレーサ２の位相差の関係をデータテーブルとして
記憶している。ここで、位相差とピストン１の駆動電源
の周波数との間には比例関係がある。
【００４３】そこで、制御部３１は、温度センサ３９が
検知した冷却面７の温度に基づき、上記のデータテーブ
ルを参照して位相差を割り出し、ピストン１の駆動電源
の周波数を変更して、波形ドライブ部３２からリニアモ
ータ１３に印加する。これにより、バネ定数がバネ材の
バネの変位や温度により一定でなくても、ピストン１及
びディスプレーサ２の位相差の変動を修正でき、スター
リング冷凍機から必要な出力が安定して得られるように
なる。
検知した冷却面７の温度に基づき、上記のデータテーブ
ルを参照して位相差を割り出し、ピストン１の駆動電源
の周波数を変更して、波形ドライブ部３２からリニアモ
ータ１３に印加する。これにより、バネ定数がバネ材の
バネの変位や温度により一定でなくても、ピストン１及
びディスプレーサ２の位相差の変動を修正でき、スター
リング冷凍機から必要な出力が安定して得られるように
なる。
【００４４】なお、本実施形態では、冷却面７の温度を
検知するようにしたが、放熱面１１に温度センサを設
け、放熱面１１の検出温度に基づいてピストン１及びデ
ィスプレーサ２の位相差の変動を修正するようにしても
よい。
検知するようにしたが、放熱面１１に温度センサを設
け、放熱面１１の検出温度に基づいてピストン１及びデ
ィスプレーサ２の位相差の変動を修正するようにしても
よい。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように本発明によると、バ
ネ定数がバネ材のバネの変位や温度により一定でなくて
も、ピストン及びディスプレーサの共振周波数のずれを
防止したり、位相差の変動を修正することができる。し
たがって、スターリング冷凍機から必要な出力が安定し
て得られるようになる。
ネ定数がバネ材のバネの変位や温度により一定でなくて
も、ピストン及びディスプレーサの共振周波数のずれを
防止したり、位相差の変動を修正することができる。し
たがって、スターリング冷凍機から必要な出力が安定し
て得られるようになる。
【図１】 本発明の第１の実施形態に係るスターリング
冷凍機の制御系統を示すブロック図である。
冷凍機の制御系統を示すブロック図である。
【図２】 ピストン支持バネのバネの変位とバネ定数と
の関係の一例を示す図である。
の関係の一例を示す図である。
【図３】 本発明の第２の実施形態に係るスターリング
冷凍機の制御系統を示すブロック図である。
冷凍機の制御系統を示すブロック図である。
【図４】 背圧空間の温度とピストン及びディスプレー
サの共振周波数との関係の一例を示す図である。
サの共振周波数との関係の一例を示す図である。
【図５】 スターリング冷凍機の運転制御の流れを示す
フローチャートである。
フローチャートである。
【図６】 本発明の第３の実施形態に係るスターリング
冷凍機の制御系統を示すブロック図である。
冷凍機の制御系統を示すブロック図である。
【図７】 本発明の第４の実施形態に係るスターリング
冷凍機の制御系統を示すブロック図である。
冷凍機の制御系統を示すブロック図である。
【図８】 冷却面の温度とピストン及びディスプレーサ
の位相差との関係の一例を示す図である。
の位相差との関係の一例を示す図である。
【図９】 従来のフリーピストン型スターリング冷凍機
の構成を示す縦断面図である。
の構成を示す縦断面図である。
【図１０】 シリンダ内で共振するピストン及びディス
プレーサの位相の一例を示す図である。
プレーサの位相の一例を示す図である。
１ ピストン
２ ディスプレーサ
４ 耐圧容器
５ ピストン支持バネ
６ ディスプレーサ支持バネ
７ 冷却面
１１ 放熱面
１３ リニアモータ
３０ マイコン
３３ メモリ
Claims (5)
- 【請求項１】 作動ガスを封入した圧力容器内を、所定
の位相差を有して共振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、前記ピ
ストンのストロークと前記ピストンの支持バネのバネ定
数との関係ならびにこのバネ定数と前記ピストン及びデ
ィスプレーサの共振周波数との関係をデータテーブルと
して記憶するメモリと、スターリング冷凍機の出力設定
に基づいて決定される前記ピストンのストロークから前
記支持バネのバネ定数を前記データテーブルを参照して
導き、さらにこのバネ定数から共振周波数を前記データ
テーブルを参照して求め、この共振周波数を前記ピスト
ンの駆動電源の周波数として前記リニアモータに印加す
るマイコンとを備えたことを特徴とするスターリング冷
凍機。 - 【請求項２】 作動ガスを封入した圧力容器内を、所定
の位相差を有して共振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、前記リ
ニアモータを収納する背圧空間の温度と前記ピストン及
びディスプレーサの共振周波数との関係をデータテーブ
ルとして記憶するメモリと、前記背圧空間の温度を検出
する温度センサと、この温度センサの検出温度に基づい
て共振周波数を前記データテーブルを参照して求め、こ
の共振周波数を前記ピストンの駆動電源の周波数として
前記リニアモータに印加するマイコンとを備えたことを
特徴とするスターリング冷凍機。 - 【請求項３】 作動ガスを封入した圧力容器内を、所定
の位相差を有して共振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、前記ピ
ストンとディスプレーサの位相を検知する位相検知セン
サと、この位相検知センサの検知した位相に基づいて、
前記ピストンの駆動電源を変更して前記リニアモータに
印加することにより、前記ピストン及びディスプレーサ
の位相差を補正するマイコンとを備えたことを特徴とす
るスターリング冷凍機。 - 【請求項４】 作動ガスを封入した圧力容器内を、所定
の位相差を有して共振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、前記圧
力容器先端の冷却面の温度と前記ピストン及びディスプ
レーサの位相差の関係をデータテーブルとして記憶する
メモリと、前記冷却面の温度を検出する温度センサと、
この温度センサの検出温度に基づいて、上記データテー
ブルを参照して前記ピストン及びディスプレーサの位相
差を求め、前記ピストンの駆動電源を変更して前記リニ
アモータに印加することにより、前記ピストン及びディ
スプレーサの位相差を補正するマイコンとを備えたこと
を特徴とするスターリング冷凍機。 - 【請求項５】 作動ガスを封入した圧力容器内を、所定
の位相差を有して共振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、前記圧
力容器側面の放熱面の温度と前記ピストン及びディスプ
レーサの位相差の関係をデータテーブルとして記憶する
メモリと、前記放熱面の温度を検出する温度センサと、
この温度センサの検出温度に基づいて、上記データテー
ブルを参照して前記ピストン及びディスプレーサの位相
差を求め、前記ピストンの駆動電源を変更して前記リニ
アモータに印加することにより、前記ピストン及びディ
スプレーサの位相差を補正するマイコンとを備えたこと
を特徴とするスターリング冷凍機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001389867A JP2003185284A (ja) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | スターリング冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001389867A JP2003185284A (ja) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | スターリング冷凍機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003185284A true JP2003185284A (ja) | 2003-07-03 |
Family
ID=27597959
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001389867A Pending JP2003185284A (ja) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | スターリング冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003185284A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1643194A1 (en) * | 2003-07-08 | 2006-04-05 | Sharp Kabushiki Kaisha | Stirling engine |
| JP2007526962A (ja) * | 2004-02-05 | 2007-09-20 | マイクロゲン エナジー リミテッド | 既存の交流電流を有する回路に原動機駆動のオルタネータを接続するための装置 |
| US7775041B2 (en) | 2005-01-18 | 2010-08-17 | Sharp Kabushiki Kaisha | Stirling engine |
| JP2013502553A (ja) * | 2009-08-21 | 2013-01-24 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法ならびにこれに適した冷却装置 |
| JP2015052426A (ja) * | 2013-09-06 | 2015-03-19 | 株式会社東芝 | 冷凍機 |
| CN106208547A (zh) * | 2016-07-18 | 2016-12-07 | 瑞声科技(新加坡)有限公司 | 线性振动系统、电子终端及线性振动系统的参数存储方法 |
-
2001
- 2001-12-21 JP JP2001389867A patent/JP2003185284A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1643194A1 (en) * | 2003-07-08 | 2006-04-05 | Sharp Kabushiki Kaisha | Stirling engine |
| EP1643194A4 (en) * | 2003-07-08 | 2007-10-17 | Sharp Kk | ENGINE STIRLING |
| JP2007526962A (ja) * | 2004-02-05 | 2007-09-20 | マイクロゲン エナジー リミテッド | 既存の交流電流を有する回路に原動機駆動のオルタネータを接続するための装置 |
| US7775041B2 (en) | 2005-01-18 | 2010-08-17 | Sharp Kabushiki Kaisha | Stirling engine |
| JP2013502553A (ja) * | 2009-08-21 | 2013-01-24 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法ならびにこれに適した冷却装置 |
| US8707717B2 (en) | 2009-08-21 | 2014-04-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for operating a cooling device for cooling a superconductor and cooling device suitable therefor |
| JP2015052426A (ja) * | 2013-09-06 | 2015-03-19 | 株式会社東芝 | 冷凍機 |
| CN106208547A (zh) * | 2016-07-18 | 2016-12-07 | 瑞声科技(新加坡)有限公司 | 线性振动系统、电子终端及线性振动系统的参数存储方法 |
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