JP2005009353A

JP2005009353A - Stirling engine

Info

Publication number: JP2005009353A
Application number: JP2003172314A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Murakami; 治彦村上
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-13

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Stirling engine with improved drive efficiency. <P>SOLUTION: A control device for a Stirling refrigerator has frequency changing parts (ST5, ST8) for changing the frequency of alternating-current power, and load calculating parts (ST2, ST6, ST9) for calculating load on the Stirling engine. The frequency changing parts change the frequency of the alternating-current power so that the load calculated by the load calculating means becomes small (ST11 to ST16). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストン型のスターリング機関の制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スターリング機関の一例として、スターリング冷凍機が用いられている。以下、スターリング冷凍機を例にして、従来のスターリング機関の構造、機能および問題点を述べる。
【０００３】
スターリング冷凍機は、作動媒体として、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガスなどといった地球環境に悪影響を与えないガスを用いることによって低温を得る冷凍機である。この冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機とその圧縮機から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張機とを組み合わせたものである。この圧縮機においては、ガス圧の値がサインカーブを描く所定の周期で経時変化するように、冷媒ガスが圧縮される。
【０００４】
このサインカーブは、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式のインバータにより発生させた交流電圧波形でリニアモータを駆動することにより得られる。ＰＷＭインバータでは、数十ヘルツの交流電圧波形を得るために、十数キロヘルツの周期パルスが用いられる。この十数キロヘルツのパルスの幅がコントロールされることにより、所定の交流電圧の波形が得られる。
【０００５】
一方、膨張機は、先端が閉塞されたシリンダと、そのシリンダ内に往復運動可能に嵌装され、シリンダ内を先端側の膨張室および基端側の作動室に区画形成するフリーディスプレーサと、そのフリーディスプレーサの往復運動を可能にするためにフリーディスプレーサを弾性的に支持するスプリングとを備えている。
【０００６】
また、作動室は、圧縮機に接続されており、圧縮機からの冷媒ガス圧によりディスプレーサを往復運動させて冷媒ガスを膨張させる。それにより、シリンダ先端のコールドヘッドの近傍に冷気を発生させる。
【０００７】
なお、この方式のスターリング冷凍機は、フリーピストン型スターリング冷凍機と呼ばれている。
【０００８】
一般に、フリーピストン型冷凍機は、作動室の温度状態に応じて可動部分が最大の効率を得られる周波数で共振するように、ピストンに連結されたスプリングのバネ定数およびディスプレーサに連結されたスプリングのバネ定数と可動部分の質量（マス）が所定の値に設定されている。
【０００９】
しかしながら、スプリングのバネ定数等が経年により変化した場合、または、負荷変動による温度の状態変化等により、可動部分が共振しない事態が発生した場合には、可動部分の周波数を変化させることにより、可動部分を再度共振させるように設定し直す必要がある。
【００１０】
バネ常数が変化する問題を解決するための手法が、特開２０００−１９９６５３号公報に開示されている。これによれば、まず、バネ常数が変化することに起因して可動部が共振しなくなった場合、膨張空間および圧縮空間それぞれの温度を検知する。それにより、冷凍機の各部の温度がそれぞれ一定の温度になっているか否かを判断する。冷凍機の各部の温度が一定の温度になっている場合、冷凍機の負荷が一定になったと判断する。
【００１１】
次に、冷凍機の負荷が一定になった状態で、バネ常数の変化を検出する。バネ定数の変化は、振動センサーによる振動量の大小または電流センサーによる電流値の大小により検出される。これにより、検出されたバネ定数の変化に応じて、最適な周波数でピストンを駆動する。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−１９９６５３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在では、バネの材料またはバネの形状に技術的な改良が加えられたため、バネ定数の経年変化の度合いは小さくなっている。
【００１４】
つまり、可動部の周波数を変化させる要因としては、バネ定数の経年変化以外の要因の方が大きくなっている。具体的に言うと、ピストンおよびディスプレーサの相対的な位置関係の変化の方が、バネ定数の変化に比較して、大きなものとなっている。
【００１５】
すなわち、共振周波数を決定する新たな要因として、ピストンおよびディスプレーサの相対的な位置関係、すなわち冷凍機の“負荷”が大きなものとなっている。
【００１６】
したがって。スターリング冷凍機のバネ定数の変化に関わらず、スターリング冷凍機の“負荷”が変化しても共振状態を維持させることにより、さらにスターリング冷凍機の冷凍能力を向上させることが望まれている。つまり、スターリング機関一般について言えば、ピストンおよびディスプレーサの駆動効率をさらに向上させることが望まれている。
【００１７】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動効率がさらに向上したスターリング機関を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスターリング機関は、ピストンに駆動力を与えることにより、ピストンとディスプレーサとが位相差を有しながら同軸上を所定の周期で往復運動し、当該往復運動に起因して、熱交換媒体の熱交換サイクルが形成されるものである。
【００１９】
当該スターリング機関は、ピストンに与える駆動力を生成するリニアモータと、リニアモータに駆動力を与えるための交流電力を生成する交流電源と、交流電力の制御を行なう制御装置とを備えている。また、制御装置は、交流電力の周波数を変更する周波数変更部と、当該スターリング機関にかかる負荷を算出する負荷算出部とを含んでいる。さらに、周波数変更部が、負荷算出部により算出された負荷に基づいて、交流電力の周波数を変更する。
【００２０】
上記の構成によれば、バネ定数の変化に関わらず、容易にピストンの駆動効率を向上させる制御を実行することができる。
【００２１】
また、当該スターリング機関は、制御装置が、交流電力の電流の位相と電圧の位相との差を検出する電流電圧位相差検出部をさらに含んでおり、周波数変更部が、電流電圧位相差が小さくなるように、交流電力の周波数を変更するものであることが望ましい。
【００２２】
このようにすれば、電流の位相と電圧の位相との差を直接検出し、それを小さくすることができるため、よりピストンの駆動効率を向上させることができる。
【００２３】
前述のスターリング機関は、電流電圧位相差として、電流波形のピークのタイミングと電圧波形のピークのタイミングとの差を用いるものである。このようにすれば、容易な処理で電流電圧位相差を算出する。
【００２４】
また、スターリング機関は、熱交換サイクルにおいて冷媒が圧縮される圧縮空間と、熱交換サイクルにおいて冷媒が膨張する膨張空間と、熱交換サイクルを構成する圧縮空間とはピストンを介して隔たれた背面空間とをさらに備えているものである。このような構成において、当該スターリング機関は、負荷算出手段が、圧縮空間の温度、膨張空間の温度、および背面空間の温度のうち少なくともいずれか２つの温度を用いて、負荷を算出してもよい。
【００２５】
上記の構成によれば、圧縮空間の温度、膨張空間の温度、および背面空間の温度というスターリング機関にかかる負荷が適正に反映された情報を用いて、ピストンの駆動効率を向上させることができる。また、電流電圧位相差を算出する複雑な処理を実行することなく、負荷を算出することができる。
【００２６】
また、負荷算出手段は、当該スターリング機関の運転開始から所定時間までは、膨張空間の温度と背面空間の温度とを用いて負荷を算出し、所定時間の経過後においては、膨張空間の温度と圧縮空間の温度とを用いて負荷を算出するものであることが望ましい。
【００２７】
この構成によれば、運転を開始した直後のスターリング冷凍機の状態が不安定な期間においては、膨張空間の温度と背面空間の温度とを負荷の算出に用い、スターリング冷凍機の状態が安定した後には、膨張空間の温度と圧縮空間の温度とを負荷の算出に用いる。それにより、運転が開始された直後の期間および運転が安定した期間のそれぞれに応じてスターリング冷凍機にかかる負荷を適切に推定することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて、本発明のスターリング機関を、スターリング冷凍機を例に挙げて説明する。
【００２９】
各実施の形態のスターリング冷凍機を説明する前に、まず、各実施の形態のスターリング冷凍機に共通する構造および機能を詳細に説明する。
【００３０】
図１は、実施の形態のスターリング冷凍機４０を示す断面図である。スターリング冷凍機４０は、軸方向に分割された略円筒形状のシリンダ３内に、円柱形のピストン１およびディスプレーサ２が内嵌されている。ピストン１とディスプレーサ２とは圧縮空間９を介して同軸（Ｘ）に配置されている。
【００３１】
ディスプレーサ２の先端側に膨張空間１０が形成されている。圧縮空間９と膨張空間１０とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１１により連通している。媒体流通路１１内には、作動媒体の熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器１２が配されている。シリンダ３の略中間には鍔部（フランジ）３ａが突設されている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられ、内部を密閉してバウンス空間（背面空間）８が形成されている。
【００３２】
ピストン１は後端でピストン支持バネ５と一体化され、ディスプレーサ２はピストン１の中心孔１ａを貫通するロッド２ａを介してディスプレーサ支持バネ６と一体化されている。ピストン支持バネ５とディスプレーサ支持バネ６とはボルト・ナット２２により連結されている。後述するように、ピストン１が往復運動すると、ディスプレーサ２は、ピストン１との間に生じる慣性力によってピストン１に対して所定の位相差を有して往復運動を行うようになっている。
【００３３】
バウンス空間８内のシリンダ３には内側ヨーク１８が外嵌されている。内側ヨーク１８には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対峙している。外側ヨーク１７には駆動用コイル１６が内装され、隙間１９には環状の永久磁石１５が移動可能に配されている。永久磁石１５はカップ状のスリーブ１４を介してピストン１と一体化されている。これにより、駆動用コイル１６に電圧を印加することによってピストン１を軸方向に移動させるリニアモータ１３が構成されている。
【００３４】
駆動用コイル１６には、リード線２０、２１が接続されている。リード線２０，２１は、耐圧容器４の壁面をハーメチックシール端子３７（図２参照）を介して貫通し、制御ボックス３０に接続されている。制御ボックス３０によってリニアモータ１３の駆動電源が供給されるようになっている。
【００３５】
上記構成のスターリング冷凍機４０は、リニアモータ１３によってピストン１が往復運動すると、ピストン１に対して所定の位相差でディスプレーサ２が往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間１０との間を作動媒体が移動することにより、逆スターリングサイクルが構成される。
【００３６】
図２は、制御ボックス３０とスターリング冷凍機４０との接続状態を示す図である。スターリング冷凍機４０には、膨張空間１０、圧縮空間９、バウンス空間８の温度Ｔｃ、Ｔｈ、Ｔｂをそれぞれ検知する温度センサ３４、３５、３６が取り付けられている。
【００３７】
制御ボックス３０には温度センサ３４、３５、３６の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換するＴｃＡ／Ｄ変換部１０８、ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、ＴｂＡ／Ｄ変換部１１０が設けられている。また、リード線２０，２１を介してハーメチックシール端子３７にはリニアモータ駆動用電圧出力部１０１が接続されている。リニアモータ駆動用電圧出力部１０１は、リニアモータ１３の駆動電圧を出力する。
【００３８】
図３は、制御ボックス３０の更に詳細を示すブロック図である。制御ボックス３０には、各種演算等を行うマイクロコンピュータ１０４が設けられる。マイクロコンピュータ１０４には、制御ボックス３０の各部に電源を供給する電源部１０５が接続されている。
【００３９】
また、マイクロコンピュータ１０４には、電源部１０５の入力電圧を検出する電圧センサー（不図示）の検出値をＡ／Ｄ変換して入力する電圧値入力部１０２及びリニアモータ１３の電流を検出する電流センサ３３の検出値をＡ／Ｄ変換して入力する電流値入力部１０３が接続されている。更に、制御ボックス３０をリセットするリセット部１０６、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）インバーター波形を生成するための発振部１０７、および書換可能な不揮発性記憶素子（ＥＥＰＲＯＭ）から成る記憶部１１１がマイクロコンピュータ１０４に接続されている。
【００４０】
この記憶部１１１には、少なくとも各スターリング冷凍機に応じた、入力電圧と出力の関係が記憶される。図１に示したようなフリーピストン形のスターリング冷凍機においては、ディスプレーサがピストンの往復運動に基づく圧縮空間９および膨張空間１０の圧力変動を動力として往復運動するため、媒体流通路１１を通過する冷媒の流動抵抗の変化等の要因により、入力電圧に対するディスプレーサの移動量が各スターリング冷凍機によってばらつくことがある。このばらつきは、一定の入力電圧を各スターリング冷凍機に与えた場合には、出力が異なることを示す。そこで、各スターリング冷凍機の出力を正確に制御するために、例えばエージング試験を行う際に、そのスターリング冷凍機に応じた入力電圧と出力との関係を予め測定し、その測定結果を記憶させるようにする。そして、マイクロコンピュータ１０４は、この関係を用いてリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力する電圧をコントロールする。
【００４１】
後述するように、電圧値入力部１０２からの入力に応じてマイクロコンピュータ１０４から電源部１０５に制御信号が送信される。これにより、電源部１０５の出力電圧が制御される。また、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１は、マイクロコンピュータ１０４の制御によって電源部１０５の出力電圧をＰＷＭインバーター波形に変換してリニアモータ１３に供給するようになっている。
【００４２】
図４は、マイクロコンピュータ１０４の内部構成を示すブロック図である。マイクロコンピュータ１０４内には、制御プログラムが記憶された読出し専用のＲＯＭ１２１、演算の一時記憶を行うＲＡＭ１２２、運転時間等を計時するタイマー１２３、および入出力用のＩ／Ｏポート１２５がＣＰＵ１２４に接続されている。ＣＰＵ１２４がＲＯＭ１２１から読出した制御プログラムを実行することにより、スターリング冷凍機４０の制御が行われる。
【００４３】
上述の本実施の形態のスターリング冷凍機４０は、所定の交流波形の駆動電圧がリニアモータ１３に印加されると、ピストン１がその所定の交流波形の駆動電圧に対応した周期および振幅で往復運動を行う。したがって、リニアモータ１３に印加される駆動電圧を制御することにより、ピストン１の往復運動の周期および振幅を制御することが可能である。
【００４４】
次に、上記本実施の形態のフリーピストン型スターリング冷凍機の動作原理をより詳細に説明する。
【００４５】
ピストン１は、リニアモータ４により駆動される。ピストン１は、共振用バネ１０に弾性的に支持されている。そのため、ピストン１は、その位置と時間との関係が正弦波を描くように運動する。
【００４６】
また、ピストン１の動きにより、圧縮空間９内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。圧縮空間９内で圧縮された作動ガスは、まず、放熱部１１で熱を放出する。次に、圧縮された作動ガスは、ディスプレーサ２の周囲に設けられた再生器１３で予冷される。その後、圧縮された作動ガスは、再生器１３から膨張空間５へ流入する。
【００４７】
膨張空間５の作動ガスは、ディスプレーサ２の動きにより膨張する。膨張した作動ガスは、その温度が低下する。膨張空間５内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。膨張空間５内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波は、圧縮空間６内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波に対して、所定の位相差を有するが、同じ周期である。すなわちディスプレーサ２はピストン１に対して所定の位相差を有する状態で往復運動する。
【００４８】
膨張空間５における冷凍能力は、ディスプレーサ２の往復運動によって生じる膨張空間１０内の作動ガスの圧力の変動の度合いによって決定される。また、膨張空間１０の圧力は、ピストン１の位相とディスプレーサ２の位相との差の変化、すなわち膨張空間１０の圧力と圧縮空間９の圧力との差によって生じるディスプレーサ２とピストン１との相対的な位置の差の変化によって変動する。
【００４９】
ディスプレーサ２とピストン１との相対的位置の差は、ディスプレーサ２の質量、共振用バネ９のバネ定数およびピストンの駆動周波数により決定される。また、ディスプレーサ２の質量および共振用バネ９のバネ定数は、設計時に決定されるものであり、これを運転時に変更することはできない。
【００５０】
そこで、本実施の形態のスターリング冷凍機では、上述したように、図４に示すインバータ波形を出力する制御ボックス３０（この内部には、電流センサ３３を内蔵している。）とスターリング冷凍機の吸熱用熱交換部としての膨張空間１０の温度を測定するためのサーミスタ回路（Ｔｃサーミスタ）と、放熱用熱交換部としての圧縮空間９の温度を測定するためのサーミスタ回路（Ｔｈサーミスタ）とバウンス空間８の温度を測定するためのサーミスタ回路（Ｔｂサーミスタ）とが設けられている。
【００５１】
なお、本実施の形態および後述する各実施の形態においては、上記制御ボックス３０内のマイクロコンピュータ１０４が、ＴｃＡ／Ｄ変換部、ＴｈＡ／Ｄ変換部、ＴｂＡ／Ｄ変換部１０８，１０９，１１０を介して得られた各サーミスタ回路の情報および電流センサ３３の情報等を用いて、ピストン１を駆動する駆動電圧をリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力する。
【００５２】
マイクロコンピュータ１０４から出力される電圧波形は、デジタル信号すなわちパルス波形である。このパルス波形をリニアモータ駆動用電圧出力部１０１においてアナログ信号すなわち正弦波に変換する。この正弦波の周波数が、スターリング冷凍機のピストン１の駆動周波数になる。
【００５３】
なお、デジタル信号をアナログ信号に変換するときには、上述したようにＰＷＭが用いられる。つまり、マイクロコンピュータ１０４から順次出力される複数のパルスは、その幅が、小さいものから大きなものへと除々に変化し、ピークの幅になった後、除々に小さなものへと戻っていくことにより、交流波形を生成している。
【００５４】
以下、各実施の形態のスターリング冷凍機を説明する。
（実施の形態１）
図５を用いて、実施の形態１のスターリング冷凍機の特徴を説明する。
一般に、冷凍機にかかる負荷が一定の場合であって、ピストン１とディスプレーサ２とが共振している状態では、電気的にみれば、本来モータ（コイル）が有しているインダクタンス成分（Ｌ成分）がゼロである状態と同じ状態になっていると考えられる。このとき、ピストン１を駆動するための電力の電圧の位相と電流の位相との差はゼロである。このことを利用して、ピストン１とディスプレーサ２とが共振しているかどうかを判断する。
【００５５】
本実施の形態のスターリング冷凍機では、駆動電圧の周波数（以下、「駆動周波数」という。）の変更により、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差を小さくする。
【００５６】
より具体的には、図５のフローチャートに示すように、次のような処理が実行される。
【００５７】
まず、ＳＴ１において、ピストン１を駆動するためにリニアモータ駆動用電圧出力部１０１の電圧が所定値ＶＡより大きくなっているか否かが判別される。ＳＴ１において、電圧が所定値ＶＡ以下であれば、最適周波数決定処理は終了となる。ＳＴ１において、電圧が所定値ＶＡよりも大きければ、ＳＴ２において位相差測定処理が実行される。
【００５８】
位相差測定処理においては、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力される電圧（以下、「駆動電圧」という。）の位相と、その駆動電圧により生じる電流（以下、「駆動電流」という。）の位相との差（以下、「電流電圧位相差」という。）が測定される。電流電圧位相差が小さくなるようにピストン１の駆動周波数が制御されれば、効率良くスターリング冷凍機が運転されることになる。
【００５９】
なお、駆動電圧の位相は、マイクロコンピュータ１０４により予め決定されている。また、駆動電流は、図３に示す電流センサ３３および電流値入力部１０３を介してマイクロコンピュータ１０４に入力される。そのため、マイクロコンピュータ１０４は、駆動電流の位相の情報を常時得ている。また、電流電圧位相差の測定は、半サイクル毎に行われる。
【００６０】
次に、ステップＳＴ３において、電流電圧位相差が、所定値（例えば、位相角１５°）以上であるか否かが判別される。電流電圧位相差の大きさが所定値以上の場合には、ステップＳＴ４において、その時の駆動周波数がｆ０としてＲＡＭ１２２に記憶される。また、ステップＳＴ４においては、その時の電流電圧位相差がｐｈ０としてＲＡＭ１２２に記憶される。なお、ステップＳＴ３において、電流電圧位相差が所定値以上でない場合には、ステップＳＴ１の処理が実行される。
【００６１】
次に、ステップＳＴ５において、たとえば、１０サイクルの間、ｆ０＋Δｆ（たとえば、Δｆ＝０．１Ｈｚ）の駆動周波数でピストン１が駆動される。次に、ステップＳＴ６において、ｆ０＋Δｆの駆動周波数でピストン１が駆動された場合の電流電圧位相差が測定される。それにより、ステップＳＴ７において、ステップＳＴ６において測定された電流電圧位相差がｐｈ１としてＲＡＭ１２２に記憶される。
【００６２】
次に、ステップＳＴ８において、たとえば、１０サイクルの間、ｆ０−Δｆの駆動周波数でピストン１が駆動される。それにより、ステップＳＴ９において、そのときの電流電圧位相差が測定される。次に、ステップＳＴ１０において、ステップＳＴ９において測定された電流電圧位相差がｐｈ２としてＲＡＭ１２２に記憶される。
【００６３】
次に、電流電圧位相差ｐｈ０、ｐｈ１、およびｐｈ２が比較される。それにより、電流電圧位相差ｐｈ０、ｐｈ１、およびｐｈ２のうちいずれが最小値であるかが判別される。それにより、最適周波数決定処理は、次の３つのパターンに分類される。すなわち、電流電圧位相差ｐｈ１が最小値である場合がパターンＡとされ、電流電圧位相差ｐｈ２が最小値である場合がパターンＢとされ、電流電圧位相差ｐｈ０が最小値である場合がパターンＣとされる。
【００６４】
ステップＳＴ１１において、電流電圧位相差ｐｈ１が最小値であるか否かが判別される。ステップＳＴ１１において、ｐｈ１が最小値であると判別された場合には、ステップＳＴ１２において、パターンＡが実行される、すなわち、ピストン１が駆動周波数ｆ０＝ｆ０＋Δｆで駆動される。その後、再度、ステップＳＴ２の位相差測定処理が実行される。
【００６５】
ステップＳＴ１１において、電流電圧位相差ｐｈ１が最小値でないと判定された場合には、ステップＳＴ１３において、電流電圧位相差ｐｈ２が最小値であるか否かが判別される。
【００６６】
ステップＳＴ１３において電流電圧位相差ｐｈ２が最小値であると判別された場合には、ステップＳＴ１４において、パターンＢの処理が実行される、すなわち、駆動周波数ｆ０＝ｆ０−Δｆでピストン１が駆動される。その後、再度、ステップＳＴ２の位相差測定処理が実行される。
【００６７】
また、ステップＳＴ１３において、電流電圧位相差ｐｈ２が最小値でないと判定された場合には、ＳＴ１５においてｐｈ０が最小値であるとみなされ、パターンＣの処理が実行される。そのため、ステップＳＴ１６において、今現在の駆動周波数で運転が継続される。
【００６８】
パターンＣによるピストン１の駆動が決定されると、所定時間（たとえば、１０分間）、その駆動周波数でのピストン１の駆動が継続する。所定時間が経過した後、再度のステップＳＴ２の位相差測定処理が実行される。
【００６９】
上記のような最適周波数決定処理を有する本実施の形態のスターリング機関によれば、駆動周波数は、常に電流電圧位相差が小さくなるように制御されるため、ピストン１の駆動効率を向上させることが可能になっている。
【００７０】
（実施の形態２）
実施の形態２のスターリング冷凍機の特徴を図６〜図８を用いて説明する。本実施の形態のスターリング冷凍機における最適周波数決定処理のフローは、実施の形態１の最適周波数決定処理のフローと同様のフローである。本実施の形態においては、実施の形態１のステップＳＴ２，ＳＴ６，ＳＴ９の位相差測定処理がより具体的に示されている。
【００７１】
なお、図６（ａ）には、半サイクル分のＰＷＭ制御に用いられる駆動電圧の波形が示されている。駆動電圧の波形は、サインカーブとして描かれる。また、図６（ｂ）には、駆動電圧に対応する駆動電流の波形が示されている。駆動電流の波形も、サインカーブとして描かれる。ただし、実際には、図７に示すように、駆動電圧の位相と駆動電流の位相とは、それらのピークの位置が互いにずれている。
【００７２】
また、ＰＷＭインバータ波形は、図６（ｃ）に示すように、複数のパルスによって形成される。この複数のパルスは、時間の経過に伴って、幅が、除々に大きくなり、ピークに達した後、除々に小さくなるものである。駆動電圧の大きさはパルスの幅に対応している。
【００７３】
本実施の形態のスターリング冷凍機は、電流電圧位相差を測定する方法として、駆動電圧のピークのタイミングと駆動電流のピークのタイミングとの時間差を求める方法が用いられる。
【００７４】
駆動電圧の大きさは、マイクロコンピュータ１０４が自ら決定しているものである。そのため、マイクロコンピュータ１０４は、駆動電圧のピークのタイミングを容易に認識することが可能である。たとえば、駆動周波数が１００Ｈｚである場合を考える。この場合、１００Ｈｚの駆動周波数の交流波形の形成に用いられる複数のパルスを構成する１つのパルスの周期が１０ｋＨｚであれば、駆動電圧の半サイクルの間に、パルスは５０個用いられる。したがって、５０個のパルスのうち２６番目のパルスが交流波形のピークのタイミングに対応するパルスになる。
【００７５】
図８に示すように、本実施の形態の位相差決定処理においては、まず、ＳＴ１０１において、駆動電圧の波形を形成するためのパルスＰＩが交流波形の１番目のパルスであるか否かが判別される。ＳＴ１０１において、パルスＰＩが１番目のパルスでなければ、位相差測定処理は終了され、図５の最終周波数決定処理のＳＴ３、ＳＴ７またはＳＴ１０の処理を実行する。また、ＳＴ１０１において、パルスＰＩが１番目のパルス（交流波形を形成するためのパルスの１番目）であれば、ＳＴ１０２およびＳＴ１０３の処理が実行される。
【００７６】
ＳＴ１０２においては、駆動電圧ＰＩのパルスの数がカウントされる。ＳＴ１０３においては、ＲＡＭ１２２内に形成されたカウンタの値が２６以上であるか否かが判別される。ＳＴ１０３において、カウンタの値が２６よりも小さい場合には、ＳＴ１０２において駆動電圧ＰＩＮのパルス数Ｎをカウントする処理が繰返される。ＳＴ１０３において、カウンタの値が２６以上であれば、ＳＴ１０４の処理が実行される。
【００７７】
駆動電流の波形のピークのタイミングが、駆動電圧の波形のピークのタイミングからどの程度ずれるのかについては、マイクロコンピュータ１０４は認識していない。一般的には、駆動電圧より駆動電圧に対応する電流の方が、位相が遅れることが知られている。そのため、駆動電圧のピークのタイミング（ＰＩ_Ｒ）が基準タイミングとして用いられる。
【００７８】
したがって、ＳＴ１０４において、基準タイミングの以後の駆動電圧を生成するためのパルスを出力している期間において、駆動電圧のＰＩ２６、ＰＩ２７・・〜・ＰＩＮ（Ｎ≦５０）のタイミングそれぞれに対応する駆動電流ＱＩｍの大きさが複数回順次測定される。
【００７９】
また、ＳＴ１０４において、測定により得られた複数の駆動電流の大きさのデータは、ＱＩ１、ＱＩ２・・〜・ＱＩｍと名付けられ、ＲＡＭ１２２に記憶される。また、データＱＩ１、ＱＩ２・・〜・ＱＩｍは、そのデータそれぞれに対応する駆動電圧のタイミングと関連付けられて、ＲＡＭ１２２に記憶される。
【００８０】
一般に、スターリング冷凍機は、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差は所定値以下である。この所定値として、本実施の形態では、たとえば、４５°が用いられる。この場合、駆動電圧のピークのタイミングのパルスＰＩ２６から数えて１３番目（Ｎ＝１３）のパルスＰＩ３８まで、すなわちパルスＰＩ２６〜ＰＩ３８それぞれのタイミングにおいて、駆動電流が測定される。ＳＴ１０５においては、一般的には、駆動電流の値がゼロになるまで駆動電流の値の測定が行われてもよい。しかしながら、前述の手法によれば、ＲＡＭ１２２に記憶されるデータの量を低減することが可能になる。
【００８１】
次に、ＳＴ１０６において、測定された駆動電流のデータＱＩ１〜ＱＩ１３の中から電流値が最大であるもののデータが検索され、そのデータのタイミング情報ｍが読み出される。その後、ＳＴ１０７において、タイミング情報ｍの値を用いて、電流電圧位相差が算出される。
【００８２】
たとえば、最大電流値がＱＩ４であれば、ｍ＝４（４番目）であるため、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差は、次の式で表される。
【００８３】
電流電圧位相差ｐｈ＝４×（１００／１００００）×３６０°＝１４．４°
なお、一般式は、
電流電圧位相差ｐｈ＝ｍ×１つのパルスに与えられた位相角の割合×３６０°である。なお、ｍは、駆動電圧がピークとなるパルスＰＩ２６と駆動電流がピークとなるパルスＱＩｍに対応する駆動電圧ＰＩＮとの間のパルス数である。
【００８４】
１つのパルスに与えられた位相角の割合＝（ＰＷＭ制御に用いられる複数のパルスにより形成される交流波形の周波数）／（ＰＷＭ制御に用いられる１つのパルスの周波数）
その後、ＳＴ１０８において、図５に示す最適周波数決定処理のＳＴ３、ＳＴ７またはＳＴ１０に進む処理が実行される。
【００８５】
上記のような本実施の形態の位相差測定処理によれば、電流電圧位相差を正確に把握することができる。
【００８６】
（実施の形態３）
次に、図９および図１０を用いて、実施の形態３のスターリング冷凍機の特徴を説明する。
【００８７】
本実施の形態のスターリング冷凍機における最終周波数決定処理のフローは、実施の形態１の最終周波数決定処理のフローと同様のフローである。本実施の形態においては、実施の形態１のステップＳＴ２，ＳＴ６，ＳＴ９の位相差測定処理がより具体的に示されている。
【００８８】
本実施の形態のスターリング冷凍機は、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差を測定する方法として、駆動電流の大きさを示すサイン波と時間軸とに囲まれた領域の面積を求める方法が用いられる。
【００８９】
駆動電圧は、マイクロコンピュータ１０４が出力している。そのため、マイクロコンピュータ１０４は、駆動電圧のピークとなるタイミングを認識している。したがって、図１０に示すように、ＳＴ２０１において、駆動電流ＱＩの大きさは、駆動電圧ＰＩを出力している半サイクル分の期間、順次測定される。
【００９０】
それにより、駆動電流の値は、データＱＩ１、ＱＩ２・・〜・ＱＩＮと名付けられ、ＲＡＭ１２２に記憶される（図９）。また、データＱＩ１、ＱＩ２・・〜・ＱＩＮそれぞれは、それらの駆動電圧のタイミングと関連付けられて、ＲＡＭ１２２に記憶される。
【００９１】
次に、ＳＴ２０２において、ＱＩ１〜ＱＩ５０それぞれの値の和を求める。次に、その和の１／２の値を求める。この値をＴＷとする。
【００９２】
ＴＷ＝ＱＩ１〜ＱＩ５０それぞれ値の合計×１／２
このＴＷの値は、ＲＡＭ１２２に記憶される。
【００９３】
次に、ＳＴ２０３において、再度ＱＩ１からＱＩｍまでのパルスの数がカウントされる。そのカウントされた値は、ＲＡＭ１２２に記憶される。ＳＴ２０４において、再度ＱＩ１からＱＩｍまでの値が順次合計される。
【００９４】
ＳＴ２０５において、ｍが１増加するごとにＱＩ１からＱＩｍまでの合計値とＴＷとを比較する処理が実行される。ＳＴ２０５において、ＱＩ１からＱＩｍまでの合計値がＴＷを超えれば、その時点で、比較処理は終了され、ＳＴ２０６の処理が実行される。
【００９５】
なお、ＱＩ１からＱＩｍでの合計値がＴＷを超えたタイミングの駆動電流のパルスをＱＩｍとする。このＱＩｍのパルスのタイミングが電流波形のピークのタイミングである。
【００９６】
駆動周波数ｆが実施の形態１のスターリング冷凍機と同一である場合、電流波形のＱＩｍのパルスのタイミングと電圧波形のＰＩ２６のパルスのタイミングとの差であるｍ−２６が、電流電圧位相差ｐｈになる。したがって、電流電圧位相差ｐｈは、下記の式で表される。
【００９７】
電流電圧位相差ｐｈ＝（ＱＩｍを取得したときのＰＩＮのタイミング値（Ｎ）−ＰＩ２６のタイミング値（２６））×１つのパルスに与えられた位相角の割合×３６０°（ＳＴ２０７）
この場合、理論上、電流電圧位相差ｐｈは、マイナス値となることが考えられる。しかしながら、電流電圧位相差ｐｈは、マイナス値となることは、実使用上はあり得ない。したがって、電流電圧位相差ｐｈがマイナス値の場合には、電流電圧位相差ｐｈはゼロに置き換えられる。
【００９８】
その後、ＳＴ２０８において、図５に示す最適駆動周波数決定処理のＳＴ３、ＳＴ７またはＳＴ１０に進む処理が実行される。
【００９９】
上記のような本実施の形態の位相差測定処理によれば、マイクロコンピュータ１０４は電流電圧位相差を正確に把握することができる。
【０１００】
（実施の形態４）
前述の実施の形態２および３においては、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差である電流電圧位相差を測定する。それにより、駆動周波数を変更する制御が行われている。しかしながら、ＰＷＭ制御に用いられる１つのパルスの周期は、非常に短い時間である。そのため、このＰＷＭ制御に用いられるパルスを順次測定するには非常に高速で動作するマイクロコンピュータ１０４が必要になる。その結果、マイクロコンピュータ１０４が非常に高価なものになる。したがって、スターリング冷凍機の設計の選択の幅が小さくなってしまう。
【０１０１】
そこで、本実施の形態のスターリング冷凍においては、電流電圧位相差そのものは測定されない。本実施の形態においては、簡易的に電流電圧位相差を推定することができるスターリング冷凍機を説明する。
【０１０２】
本実施の形態のスターリング冷凍機の最適駆動周波数決定処理の図１１〜図１４を用いて説明する。
【０１０３】
一般に、スターリング冷凍機は、負荷が大きい場合、すなわち大きなトルクを必要とする場合に、電流電圧位相差が大きくなる特性を有している。
【０１０４】
本実施の形態では、スターリング機関にかかる負荷を算出する。それにより、その負荷を用いて電流電圧位相差を推定する。この推定された電流電圧位相差を用いて、ピストン１の最適駆動周波数を決定する。この最適駆動周波数を決定する処理は、図１１に示されている。
【０１０５】
本実施の形態では、前述の負荷は、温度Ｔｃ（膨張空間１０の温度）および温度Ｔｈ（圧縮空間９の温度）の値を用いて数値化される。この負荷の値は、負荷ポイントＬＰと呼ばれ、次の式で表わされる。
【０１０６】
図１１に示すように、本実施の形態の最適駆動周波数決定処理においては、まず、ステップＳ１において、関数Ａ（ｘ）のｘにＴｃが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（１）が算出される。関数Ａ（ｘ）としては、図１２に示されている、ＬＰ＝０．０２×Ｔｃ×Ｔｃ−０．８×Ｔｃ＋１３が用いられる。
【０１０７】
負荷ポイントＬＰ（１）＝関数Ａ（Ｔｃ）
次に、ステップＳ２において、関数Ｂ（ｘ）のｘにＴｈが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（２）が算出される。関数Ｂ（ｘ）としては、図１３に示されている、ＬＰ＝０．０３×Ｔｈ×Ｔｈ−１．２×Ｔｈ＋１９が用いられる。
【０１０８】
負荷ポイントＬＰ（２）＝関数Ｂ（Ｔｈ）
その後、ステップＳ３において、負荷ポイントＬＰ（１）と負荷ポイントＬＰ（２）とを用いて、総合負荷ポイントＬＰ（３）が算出される。
【０１０９】
なお、関数Ａは、図１２に示すような特性を示すもので、温度Ｔｃが高くなれば、負荷ポイントＬＰ（１）は低下する特性になっており、温度Ｔｃの２次関数で示されている。
【０１１０】
また、関数Ｂは、図１３に示すような特性を示すもので、温度Ｔｈが高くなれば、負荷ポイントＬＰ（２）は飛躍的に増加する特性になっており、温度Ｔｈの２次関数で示されている。
【０１１１】
また、図１２および図１３から、関数Ａの絶対値と関数Ｂの絶対値との比較を行うと、関数Ｂの影響力が関数Ａの影響力よりも強いことが分かる。また、関数Ａの最大値と関数Ｂの最大値とは同じである。
【０１１２】
総合負荷ポイント（３）の算出式は、関数Ｂに係数Ｃが付加されたものが用いられる。したがって、負荷ポイントＬＰ（１）と負荷ポイントＬＰ（２）とを加えた総合負荷ポイントＬＰ（３）は、次の式で表される。
【０１１３】
総合負荷ポイントＬＰ（３）＝関数Ａ（Ｔｃ）＋Ｃ×関数Ｂ（Ｔｈ）
なお、Ｃは係数である。
【０１１４】
次に、ステップＳ４において、総合負荷ポイントＬＰ（３）を用いて、ピストン１の駆動周波数ｆを算出する。
【０１１５】
この算出式は、次のような式が用いられる。
駆動周波数ｆ＝関数ＦＬ（総合負荷ポイントＬＰ（３））
すなわち、図１４に示すように、ｆ＝０．０１×（総合負荷ポイントＬＰ（３）−５０）＋１００
この関数ＦＬは、図１４に示すような特性を示すもので、総合負荷ポイントＬＰ（３）が大きければ大きいほど比例的に駆動周波数ｆが増加する特性になっており、総合負荷ポイントＬＰの１次関数で示される。
【０１１６】
上記のようなスターリング冷凍機によれば、実施の形態２および３に比較してマイクロコンピュータ１０４の制御負担が軽減される。そのため、非常に高速で動作できないマイクロコンピュータ１０４を使用しても、ピストン１の駆動効率を向上させることができる。その結果、スターリング冷凍機の製造コストを低減することが可能になる。また、スターリング冷凍機の設計における選択の幅を広げることができる。
【０１１７】
（実施の形態５）
本実施の形態のスターリング冷凍機は、実施の形態４で用いられた温度Ｔｃおよび温度Ｔｈに代えて、温度Ｔｃ（膨張空間１０の温度）および温度Ｔｂ（バウンス空間８の温度）で電流電圧位相差を推定する。この推定された電流電圧位相差を用いて、ピストン１の最適駆動周波数を決定する。この最適駆動周波数を決定する処理は、図１５に示されている。
【０１１８】
図１５に示すように、本実施の形態の最適駆動周波数決定処理においては、まず、ステップＳ１１において、関数Ａ（ｘ）のｘにＴｃが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（１）が算出される。関数Ａ（ｘ）としては、図１２に示されている、ＬＰ＝０．０２×Ｔｃ×Ｔｃ−０．８×Ｔｃ＋１３が用いられる。
【０１１９】
負荷ポイントＬＰ（１）＝関数Ａ（Ｔｃ）
次に、ステップＳ１２において、関数Ｄ（ｘ）のｘにＴｂが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（４）が算出される。関数Ｄ（ｘ）としては、図１６に示されている、ＬＰ＝０．０４５×Ｔｂ×Ｔｂ−１．２×Ｔｂ＋１９が用いられる。
【０１２０】
負荷ポイントＬＰ（４）＝関数Ｄ（Ｔｂ）
その後、ステップＳ１３において、負荷ポイントＬＰ（１）と負荷ポイントＬＰ（４）とを用いて、総合負荷ポイントＬＰ（５）が算出される。
【０１２１】
総合負荷ポイントＬＰ（５）＝関数Ａ（Ｔｃ）＋Ｆ×関数Ｄ（Ｔｂ）
なお、Ｆは係数である。
【０１２２】
前述の総合負荷ポイントＬＰ（５）の関数Ａ（Ｔｃ）は、実施の形態４の図１０に示す関数Ａ（Ｔｃ）と同じものである。
【０１２３】
関数Ｄ（Ｔｂ）は、図１６に示すように、図１３に示す関数Ｂ（Ｔｈ）とよく似た特性を示すが、関数Ｂ（Ｔｈ）よりやや勾配が急峻である。また、ＴｂとＴｈとが同じ値である場合には、関数Ｄ（Ｔｂ）は、関数Ｂ（Ｔｈ）よりも大きな値（絶対値）を示す関数である。
【０１２４】
次に、ステップＳ１４において、総合負荷ポイント（５）を用いて、ピストン１の駆動周波数ｆを算出する。
【０１２５】
この算出式は、次のような式が用いられる。
駆動周波数ｆ＝関数ＦＬ（総合負荷ポイントＬＰ（５））
なお、総合負荷ポイント（５）を算出するための関数ＦＬは、実施の形態４において図１４に示されている式と同様である。
【０１２６】
すなわち、ｆ＝０．０１×（総合負荷ポイントＬＰ（５）−５０）＋１００が用いられる。
【０１２７】
上記のようなスターリング冷凍機によっても、実施の形態４と同様に、実施の形態２および３に比較してマイクロコンピュータ１０４の制御負担が軽減される。そのため、非常に高速で動作できないマイクロコンピュータ１０４を使用しても、ピストン１の駆動効率を向上させることができる。その結果、スターリング冷凍機の製造コストを低減することが可能になる。また、スターリング冷凍機の設計における選択の幅を広げることができる。
【０１２８】
（実施の形態６）
本実施の形態のスターリング冷凍機は、実施の形態４および５のそれぞれで用いられた最適駆動周波数決定処理による制御を、運転時間により使い分けることが可能である。
【０１２９】
つまり、本実施の形態のスターリング冷凍機は、実施の形態４で用いられた温度Ｔｃおよび温度Ｔｈを用いて電流電圧位相差を推定する制御と、温度Ｔｃおよび温度Ｔｂを用いて電流電圧位相差を推定する制御とを選択することが可能である。この推定された電流電圧位相差を用いて、ピストン１の最適駆動周波数を決定する。この最適駆動周波数を決定する処理は、図１７に示されている。
【０１３０】
図１７に示すように、本実施の形態の最適駆動周波数決定処理においては、まず、スターリング冷凍機の運転が開始された直後から運転時間を計測する。したがって、図１７に示すように、Ｓ２０において、タイマをスタートさせ、運転時間の計時を開始する。
【０１３１】
ステップＳ２１において、関数Ａ（ｘ）のｘにＴｃが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（１）が算出される。関数Ａ（ｘ）としては、図１２に示されている、ＬＰ＝０．０２×Ｔｃ×Ｔｃ−０．８×Ｔｃ＋１３が用いられる。
【０１３２】
負荷ポイントＬＰ（１）＝関数Ａ（Ｔｃ）
次に、ステップＳ２２ａにおいて、タイマにより計時された時間が、所定時間（たとえば、６０分）を経過しているか否かが判別される。Ｓ２２ａにおいて、タイマが所定時間を経過している場合には、Ｓ２２ｂにおいて関数ＢにＴｈが代入される。また、Ｓ２２ａにおいて、タイマが所定時間を経過していない場合には、Ｓ２２ｃにおいて関数Ｄ（ｘ）のｘにＴｂが代入される。関数Ｂ（ｘ）としては、図１３に示されている、ＬＰ＝０．０３×Ｔｈ×Ｔｈ−１．２×Ｔｈ＋１９が用いられる。関数Ｄ（ｘ）としては、図１６に示されている、ＬＰ＝０．０４５×Ｔｂ×Ｔｂ−１．２×Ｔｂ＋１９が用いられる。
【０１３３】
次に、Ｓ２３のステップが実行される。Ｓ２３においては、運転時間が所定の時間以内の場合は、実施の形態５で用いた総合負荷ポイントＬＰ（５）の式を用いて総合負荷ポイントＬＰが算出される。また、Ｓ２３においては、運転時間が所定の時間よりも長くなった場合には、実施の形態４で用いた総合負荷ポイントＬＰ（３）の式を用いて総合負荷ポイントＬＰが算出される。
【０１３４】
次に、Ｓ２４においては、総合負荷ポイントＬＰ（３）または総合負荷ポイントＬＰ（５）を用いて、ピストン１の駆動周波数ｆが算出される。
【０１３５】
なお、総合負荷ポイントＬＰ（３）または総合負荷ポイント（５）を算出するための関数ＦＬは、ｆ＝０．０１×（総合負荷ポイントＬＰ（３または５）−５０）＋１００であり、実施の形態４において図１４に示されている式と同様である。
【０１３６】
前述のような制御を行う理由は次のようなものである。
スターリング冷凍機の運転が開始された直後においては、温度Ｔｈは急速に上昇する。したがって、スターリング冷凍機の運転が開始された直後に、温度Ｔｃおよび温度Ｔｈを用いて、総合負荷ポイントを算出すると、実際のスターリング冷凍機の負荷が上昇していないときに、負荷ポイントが上昇したとマイクロコンピュータ１０４が判断してしまう。そのため、実際にスターリング冷凍機にかかかる負荷と、温度検知を用いて推定された負荷とに大きな隔たりが生じる。その場合、スターリング冷凍機の状態に適していない制御を行うことになる。
【０１３７】
一方、温度Ｔｈに対して温度Ｔｂは緩やかに上昇する。したがって、スターリング冷凍機の運転を開始した直後では、温度Ｔｂは、実際のスターリング冷凍機にかかる負荷の状態に近い変動を示す。
【０１３８】
そこで、スターリング冷凍機の運転を開始した直後には、温度Ｔｂを総合負荷ポイントの算出に用いる。また、スターリング冷凍機の運転が安定した状態になった後は、温度Ｔｈを総合負荷の算出に用いる。それにより、スターリング冷凍機にかかる負荷を、運転が開始された直後の期間および運転が安定した期間のそれぞれに応じて適切に推定することができる。
【０１３９】
（実施の形態７）
本実施の形態のスターリング冷凍機では、膨張空間９の温度Ｔｃ、圧縮空間９の温度Ｔｈ、およびバウンス空間８の温度Ｔｂの３つの部分の温度から負荷を算出し、その負荷を用いて電流電圧位相差を推定する。この推定された電流電圧位相差を用いて、ピストン１の最適駆動周波数を決定する。この最適駆動周波数を決定する処理は、図１８に示されている。
【０１４０】
図１８に示すように、本実施の形態の最適駆動周波数決定処理においては、まず、ステップＳ３１において、関数Ｘ（ｘ）のｘにＴｃが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（６）が算出される。
【０１４１】
次に、ステップＳ３２ａにおいて、関数Ｙ（ｘ）のｘにＴｈが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（７）が算出される。
【０１４２】
次に、ステップＳ３２ｂにおいて、関数Ｚ（ｘ）のｘにＴｂが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（８）が算出される。
【０１４３】
その後、ステップＳ３３において、負荷ポイントＬＰ（６）、負荷ポイントＬＰ（７）および負荷ポイント（８）を用いて、総合負荷ポイントＬＰ（９）が算出される。
【０１４４】
総合負荷ポイントＬＰ（９）＝関数Ｘ（Ｔｃ）＋Ｇ×関数Ｙ（Ｔｈ）＋Ｈ×関数Ｚ（Ｔｂ）
なお、ＧおよびＨは係数である。
【０１４５】
関数Ｘ（Ｔｃ）は関数Ａ（Ｔｃ）に類似する関数であり、関数Ｙ（Ｔｈ）は関数Ｂ（Ｔｈ）に類似する関数であり、関数Ｚ（Ｔｂ）は関数Ｄ（Ｔｂ）に類似する関数である。
【０１４６】
ただし、関数Ｘ（Ｔｃ）、関数Ｙ（Ｔｈ）および関数Ｚ（Ｔｂ）それぞれは、関数Ａ（Ｔｃ）、関数Ｂ（Ｔｈ）および関数Ｄ（Ｔｂ）に対して、比率が異なっている。なお、本実施の形態では、関数Ｘ（Ｔｃ）、関数Ｙ（Ｔｈ）および関数Ｚ（Ｔｂ）を用いたが、前述の実施の形態４〜６と同様に、関数Ｘ（Ｔｃ）の代わりに関数Ａ（Ｔｃ）を用い、関数Ｙ（Ｔｈ）の代わりに関数Ｂ（Ｔｈ）を用い、かつ関数Ｚ（Ｔｂ）の代わりに関数Ｄ（Ｔｂ）を用いてもよい。
【０１４７】
その後、ステップＳ３４において、総合負荷ポイントＬＰ（９）を用いてピストン１の駆動周波数ｆ＝関数ＦＬ（総合負荷ポイントＬＰ（９））を算出する。
【０１４８】
なお、総合負荷ポイントＬＰ（９）を算出するための関数ＦＬは、ｆ＝０．０１×（総合負荷ポイントＬＰ（９）−５０）＋１００であり、実施の形態４において図１４に示されている式と同様である。
【０１４９】
上記の本実施の形態のスターリング冷凍機によれば、膨張空間１０の温度Ｔｃ、圧縮空間９の温度Ｔｈおよびバウンス空間８の温度Ｔｂの３つの部分の温度から負荷を算出し、その負荷を用いて電流電圧位相差を推定するため、実施の形態４および５の手法よりも適正に負荷を算出することが可能になる。
【０１５０】
なお、上記の実施の形態では、スターリング冷凍機を例にして、スターリング機関を説明した。
【０１５１】
また、今回開示された実施の形態はすべ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。本発明の範囲は上記した説明ではなく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すべての変更が含まれることが意図される。
【０１５２】
【発明の効果】
本発明によれば、スターリング冷凍機にかかる負荷に基づいて、ピストンの駆動周波数を変更するため、バネ定数の変化などに関わらず駆動効率を向上させた運転が可能になる
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態のスターリング冷凍機の構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態のスターリング冷凍機のリニアモータと制御ボックスとの関係を説明するための図である。
【図３】実施の形態のスターリング冷凍機の制御ボックスの内部構成を説明するための図である。
【図４】実施の形態のスターリング冷凍機のマイクロコンピュータの内部を説明するための図である。
【図５】実施の形態１の最適駆動周波数決定処理を説明するためのフローチャートである。
【図６】ＰＷＭの交流電圧の波形とパルス波形との関係を示す図である。
【図７】実施の形態２の電流電圧位相差の測定手法を説明するための駆動電圧の波形と駆動電流の波形との関係を示す図である。
【図８】実施の形態２の位相差測定処理を説明するためフローチャートである。
【図９】実施の形態３の電流電圧位相差の測定手法を説明するための駆動電圧の波形と駆動電流の波形との関係を示す図である。
【図１０】実施の形態３の位相差測定処理を説明するためフローチャートである。
【図１１】実施の形態４の最適駆動周波数決定処理を説明するための図である。
【図１２】実施の形態４〜７で用いられる関数Ａを示すグラフである。
【図１３】実施の形態４、６および７で用いられる関数Ｂを示すグラフである。
【図１４】実施の形態４〜７で用いられる関数Ｃを示すグラフである。
【図１５】実施の形態５の最適駆動周波数決定処理を説明するための図である。
【図１６】実施の形態５〜７で用いられる関数Ｄを示すグラフである。
【図１７】実施の形態６の最適駆動周波数決定処理を説明するための図である。
【図１８】実施の形態７の最適駆動周波数決定処理を説明するための図である。
【符号の説明】
２ディスプレーサ、３ピストン、８バウンス空間、９圧縮空間、１０膨張空間、１３リニアモータ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to control of a free piston type Stirling engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a Stirling refrigerator has been used as an example of a Stirling engine. Hereinafter, the structure, function and problems of a conventional Stirling engine will be described by taking a Stirling refrigerator as an example.
[0003]
A Stirling refrigerator is a refrigerator that obtains a low temperature by using, as a working medium, a gas that does not adversely affect the global environment, such as helium gas, hydrogen gas, and nitrogen gas. This refrigerator is a combination of a compressor that compresses refrigerant gas and an expander that expands refrigerant gas discharged from the compressor. In this compressor, the refrigerant gas is compressed so that the value of the gas pressure changes with time in a predetermined cycle that draws a sine curve.
[0004]
This sine curve is obtained by driving a linear motor with an AC voltage waveform generated by a PWM (Pulse Wide Modulation) type inverter. In the PWM inverter, a periodic pulse of several tens of kilohertz is used to obtain an alternating voltage waveform of several tens of hertz. By controlling the width of the pulse of several tens of kilohertz, a predetermined AC voltage waveform can be obtained.
[0005]
On the other hand, an expander includes a cylinder with a closed end, a free displacer that is fitted in the cylinder so as to be reciprocally movable, and that defines a cylinder in a distal end side expansion chamber and a base end side working chamber, A spring that elastically supports the free displacer is provided to enable reciprocation of the free displacer.
[0006]
The working chamber is connected to the compressor, and the displacer is reciprocated by the refrigerant gas pressure from the compressor to expand the refrigerant gas. As a result, cool air is generated in the vicinity of the cold head at the tip of the cylinder.
[0007]
This type of Stirling refrigerator is called a free piston type Stirling refrigerator.
[0008]
Generally, a free piston type refrigerator has a spring constant of a spring connected to a piston and a spring connected to a displacer so that the movable part resonates at a frequency at which the maximum efficiency can be obtained according to the temperature state of the working chamber. The spring constant and the mass (mass) of the movable part are set to predetermined values.
[0009]
However, if the spring constant, etc. of the spring changes over time, or if there is a situation where the moving part does not resonate due to a change in temperature due to load fluctuation, etc., the moving part can be moved by changing the frequency of the moving part. It is necessary to reset the part to resonate again.
[0010]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-199653 discloses a technique for solving the problem of changing the spring constant. According to this, first, when the movable part stops resonating due to the change of the spring constant, the temperatures of the expansion space and the compression space are detected. Thereby, it is determined whether or not the temperature of each part of the refrigerator is a constant temperature. When the temperature of each part of the refrigerator is constant, it is determined that the load on the refrigerator is constant.
[0011]
Next, a change in the spring constant is detected in a state where the load of the refrigerator is constant. The change in the spring constant is detected by the magnitude of the vibration amount by the vibration sensor or the magnitude of the current value by the current sensor. Thereby, the piston is driven at an optimum frequency in accordance with the detected change in the spring constant.
[0012]
[Patent Document 1]
JP 2000-199653 A
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, at present, the degree of aging of the spring constant has decreased due to technical improvements made to the spring material or spring shape.
[0014]
That is, factors other than the secular change of the spring constant are larger as the factors for changing the frequency of the movable part. More specifically, the change in the relative positional relationship between the piston and the displacer is larger than the change in the spring constant.
[0015]
That is, as a new factor for determining the resonance frequency, the relative positional relationship between the piston and the displacer, that is, the “load” of the refrigerator is large.
[0016]
Therefore. Regardless of the change in the spring constant of the Stirling refrigerator, it is desired to further improve the refrigerating capacity of the Stirling refrigerator by maintaining the resonance state even if the “load” of the Stirling refrigerator changes. In other words, regarding the Stirling engine in general, it is desired to further improve the driving efficiency of the piston and the displacer.
[0017]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a Stirling engine with further improved driving efficiency.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The Stirling engine of the present invention applies a driving force to the piston so that the piston and the displacer reciprocate on the same axis in a predetermined cycle while having a phase difference. A heat exchange cycle is formed.
[0019]
The Stirling engine includes a linear motor that generates a driving force applied to the piston, an AC power source that generates AC power for applying the driving force to the linear motor, and a control device that controls the AC power. The control device includes a frequency changing unit that changes the frequency of the AC power and a load calculating unit that calculates a load applied to the Stirling engine. Further, the frequency changing unit changes the frequency of the AC power based on the load calculated by the load calculating unit.
[0020]
According to said structure, control which improves the drive efficiency of a piston easily can be performed irrespective of the change of a spring constant.
[0021]
The Stirling engine further includes a current-voltage phase difference detection unit in which the control device detects a difference between the current phase and the voltage phase of the AC power, and the frequency change unit has a small current-voltage phase difference. Thus, it is desirable to change the frequency of the AC power.
[0022]
In this way, since the difference between the phase of the current and the phase of the voltage can be directly detected and reduced, the driving efficiency of the piston can be further improved.
[0023]
The aforementioned Stirling engine uses the difference between the peak timing of the current waveform and the peak timing of the voltage waveform as the current-voltage phase difference. In this way, the current-voltage phase difference is calculated with easy processing.
[0024]
The Stirling engine includes a compression space in which the refrigerant is compressed in the heat exchange cycle, an expansion space in which the refrigerant expands in the heat exchange cycle, and a back space separated from the compression space constituting the heat exchange cycle by a piston. Is further provided. In such a configuration, in the Stirling engine, the load calculating unit may calculate the load using at least any two of the temperature of the compression space, the temperature of the expansion space, and the temperature of the back space. .
[0025]
According to said structure, the driving efficiency of a piston can be improved using the information which reflected the load concerning the Stirling engine appropriately, such as the temperature of compression space, the temperature of expansion space, and the temperature of back space. Further, the load can be calculated without executing complicated processing for calculating the current-voltage phase difference.
[0026]
The load calculating means calculates the load using the temperature of the expansion space and the temperature of the back space from the start of operation of the Stirling engine to a predetermined time, and after the elapse of the predetermined time, It is desirable to calculate the load using the temperature of the compression space.
[0027]
According to this configuration, during the period when the state of the Stirling refrigerator immediately after starting operation is unstable, the temperature of the expansion space and the temperature of the back space are used for calculating the load, and the state of the Stirling refrigerator is stabilized. Later, the temperature of the expansion space and the temperature of the compression space are used for calculating the load. Thereby, the load concerning a Stirling refrigerator can be estimated appropriately according to each of the period immediately after the operation is started and the period when the operation is stable.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the Stirling engine of the present invention will be described using a Stirling refrigerator as an example with reference to the drawings.
[0029]
Before describing the Stirling refrigerator of each embodiment, first, the structure and function common to the Stirling refrigerator of each embodiment will be described in detail.
[0030]
Drawing 1 is a sectional view showing Stirling refrigerator 40 of an embodiment. In the Stirling refrigerator 40, a columnar piston 1 and a displacer 2 are fitted in a substantially cylindrical cylinder 3 divided in the axial direction. The piston 1 and the displacer 2 are arranged coaxially (X) through the compression space 9.
[0031]
An expansion space 10 is formed on the tip side of the displacer 2. The compression space 9 and the expansion space 10 communicate with each other through a medium flow passage 11 through which a working medium such as helium flows. A regenerator 12 that stores the heat of the working medium and supplies the accumulated heat to the working medium is disposed in the medium flow path 11. A flange (flange) 3 a is projected in the middle of the cylinder 3. A dome-shaped pressure vessel 4 is attached to the flange portion 3a, and a bounce space (back space) 8 is formed by sealing the inside.
[0032]
The piston 1 is integrated with the piston support spring 5 at the rear end, and the displacer 2 is integrated with the displacer support spring 6 via a rod 2a that passes through the center hole 1a of the piston 1. The piston support spring 5 and the displacer support spring 6 are connected by bolts and nuts 22. As will be described later, when the piston 1 reciprocates, the displacer 2 reciprocates with a predetermined phase difference with respect to the piston 1 due to inertial force generated between the piston 1 and the piston 1.
[0033]
An inner yoke 18 is fitted on the cylinder 3 in the bounce space 8. The outer yoke 17 is opposed to the inner yoke 18 through a gap 19. The outer yoke 17 is provided with a driving coil 16, and an annular permanent magnet 15 is movably disposed in the gap 19. The permanent magnet 15 is integrated with the piston 1 through a cup-shaped sleeve 14. Thereby, the linear motor 13 is configured to move the piston 1 in the axial direction by applying a voltage to the driving coil 16.
[0034]
Lead wires 20 and 21 are connected to the driving coil 16. The lead wires 20 and 21 penetrate the wall surface of the pressure resistant container 4 through a hermetic seal terminal 37 (see FIG. 2) and are connected to the control box 30. A drive power for the linear motor 13 is supplied by the control box 30.
[0035]
In the Stirling refrigerator 40 configured as described above, when the piston 1 reciprocates by the linear motor 13, the displacer 2 reciprocates with a predetermined phase difference with respect to the piston 1. As a result, the working medium moves between the compression space 9 and the expansion space 10 to form an inverse Stirling cycle.
[0036]
FIG. 2 is a diagram illustrating a connection state between the control box 30 and the Stirling refrigerator 40. The Stirling refrigerator 40 is provided with temperature sensors 34, 35, and 36 for detecting the temperatures Tc, Th, and Tb of the expansion space 10, the compression space 9, and the bounce space 8, respectively.
[0037]
The control box 30 is provided with a TcA / D conversion unit 108, a ThA / D conversion unit 109, and a TbA / D conversion unit 110 that A / D convert the outputs of the temperature sensors 34, 35, and 36, respectively. A linear motor driving voltage output unit 101 is connected to the hermetic seal terminal 37 via the lead wires 20 and 21. The linear motor driving voltage output unit 101 outputs the driving voltage of the linear motor 13.
[0038]
FIG. 3 is a block diagram showing further details of the control box 30. The control box 30 is provided with a microcomputer 104 that performs various calculations. A power supply unit 105 that supplies power to each unit of the control box 30 is connected to the microcomputer 104.
[0039]
Further, the microcomputer 104 includes a voltage value input unit 102 that inputs a detection value of a voltage sensor (not shown) that detects an input voltage of the power supply unit 105 by A / D conversion and a current that detects a current of the linear motor 13. A current value input unit 103 for inputting the detection value of the sensor 33 by A / D conversion is connected. The microcomputer 104 further includes a reset unit 106 that resets the control box 30, an oscillation unit 107 that generates a PWM (Pulse Wide Modulation) inverter waveform, and a storage unit 111 that includes a rewritable nonvolatile memory element (EEPROM). It is connected.
[0040]
The storage unit 111 stores the relationship between the input voltage and the output corresponding to at least each Stirling refrigerator. In the free piston type Stirling refrigerator as shown in FIG. 1, the displacer reciprocates using the pressure fluctuations of the compression space 9 and the expansion space 10 based on the reciprocating motion of the piston as power, and thus passes through the medium flow passage 11. Due to factors such as changes in the flow resistance of the refrigerant, the amount of movement of the displacer with respect to the input voltage may vary among the Stirling refrigerators. This variation indicates that the output is different when a constant input voltage is applied to each Stirling refrigerator. Therefore, in order to accurately control the output of each Stirling refrigerator, for example, when performing an aging test, the relationship between the input voltage and the output corresponding to the Stirling refrigerator is measured in advance, and the measurement result is stored. To. The microcomputer 104 controls the voltage output from the linear motor driving voltage output unit 101 using this relationship.
[0041]
As will be described later, a control signal is transmitted from the microcomputer 104 to the power supply unit 105 in response to an input from the voltage value input unit 102. Thereby, the output voltage of the power supply unit 105 is controlled. The linear motor drive voltage output unit 101 converts the output voltage of the power supply unit 105 into a PWM inverter waveform under the control of the microcomputer 104 and supplies the PWM inverter waveform to the linear motor 13.
[0042]
FIG. 4 is a block diagram showing an internal configuration of the microcomputer 104. In the microcomputer 104, a read-only ROM 121 in which a control program is stored, a RAM 122 that temporarily stores operations, a timer 123 that measures an operation time, and an I / O port 125 for input / output are connected to the CPU 124. ing. The Stirling refrigerator 40 is controlled by the CPU 124 executing the control program read from the ROM 121.
[0043]
In the Stirling refrigerator 40 of the present embodiment described above, when a drive voltage having a predetermined AC waveform is applied to the linear motor 13, the piston 1 reciprocates at a period and amplitude corresponding to the drive voltage having the predetermined AC waveform. I do. Therefore, it is possible to control the period and amplitude of the reciprocating motion of the piston 1 by controlling the drive voltage applied to the linear motor 13.
[0044]
Next, the operation principle of the free piston type Stirling refrigerator of the present embodiment will be described in more detail.
[0045]
The piston 1 is driven by a linear motor 4. The piston 1 is elastically supported by the resonance spring 10. Therefore, the piston 1 moves so that the relationship between its position and time draws a sine wave.
[0046]
Further, due to the movement of the piston 1, the working gas in the compression space 9 moves so that the relationship between the pressure and time draws a sine wave. The working gas compressed in the compression space 9 first releases heat at the heat radiating section 11. Next, the compressed working gas is pre-cooled by a regenerator 13 provided around the displacer 2. Thereafter, the compressed working gas flows from the regenerator 13 into the expansion space 5.
[0047]
The working gas in the expansion space 5 is expanded by the movement of the displacer 2. The temperature of the expanded working gas decreases. The working gas in the expansion space 5 moves so that the relationship between the pressure and time draws a sine wave. The sine wave indicating the relationship between the pressure of the working gas in the expansion space 5 and time has a predetermined phase difference from the sine wave indicating the relationship between the pressure of the working gas in the compression space 6 and time. It is the same cycle. That is, the displacer 2 reciprocates with a predetermined phase difference with respect to the piston 1.
[0048]
The refrigeration capacity in the expansion space 5 is determined by the degree of fluctuation in the pressure of the working gas in the expansion space 10 caused by the reciprocating motion of the displacer 2. The pressure in the expansion space 10 is a relative change between the displacer 2 and the piston 1 caused by a change in the difference between the phase of the piston 1 and the phase of the displacer 2, that is, the difference between the pressure in the expansion space 10 and the pressure in the compression space 9. Fluctuates due to changes in position differences.
[0049]
The difference in the relative position between the displacer 2 and the piston 1 is determined by the mass of the displacer 2, the spring constant of the resonance spring 9, and the driving frequency of the piston. The mass of the displacer 2 and the spring constant of the resonance spring 9 are determined at the time of design, and cannot be changed during operation.
[0050]
Therefore, in the Stirling refrigerator of the present embodiment, as described above, the control box 30 (the current sensor 33 is built in this) that outputs the inverter waveform shown in FIG. 4 and the Stirling refrigerator. A thermistor circuit (Tc thermistor) for measuring the temperature of the expansion space 10 as a heat exchange part for heat absorption, and a thermistor circuit (Th thermistor) for measuring the temperature of the compression space 9 as a heat exchange part for heat dissipation, and bounce A thermistor circuit (Tb thermistor) for measuring the temperature of the space 8 is provided.
[0051]
In the present embodiment and each embodiment described later, the microcomputer 104 in the control box 30 includes the TcA / D converter, the ThA / D converter, and the TbA / D converters 108, 109, 110. The driving voltage for driving the piston 1 is output from the linear motor driving voltage output unit 101 using the information on each thermistor circuit and the information on the current sensor 33 obtained through the linear motor driving voltage.
[0052]
The voltage waveform output from the microcomputer 104 is a digital signal, that is, a pulse waveform. This pulse waveform is converted into an analog signal, that is, a sine wave in the linear motor driving voltage output unit 101. The frequency of this sine wave becomes the driving frequency of the piston 1 of the Stirling refrigerator.
[0053]
Note that when converting a digital signal to an analog signal, PWM is used as described above. In other words, a plurality of pulses sequentially output from the microcomputer 104 gradually change in width from a small one to a large one, and after returning to a peak width, gradually return to a small one. , Generating alternating waveform.
[0054]
Hereinafter, the Stirling refrigerator of each embodiment will be described.
(Embodiment 1)
The features of the Stirling refrigerator of the first embodiment will be described with reference to FIG.
In general, when the load applied to the refrigerator is constant and the piston 1 and the displacer 2 are resonating, when viewed electrically, the inductance component (L component) that the motor (coil) originally has ) Is assumed to be zero. At this time, the difference between the phase of the power voltage for driving the piston 1 and the phase of the current is zero. Using this fact, it is determined whether the piston 1 and the displacer 2 are resonating.
[0055]
In the Stirling refrigerator of the present embodiment, the difference between the phase of the drive voltage and the phase of the drive current is reduced by changing the frequency of the drive voltage (hereinafter referred to as “drive frequency”).
[0056]
More specifically, as shown in the flowchart of FIG. 5, the following processing is executed.
[0057]
First, in ST1, it is determined whether or not the voltage of the linear motor driving voltage output unit 101 is greater than a predetermined value VA in order to drive the piston 1. If the voltage is equal to or lower than the predetermined value VA in ST1, the optimum frequency determination process is terminated. If the voltage is larger than the predetermined value VA in ST1, the phase difference measurement process is executed in ST2.
[0058]
In the phase difference measurement process, the phase of the voltage (hereinafter referred to as “drive voltage”) output from the linear motor drive voltage output unit 101 and the current generated by the drive voltage (hereinafter referred to as “drive current”). The phase difference (hereinafter referred to as “current-voltage phase difference”) is measured. If the drive frequency of the piston 1 is controlled so as to reduce the current-voltage phase difference, the Stirling refrigerator is operated efficiently.
[0059]
Note that the phase of the drive voltage is determined in advance by the microcomputer 104. Further, the drive current is input to the microcomputer 104 via the current sensor 33 and the current value input unit 103 shown in FIG. Therefore, the microcomputer 104 always obtains information on the phase of the drive current. Further, the measurement of the current-voltage phase difference is performed every half cycle.
[0060]
Next, in step ST3, it is determined whether or not the current-voltage phase difference is equal to or greater than a predetermined value (for example, a phase angle of 15 °). If the magnitude of the current-voltage phase difference is greater than or equal to a predetermined value, the drive frequency at that time is stored in the RAM 122 as f0 in step ST4. In step ST4, the current voltage phase difference at that time is stored in the RAM 122 as ph0. In step ST3, if the current-voltage phase difference is not greater than or equal to the predetermined value, the process of step ST1 is executed.
[0061]
Next, in step ST5, for example, the piston 1 is driven at a drive frequency of f0 + Δf (for example, Δf = 0.1 Hz) for 10 cycles. Next, in step ST6, the current-voltage phase difference when the piston 1 is driven at the drive frequency of f0 + Δf is measured. Thereby, in step ST7, the current-voltage phase difference measured in step ST6 is stored in the RAM 122 as ph1.
[0062]
Next, in step ST8, for example, the piston 1 is driven at a drive frequency of f0−Δf for 10 cycles. Thereby, in step ST9, the current voltage phase difference at that time is measured. Next, in step ST10, the current-voltage phase difference measured in step ST9 is stored in the RAM 122 as ph2.
[0063]
Next, the current-voltage phase differences ph0, ph1, and ph2 are compared. Thereby, it is determined which one of the current voltage phase differences ph0, ph1, and ph2 is the minimum value. Accordingly, the optimum frequency determination process is classified into the following three patterns. That is, the pattern A is when the current voltage phase difference ph1 is the minimum value, the pattern B is when the current voltage phase difference ph2 is the minimum value, and the pattern C is when the current voltage phase difference ph0 is the minimum value. It is said.
[0064]
In step ST11, it is determined whether or not the current-voltage phase difference ph1 is the minimum value. If it is determined in step ST11 that ph1 is the minimum value, pattern A is executed in step ST12, that is, the piston 1 is driven at the drive frequency f0 = f0 + Δf. Thereafter, the phase difference measurement process in step ST2 is executed again.
[0065]
If it is determined in step ST11 that the current voltage phase difference ph1 is not the minimum value, it is determined in step ST13 whether or not the current voltage phase difference ph2 is the minimum value.
[0066]
If it is determined in step ST13 that the current-voltage phase difference ph2 is the minimum value, the process of pattern B is executed in step ST14, that is, the piston 1 is driven at the drive frequency f0 = f0−Δf. . Thereafter, the phase difference measurement process in step ST2 is executed again.
[0067]
If it is determined in step ST13 that the current-voltage phase difference ph2 is not the minimum value, ph0 is regarded as the minimum value in ST15, and the pattern C process is executed. Therefore, in step ST16, the operation is continued at the current drive frequency.
[0068]
When the driving of the piston 1 by the pattern C is determined, the driving of the piston 1 at the driving frequency is continued for a predetermined time (for example, 10 minutes). After the predetermined time has elapsed, the phase difference measurement process in step ST2 is performed again.
[0069]
According to the Stirling engine of the present embodiment having the optimum frequency determination process as described above, the drive frequency is controlled so that the current-voltage phase difference is always reduced, so that the drive efficiency of the piston 1 can be improved. It is possible.
[0070]
(Embodiment 2)
Features of the Stirling refrigerator according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. The flow of the optimum frequency determination process in the Stirling refrigerator of the present embodiment is the same as the flow of the optimum frequency determination process of the first embodiment. In the present embodiment, the phase difference measurement process of steps ST2, ST6, ST9 of the first embodiment is shown more specifically.
[0071]
FIG. 6A shows the waveform of the drive voltage used for PWM control for half a cycle. The waveform of the drive voltage is drawn as a sine curve. FIG. 6B shows the waveform of the drive current corresponding to the drive voltage. The waveform of the drive current is also drawn as a sine curve. However, in practice, as shown in FIG. 7, the phase of the drive voltage and the phase of the drive current are shifted from each other.
[0072]
The PWM inverter waveform is formed by a plurality of pulses as shown in FIG. The plurality of pulses gradually increase in width as time passes, and gradually decrease after reaching a peak. The magnitude of the drive voltage corresponds to the pulse width.
[0073]
In the Stirling refrigerator of the present embodiment, as a method of measuring the current-voltage phase difference, a method of obtaining a time difference between the driving voltage peak timing and the driving current peak timing is used.
[0074]
The magnitude of the drive voltage is determined by the microcomputer 104 itself. Therefore, the microcomputer 104 can easily recognize the peak timing of the drive voltage. For example, consider a case where the drive frequency is 100 Hz. In this case, if the period of one pulse constituting a plurality of pulses used for forming an AC waveform with a driving frequency of 100 Hz is 10 kHz, 50 pulses are used during a half cycle of the driving voltage. Therefore, the 26th pulse among the 50 pulses is a pulse corresponding to the timing of the peak of the AC waveform.
[0075]
As shown in FIG. 8, in the phase difference determination process of the present embodiment, first, in ST101, it is determined whether or not the pulse PI for forming the waveform of the drive voltage is the first pulse of the AC waveform. Is done. In ST101, if the pulse PI is not the first pulse, the phase difference measurement process is terminated, and the process of ST3, ST7 or ST10 of the final frequency determination process of FIG. 5 is executed. In ST101, if pulse PI is the first pulse (the first pulse for forming an AC waveform), the processes of ST102 and ST103 are executed.
[0076]
In ST102, the number of pulses of the drive voltage PI is counted. In ST103, it is determined whether or not the value of the counter formed in the RAM 122 is 26 or more. When the value of the counter is smaller than 26 in ST103, the process of counting the number N of pulses of the drive voltage PIN is repeated in ST102. In ST103, if the counter value is 26 or more, the process of ST104 is executed.
[0077]
The microcomputer 104 does not recognize how much the peak timing of the drive current waveform deviates from the peak timing of the drive voltage waveform. In general, it is known that the phase corresponding to the drive voltage is delayed from the drive voltage. Therefore, the driving voltage peak timing (PI _R ) Is used as the reference timing.
[0078]
Therefore, in ST104, the drive currents corresponding to the timings of the drive voltages PI26, PI27,..., PIN (N ≦ 50) in the period in which the pulses for generating the drive voltage after the reference timing are output. The magnitude of QIm is measured sequentially several times.
[0079]
In ST104, the data of the magnitudes of the plurality of drive currents obtained by measurement are named QI1, QI2,..., QIm and stored in the RAM 122. Further, the data QI1, QI2,..., QIm are stored in the RAM 122 in association with the drive voltage timings corresponding to the respective data.
[0080]
In general, in a Stirling refrigerator, the difference between the phase of the drive voltage and the phase of the drive current is equal to or less than a predetermined value. In this embodiment, for example, 45 ° is used as the predetermined value. In this case, the drive current is measured from the pulse PI26 at the peak timing of the drive voltage to the thirteenth (N = 13) pulse PI38, that is, at the timing of each of the pulses PI26 to PI38. In ST105, generally, the value of the drive current may be measured until the value of the drive current becomes zero. However, according to the above-described method, the amount of data stored in the RAM 122 can be reduced.
[0081]
Next, in ST106, data having the maximum current value is retrieved from the measured drive current data QI1 to QI13, and timing information m of the data is read. Thereafter, in ST107, the current-voltage phase difference is calculated using the value of the timing information m.
[0082]
For example, if the maximum current value is QI4, since m = 4 (fourth), the difference between the phase of the drive voltage and the phase of the drive current is expressed by the following equation.
[0083]
Current-voltage phase difference ph = 4 × (100/10000) × 360 ° = 14.4 °
The general formula is
Current-voltage phase difference ph = m × the ratio of the phase angle given to one pulse × 360 °. Note that m is the number of pulses between the pulse PI26 at which the drive voltage peaks and the drive voltage PIN corresponding to the pulse QIm at which the drive current peaks.
[0084]
Ratio of phase angle given to one pulse = (frequency of AC waveform formed by a plurality of pulses used for PWM control) / (frequency of one pulse used for PWM control)
Thereafter, in ST108, the process of proceeding to ST3, ST7 or ST10 of the optimum frequency determination process shown in FIG. 5 is executed.
[0085]
According to the phase difference measurement process of the present embodiment as described above, the current-voltage phase difference can be accurately grasped.
[0086]
(Embodiment 3)
Next, the features of the Stirling refrigerator of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
[0087]
The flow of the final frequency determination process in the Stirling refrigerator of the present embodiment is the same as the flow of the final frequency determination process of the first embodiment. In the present embodiment, the phase difference measurement process of steps ST2, ST6, ST9 of the first embodiment is shown more specifically.
[0088]
The Stirling refrigerator of the present embodiment obtains the area of a region surrounded by a sine wave indicating the magnitude of the drive current and the time axis as a method for measuring the difference between the phase of the drive voltage and the phase of the drive current. The method is used.
[0089]
The microcomputer 104 outputs the drive voltage. Therefore, the microcomputer 104 recognizes the timing when the driving voltage reaches its peak. Therefore, as shown in FIG. 10, in ST201, the magnitude of the drive current QI is sequentially measured for a period of half a cycle in which the drive voltage PI is output.
[0090]
Accordingly, the values of the drive current are named as data QI1, QI2,..., QIN and stored in the RAM 122 (FIG. 9). Further, each of the data QI1, QI2,..., QIN is stored in the RAM 122 in association with the drive voltage timing.
[0091]
Next, in ST202, the sum of the values of QI1 to QI50 is obtained. Next, a value half of the sum is obtained. This value is TW.
[0092]
TW = total of each value Q1 / 2 to QI50 × 1/2
The value of TW is stored in the RAM 122.
[0093]
Next, in ST203, the number of pulses from QI1 to QIm is counted again. The counted value is stored in the RAM 122. In ST204, values from QI1 to QIm are sequentially added again.
[0094]
In ST205, every time m increases by 1, a process of comparing the total value from QI1 to QIm with TW is executed. If the total value from QI1 to QIm exceeds TW in ST205, the comparison process is terminated at that point, and the process of ST206 is executed.
[0095]
A drive current pulse at a timing when the total value from QI1 to QIm exceeds TW is defined as QIm. This QIm pulse timing is the peak timing of the current waveform.
[0096]
When the drive frequency f is the same as that of the Stirling refrigerator of the first embodiment, m−26, which is the difference between the QIm pulse timing of the current waveform and the PI26 pulse timing of the voltage waveform, is the current voltage phase difference ph. become. Therefore, the current voltage phase difference ph is expressed by the following equation.
[0097]
Current-voltage phase difference ph = (PIN timing value when QIm is acquired (N) −PI26 timing value (26)) × phase angle ratio given to one pulse × 360 ° (ST207)
In this case, theoretically, the current-voltage phase difference ph may be a negative value. However, the current voltage phase difference ph cannot be a negative value in practical use. Therefore, when the current voltage phase difference ph is a negative value, the current voltage phase difference ph is replaced with zero.
[0098]
After that, in ST208, the process that proceeds to ST3, ST7, or ST10 of the optimum drive frequency determination process shown in FIG. 5 is executed.
[0099]
According to the phase difference measurement process of the present embodiment as described above, the microcomputer 104 can accurately grasp the current-voltage phase difference.
[0100]
(Embodiment 4)
In the foregoing second and third embodiments, the current-voltage phase difference that is the difference between the phase of the drive voltage and the phase of the drive current is measured. Thereby, control for changing the drive frequency is performed. However, the period of one pulse used for PWM control is a very short time. Therefore, in order to sequentially measure the pulses used for the PWM control, the microcomputer 104 that operates at a very high speed is required. As a result, the microcomputer 104 becomes very expensive. Therefore, the selection range of the Stirling refrigerator is reduced.
[0101]
Therefore, in the Stirling refrigeration of the present embodiment, the current / voltage phase difference itself is not measured. In the present embodiment, a Stirling refrigerator capable of simply estimating the current-voltage phase difference will be described.
[0102]
The optimum drive frequency determination process of the Stirling refrigerator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0103]
In general, a Stirling refrigerator has a characteristic that a current-voltage phase difference increases when a load is large, that is, when a large torque is required.
[0104]
In the present embodiment, the load applied to the Stirling engine is calculated. Thereby, the current-voltage phase difference is estimated using the load. The optimum driving frequency of the piston 1 is determined using the estimated current-voltage phase difference. The process for determining the optimum drive frequency is shown in FIG.
[0105]
In the present embodiment, the aforementioned load is quantified using the values of the temperature Tc (temperature of the expansion space 10) and the temperature Th (temperature of the compression space 9). This load value is called a load point LP and is expressed by the following equation.
[0106]
As shown in FIG. 11, in the optimum drive frequency determination process of the present embodiment, first, in step S1, Tc is substituted for x of the function A (x). Thereby, the load point LP (1) is calculated. As the function A (x), LP = 0.02 × Tc × Tc−0.8 × Tc + 13 shown in FIG. 12 is used.
[0107]
Load point LP (1) = function A (Tc)
Next, in step S2, Th is substituted for x of the function B (x). Thereby, the load point LP (2) is calculated. As the function B (x), LP = 0.03 × Th × Th−1.2 × Th + 19 shown in FIG. 13 is used.
[0108]
Load point LP (2) = function B (Th)
Thereafter, in step S3, the total load point LP (3) is calculated using the load point LP (1) and the load point LP (2).
[0109]
The function A shows the characteristics as shown in FIG. 12, and the load point LP (1) decreases as the temperature Tc increases, and is represented by a quadratic function of the temperature Tc. Yes.
[0110]
Further, the function B shows the characteristics as shown in FIG. 13, and the load point LP (2) increases dramatically as the temperature Th increases, and is a quadratic function of the temperature Th. It is shown.
[0111]
12 and FIG. 13, when the absolute value of the function A is compared with the absolute value of the function B, it can be seen that the influence of the function B is stronger than the influence of the function A. The maximum value of function A and the maximum value of function B are the same.
[0112]
As a calculation formula for the total load point (3), a function B with a coefficient C added is used. Therefore, the total load point LP (3) obtained by adding the load point LP (1) and the load point LP (2) is expressed by the following equation.
[0113]
Total load point LP (3) = function A (Tc) + C × function B (Th)
C is a coefficient.
[0114]
Next, in step S4, the driving frequency f of the piston 1 is calculated using the total load point LP (3).
[0115]
As this calculation formula, the following formula is used.
Drive frequency f = function FL (total load point LP (3))
That is, as shown in FIG. 14, f = 0.01 × (total load point LP (3) −50) +100
This function FL shows a characteristic as shown in FIG. 14, and the larger the total load point LP (3) is, the larger the drive frequency f is proportionally. It is shown by the following function.
[0116]
According to the Stirling refrigerator as described above, the control burden on the microcomputer 104 is reduced as compared with the second and third embodiments. Therefore, even if the microcomputer 104 that cannot operate at a very high speed is used, the driving efficiency of the piston 1 can be improved. As a result, the manufacturing cost of the Stirling refrigerator can be reduced. Moreover, the range of choice in the design of the Stirling refrigerator can be expanded.
[0117]
(Embodiment 5)
In the Stirling refrigerator of the present embodiment, instead of the temperature Tc and the temperature Th used in the fourth embodiment, the current voltage level is expressed by the temperature Tc (temperature of the expansion space 10) and temperature Tb (temperature of the bounce space 8). Estimate the phase difference. The optimum driving frequency of the piston 1 is determined using the estimated current-voltage phase difference. The process for determining the optimum drive frequency is shown in FIG.
[0118]
As shown in FIG. 15, in the optimum drive frequency determination process of the present embodiment, first, in step S11, Tc is substituted for x of the function A (x). Thereby, the load point LP (1) is calculated. As the function A (x), LP = 0.02 × Tc × Tc−0.8 × Tc + 13 shown in FIG. 12 is used.
[0119]
Load point LP (1) = function A (Tc)
Next, in step S12, Tb is substituted for x of the function D (x). Thereby, the load point LP (4) is calculated. As the function D (x), LP = 0.045 × Tb × Tb−1.2 × Tb + 19 shown in FIG. 16 is used.
[0120]
Load point LP (4) = function D (Tb)
Thereafter, in step S13, the total load point LP (5) is calculated using the load point LP (1) and the load point LP (4).
[0121]
Total load point LP (5) = function A (Tc) + F × function D (Tb)
Note that F is a coefficient.
[0122]
The function A (Tc) of the total load point LP (5) described above is the same as the function A (Tc) shown in FIG. 10 of the fourth embodiment.
[0123]
As shown in FIG. 16, the function D (Tb) shows characteristics similar to the function B (Th) shown in FIG. 13, but has a slightly steeper slope than the function B (Th). When Tb and Th are the same value, the function D (Tb) is a function indicating a value (absolute value) larger than the function B (Th).
[0124]
Next, in step S14, the driving frequency f of the piston 1 is calculated using the total load point (5).
[0125]
As this calculation formula, the following formula is used.
Drive frequency f = function FL (total load point LP (5))
The function FL for calculating the total load point (5) is the same as the equation shown in FIG. 14 in the fourth embodiment.
[0126]
That is, f = 0.01 × (total load point LP (5) −50) +100 is used.
[0127]
Also with the Stirling refrigerator as described above, the control burden on the microcomputer 104 is reduced as compared with the second and third embodiments, as in the fourth embodiment. Therefore, even if the microcomputer 104 that cannot operate at a very high speed is used, the driving efficiency of the piston 1 can be improved. As a result, the manufacturing cost of the Stirling refrigerator can be reduced. Moreover, the range of choice in the design of the Stirling refrigerator can be expanded.
[0128]
(Embodiment 6)
The Stirling refrigerator of the present embodiment can use the control by the optimum drive frequency determination process used in each of Embodiments 4 and 5 depending on the operation time.
[0129]
That is, the Stirling refrigerator of the present embodiment uses the temperature Tc and the temperature Th used in the fourth embodiment to estimate the current-voltage phase difference, and the current-voltage phase difference using the temperature Tc and the temperature Tb. It is possible to select the control for estimating. The optimum driving frequency of the piston 1 is determined using the estimated current-voltage phase difference. The process for determining the optimum drive frequency is shown in FIG.
[0130]
As shown in FIG. 17, in the optimum drive frequency determination process of the present embodiment, first, the operation time is measured immediately after the start of the operation of the Stirling refrigerator. Therefore, as shown in FIG. 17, in S20, the timer is started and the operation time is started.
[0131]
In step S21, Tc is substituted for x of the function A (x). Thereby, the load point LP (1) is calculated. As the function A (x), LP = 0.02 × Tc × Tc−0.8 × Tc + 13 shown in FIG. 12 is used.
[0132]
Load point LP (1) = function A (Tc)
Next, in step S22a, it is determined whether or not the time counted by the timer has passed a predetermined time (for example, 60 minutes). In S22a, if the timer has passed the predetermined time, Th is substituted for function B in S22b. If the predetermined time has not elapsed in S22a, Tb is substituted for x of the function D (x) in S22c. As the function B (x), LP = 0.03 × Th × Th−1.2 × Th + 19 shown in FIG. 13 is used. As the function D (x), LP = 0.045 × Tb × Tb−1.2 × Tb + 19 shown in FIG. 16 is used.
[0133]
Next, step S23 is executed. In S23, when the operation time is within a predetermined time, the total load point LP is calculated using the formula of the total load point LP (5) used in the fifth embodiment. In S23, when the operation time becomes longer than the predetermined time, the total load point LP is calculated using the formula of the total load point LP (3) used in the fourth embodiment.
[0134]
Next, in S24, the driving frequency f of the piston 1 is calculated using the total load point LP (3) or the total load point LP (5).
[0135]
Note that the function FL for calculating the total load point LP (3) or the total load point (5) is f = 0.01 × (total load point LP (3 or 5) −50) +100. In the fourth embodiment, the formula is the same as that shown in FIG.
[0136]
The reason for performing the control as described above is as follows.
Immediately after the operation of the Stirling refrigerator is started, the temperature Th rises rapidly. Accordingly, when the total load point is calculated using the temperature Tc and the temperature Th immediately after the operation of the Stirling refrigerator is started, the load point increases when the actual Stirling refrigerator load is not increased. The microcomputer 104 determines. For this reason, there is a large gap between the load actually applied to the Stirling refrigerator and the load estimated using temperature detection. In that case, control that is not suitable for the state of the Stirling refrigerator is performed.
[0137]
On the other hand, the temperature Tb rises gradually with respect to the temperature Th. Therefore, immediately after starting the operation of the Stirling refrigerator, the temperature Tb shows a variation close to the state of the load applied to the actual Stirling refrigerator.
[0138]
Therefore, immediately after starting the operation of the Stirling refrigerator, the temperature Tb is used for calculation of the total load point. Further, after the operation of the Stirling refrigerator becomes stable, the temperature Th is used for calculating the total load. Thereby, the load concerning a Stirling refrigerator can be estimated appropriately according to each of the period immediately after the operation is started and the period when the operation is stable.
[0139]
(Embodiment 7)
In the Stirling refrigerator of the present embodiment, the load is calculated from the temperatures of the three parts of the temperature Tc of the expansion space 9, the temperature Th of the compression space 9, and the temperature Tb of the bounce space 8, and the current voltage is calculated using the load. Estimate the phase difference. The optimum driving frequency of the piston 1 is determined using the estimated current-voltage phase difference. The process for determining the optimum drive frequency is shown in FIG.
[0140]
As shown in FIG. 18, in the optimum drive frequency determination process of the present embodiment, first, in step S31, Tc is substituted for x of the function X (x). Thereby, the load point LP (6) is calculated.
[0141]
Next, in step S32a, Th is substituted for x of the function Y (x). Thereby, the load point LP (7) is calculated.
[0142]
Next, in step S32b, Tb is substituted for x of the function Z (x). Thereby, the load point LP (8) is calculated.
[0143]
Thereafter, in step S33, the total load point LP (9) is calculated using the load point LP (6), the load point LP (7), and the load point (8).
[0144]
Total load point LP (9) = function X (Tc) + G × function Y (Th) + H × function Z (Tb)
G and H are coefficients.
[0145]
The function X (Tc) is a function similar to the function A (Tc), the function Y (Th) is a function similar to the function B (Th), and the function Z (Tb) is similar to the function D (Tb). It is a function.
[0146]
However, the ratios of the function X (Tc), the function Y (Th), and the function Z (Tb) are different from the function A (Tc), the function B (Th), and the function D (Tb), respectively. In the present embodiment, the function X (Tc), the function Y (Th), and the function Z (Tb) are used, but instead of the function X (Tc) as in the fourth to sixth embodiments described above. The function A (Tc) may be used, the function B (Th) may be used instead of the function Y (Th), and the function D (Tb) may be used instead of the function Z (Tb).
[0147]
Thereafter, in step S34, the driving frequency f of the piston 1 = function FL (total load point LP (9)) is calculated using the total load point LP (9).
[0148]
The function FL for calculating the total load point LP (9) is f = 0.01 × (total load point LP (9) −50) +100, which is shown in FIG. 14 in the fourth embodiment. It is the same as the formula.
[0149]
According to the Stirling refrigerator of the present embodiment described above, the load is calculated from the temperatures of the three portions of the temperature Tc of the expansion space 10, the temperature Th of the compression space 9, and the temperature Tb of the bounce space 8, and the load is used. Thus, the current / voltage phase difference is estimated, so that the load can be calculated more appropriately than the methods of the fourth and fifth embodiments.
[0150]
In the above embodiment, the Stirling engine has been described using the Stirling refrigerator as an example.
[0151]
In addition, it should be considered that the embodiment disclosed this time is illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0152]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the drive frequency of the piston is changed based on the load applied to the Stirling refrigerator, an operation with improved drive efficiency is possible regardless of changes in the spring constant.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a Stirling refrigerator according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram for explaining a relationship between a linear motor and a control box of the Stirling refrigerator according to the embodiment.
FIG. 3 is a diagram for explaining an internal configuration of a control box of the Stirling refrigerator according to the embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining the inside of the microcomputer of the Stirling refrigerator of the embodiment.
FIG. 5 is a flowchart for explaining optimum driving frequency determination processing according to the first embodiment;
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a waveform of a PWM AC voltage and a pulse waveform.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a drive voltage waveform and a drive current waveform for explaining the current-voltage phase difference measurement method according to the second embodiment;
FIG. 8 is a flowchart for explaining phase difference measurement processing according to the second embodiment;
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between a drive voltage waveform and a drive current waveform for explaining the current-voltage phase difference measurement method according to the third embodiment;
FIG. 10 is a flowchart for explaining phase difference measurement processing according to the third embodiment;
FIG. 11 is a diagram for explaining optimum drive frequency determination processing according to the fourth embodiment.
12 is a graph showing a function A used in Embodiments 4 to 7. FIG.
FIG. 13 is a graph showing a function B used in the fourth, sixth, and seventh embodiments.
FIG. 14 is a graph showing a function C used in the fourth to seventh embodiments.
FIG. 15 is a diagram for explaining optimum drive frequency determination processing according to the fifth embodiment;
FIG. 16 is a graph showing a function D used in the fifth to seventh embodiments.
FIG. 17 is a diagram for explaining optimum drive frequency determination processing according to the sixth embodiment;
FIG. 18 is a diagram for explaining optimum drive frequency determination processing according to the seventh embodiment.
[Explanation of symbols]
2 Displacer, 3 Piston, 8 Bounce space, 9 Compression space, 10 Expansion space, 13 Linear motor.

Claims

By applying a driving force to the piston, the piston and the displacer reciprocate on the same axis with a predetermined period while having a phase difference, and a heat exchange cycle of the heat exchange medium is formed due to the reciprocating motion. Stirling organization
A linear motor that generates a driving force applied to the piston;
A power source for generating AC power for applying the driving force to the linear motor;
A control device for controlling the AC power;
Means for detecting the phase of the voltage of the AC power and the phase of the current;
The control device is a Stirling engine including a frequency changing unit that changes the frequency of the AC power so that a phase difference between a voltage phase and a current phase is small.

By applying a driving force to the piston, the piston and the displacer reciprocate on the same axis with a predetermined period while having a phase difference, and a heat exchange cycle of the heat exchange medium is formed due to the reciprocating motion. Stirling organization
A linear motor that generates a driving force applied to the piston;
A power source for generating AC power for applying the driving force to the linear motor;
A control device for controlling the AC power,
The control device includes a frequency changing unit that changes the frequency of the AC power;
A load calculating unit that calculates a load applied to the Stirling engine,
The frequency changing unit is a Stirling engine that changes the frequency of the AC power based on the load calculated by the load calculating unit.

The load calculation unit includes a current-voltage phase difference detection unit that detects a difference between a phase of a current of the AC power and a phase of a voltage as the load,
The Stirling engine according to claim 2, wherein the frequency changing unit changes the frequency of the AC power so that the current-voltage phase difference is reduced.

The Stirling engine according to claim 3, wherein a difference between a peak timing of the current waveform and a peak timing of the voltage waveform is used as the current-voltage phase difference.

The Stirling organization
A compression space in which the refrigerant is compressed in the heat exchange cycle;
An expansion space in which the refrigerant expands in the heat exchange cycle;
The expansion space constituting the heat exchange cycle further comprises a back space separated by the piston,
3. The Stirling engine according to claim 2, wherein the load calculation unit calculates the load using at least two of the temperature of the compression space, the temperature of the expansion space, and the temperature of the back space. .

The load calculation unit calculates the load using the temperature of the expansion space and the temperature of the back space from the start of operation of the Stirling engine to a predetermined time, and after the predetermined time has elapsed, the expansion The Stirling engine according to claim 5, wherein the load is calculated using a temperature of the space and a temperature of the compression space.