JP2005207293A - スターリング機関の品質管理方法及びフリーピストンスターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】
各個体の発振周波数を決定する要因となる部品の機械的性状バラツキを許容して、製造コストの低減が可能なフリーピストンスターリング機関の品質管理方法を提供する。
【解決手段】
出力ピストン１５に永久磁石２０を固定し、ケーシング１１側に電磁コイル２２を固定し、電磁コイル２２への交流電流の通電により出力ピストン１５の周期運動が誘導されて始動可能な、交流電流を供給する始動用発振電源３を備えたフリーピストンスターリング機関１０において、ケーシング１１側に発電用コイル２３を設け、始動用発振電源３の発振周波数を変化させて、発電用コイル２３の負荷を一定にして発電用コイル２３に出力される電圧を検出し、検出した電圧値が最大値または最大値付近にあると判定される場合の発振周波数を、フリーピストンスターリング機関１０の個体毎に固有の最適発振周波数とし、始動用発振電源３の発振周波数を当該最適発振周波数に調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フリーピストンスターリング機関及びフリーピストンスターリング機関の発振周波数の調整に係る品質管理方法に関する。

スターリング機関としてのスターリングエンジンは、原理的には、膨張空間と圧縮空間において、「等温膨張・等容冷却・等温圧縮・等容加熱」を繰り返す基本熱サイクルによって機械的運動を発生するもので、機械的駆動機構によって種々の構成形式が存在する。しかし、機械的駆動機構を有するスターリングエンジンは、上記基本熱サイクルに関与するヘリウム等の作動流体がケーシング外部に漏れるという問題があり、性能を長時間に亘って維持することが困難であった。

そこで、機械的駆動機構を有しない、つまり、上記機械的運動を機械的運動として外部に出力せずに、一旦電気エネルギ等に変換して出力するフリーピストンスターリングエンジンが提案され、実用化されている。

上記のような発電機構を備えたフリーピストンスターリングエンジンの基本的な構成を図７に模式的に示す。フリーピストンスターリングエンジン１は、ケーシング１１内に往復動自在なディスプレーサ１２を設け、このディスプレーサ１２によって仕切られた膨張空間１３と圧縮空間１４を形成し、更に、ケーシング１１内にディスプレーサ１２の往復動に応じた作動流体の圧力変化に従って往復動する出力ピストン１５を、圧縮空間１４を挟んでディスプレーサ１２の反対側に設け、更に、出力ピストン１５の圧縮空間１４の反対側にバウンス空間１６にバネ機構（図示せず）を設けてある。また、ディスプレーサ１２は、出力ピストン１５に設けられた貫通孔を挿通するロッド１２ａを備え、ロッド１２ａの端部１２ｂでバウンス空間１６側の圧力を受圧可能な構成となっている。尚、上記バネ機構としては、コイルスプリングや板バネ等の機械式バネ、ガスバネ、或いは、電磁バネ等が用いられている。

更に、膨張空間１３は連通管を介して加熱部（高温熱交換器）１７に連絡し、圧縮空間１４は連通管を介して冷却部（低温熱交換器）１８に連絡し、加熱部１７と冷却部１８の間には作動流体が通過可能な蓄熱体を備えた再生器１９が設けられている。従って、膨張空間１３と圧縮空間１４は、冷却部１８、再生器１９、加熱部１７を介して連通しているため、ディスプレーサ１２の位置に拘わらず同じ圧力に調整される。更に、出力ピストン１５には永久磁石２０が設けられ、出力ピストン１５の往復動に伴って同様に往復動する永久磁石２０の磁界が横切る位置に電磁コイル２１を設け、永久磁石２０の往復動による磁界の交番変化を電磁コイル２１で交流電力に変換可能な構成となっている。

尚、フリーピストンスターリングエンジンについては、種々の形態のものが、下記の特許文献１〜３に開示されている。

ディスプレーサ１２の往復動の原理について簡単に説明すれば、図７においてディスプレーサ１２が下方（圧縮空間１４側）に移動すると、圧縮空間１４内の作動流体は、冷却部１８、再生器１９、加熱部１７を通って膨張空間１３に送出される。この過程で、作動流体は吸熱膨張して出力ピストン１５を押し下げる。ここで、バウンス空間１６側の方が、膨張空間１３と圧縮空間１４より高圧になると、ディスプレーサ１２が上方（膨張空間１３側）に押し上げられる。一方、ディスプレーサ１２が上方（膨張空間１３側）に移動すると、膨張空間１３内の作動流体は、加熱部１７、冷却部１８、再生器１９を逆に通って圧縮空間１４に送出される。この過程で、作動流体は冷却収縮して圧力が低下するので、出力ピストン１５が上方に押し上げられる。ここで、バウンス空間１６側の方が、膨張空間１３と圧縮空間１４より低圧になると、ディスプレーサ１２が下方（圧縮空間１４側）に押し下げられる。かかる出力ピストン１５の往復動によって発電されることになる。

フリーピストンスターリングエンジン１は、外部エネルギによって出力ピストン１５を往復動させることで始動し、冷却部１８、再生器１９、加熱部１７を介して連通している圧縮空間１４と膨張空間１３内の作動流体の圧力が周期的に変化することでディスプレーサ１２が往復動する。結果として上記各部の構成によって定まる固有振動数で、加熱部１７からの吸熱と冷却部１８での放熱を繰り返すことによって、出力ピストン１５の周期的な運動が継続し、当該固有振動で定まる周波数の交流電力を出力する。

また、フリーピストンスターリング機関としては、上記構成のフリーピストンスターリングエンジンの他に、電磁コイル２１から電力を受け取り、加熱部１７で作動流体を加熱することで外部熱を吸熱し、冷却部１８で作動流体から熱を放熱する冷暖房装置としての構成とすることができる。この場合においても、フリーピストンスターリング機関は、フリーピストンスターリングエンジンと同じく固有振動で出力ピストン１５の周期的な運動が継続するので、電磁コイル２１に通電する交流電流の周波数は、当該固有振動で定まる周波数とする必要がある。
特開２００３−１３０４８０号公報 特許第３１００１６３号明細書 実公平８−５２０号公報 特表２００３−５２５３８６号公報

ところで、上述のように、フリーピストンスターリングエンジン等のフリーピストンスターリング機関は、ディスプレーサ、出力ピストン、バネ機構等の機械的バランスによって各個体に固有の発振周波数が決まってしまう。このため、各部を構成する部品の製造バラツキ等によって、個体毎に微妙に発振周波数が異なる。

一方、フリーピストンスターリング機関は、始動時に始動用の電磁コイルから交流電流を供給する発振源を必要とするが、発振源の発振周波数が上記各個体に固有の発振周波数と一致していなければ、安定した運転が不可能となる。

従って、従来のフリーピストンスターリング機関の品質管理では、構成部品の機械的性状のバラツキを極力抑えるために、品質管理に多大なコストと手間を要していた。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、各個体の発振周波数を決定する要因となる部品の機械的性状バラツキを許容して、製造コストの低減が可能なフリーピストンスターリング機関の品質管理方法を提供することにある。また、各個体の発振周波数を決定する要因となる部品の機械的性状バラツキを許容可能に構成されたフリーピストンスターリング機関を提供することにある。

この目的を達成するための本発明に係るスターリング機関の品質管理方法の第一の特徴構成は、出力ピストンに永久磁石を固定し、ケーシング側に電磁コイルを固定し、前記電磁コイルへ交流電流を供給して前記出力ピストンの周期運動を誘導して始動させる始動用発振電源を備えたフリーピストンスターリング機関において、前記始動用発振電源の発振周波数を、前記フリーピストンスターリング機関の個体毎に固有の最適発振周波数に調整する点にある。

上記スターリング機関の品質管理方法の第一の特徴構成によれば、フリーピストンスターリング機関の構成部品の機械的性状のバラツキによって生じる個体毎に固有の最適発振周波数、つまりバラツキのある発振周波数に、始動用発振電源の発振周波数を合わせ込むことにより、フリーピストンスターリング機関の安定した運転が実現できるとともに、始動用発振電源の外側から見れば構成部品の機械的性状のバラツキによる発振周波数のバラツキが吸収され、フリーピストンスターリング機関の発振周波数を一定値に揃えるための構成部品の品質管理を厳密に行う必要がなくなり、製造コストの低減が図れる。

同第二の特徴構成は、上記第一の特徴構成に加えて、前記ケーシング側に発電用コイルを設け、前記始動用発振電源の発振周波数を変化させて、前記発電用コイルの負荷を一定にして前記発電用コイルに出力される電圧を検出し、前記検出した電圧値が最大値または最大値付近にあると判定される場合の前記発振周波数を前記最適発振周波数とする点にある。これにより、始動用発振電源の発振周波数を変化させて最適発振周波数とすることができ、フリーピストンスターリング機関の安定した運転が実現できるとともに、構成部品の機械的性状のバラツキによる発振周波数のバラツキが吸収され、構成部品の品質管理を厳密に行う必要がなくなり、製造コストの低減が図れる。

同第三の特徴構成は、上記何れか一つの特徴構成に加えて、前記始動用発振電源の発振周波数の調整を、前記フリーピストンスターリング機関の工場出荷時または設置時に行う点にある。これにより、工場出荷時または設置時に始動用発振電源の発振周波数を変化させて最適発振周波数に調整でき、実働時には、フリーピストンスターリング機関の安定した運転が実現できる。

同第四の特徴構成は、上記何れか一つの特徴構成に加えて、前記始動用発振電源の発振周波数の調整を、前記フリーピストンスターリング機関の始動時に行う点にある。これにより、前回運転時から今回始動時までに生じた環境変化や構成部品の経時変化による発振周波数の変動を補正して、新たな最適発振周波数に調整でき、上記変化を許容してフリーピストンスターリング機関の安定した運転を維持することができる。

同第五の特徴構成は、上記何れかの一つの特徴構成に加えて、前記始動用発振電源の発振周波数の調整を、前記フリーピストンスターリング機関の運転時に行う。これにより、運転継続中に生じた環境変化や構成部品の経時変化による発振周波数の変動を補正して、新たな最適発振周波数に調整でき、上記変化を許容してフリーピストンスターリング機関の安定した運転を維持することができる。

この目的を達成するための本発明に係るフリーピストンスターリング機関の第一の特徴構成は、上記第一または第二の特徴構成のスターリング機関の品質管理方法によって、前記始動用発振電源の発振周波数が個体毎に固有の最適発振周波数に調整されている点にある。

上記フリーピストンスターリング機関の第一の特徴構成によれば、フリーピストンスターリング機関の発振周波数を一定値に揃えるための構成部品の品質管理を厳密に行う必要がなくなり、低コストで、且つ、安定した運転を実現できるフリーピストンスターリング機関を提供できる。

同第二の特徴構成は、始動時または運転時において、上記第一または第二の特徴構成のスターリング機関の品質管理方法による前記始動用発振電源の発振周波数の調整を自動で行う発振周波数調整手段を備えている点にある。これによれば、フリーピストンスターリング機関の工場出荷時、設置時、始動時、運転時の何れの場合においても、発振周波数調整手段を作動させることで、始動用発振電源の発振周波数を各個体に固有の最適発振周波数に調整できるので、常に安定した運転の維持が可能となる。

同第三の特徴構成は、上記第一または第二の特徴構成に加えて、前記始動用発振電源が、商用電力系統の交流周波数を前記最適発振周波数に変換可能な始動用インバータである点にある。これによれば、フリーピストンスターリング機関の発振周波数を商用電力系統の交流周波数（固定周波数）に一致させる必要がないため、製造コスト高騰の要因となる構成部品の厳密な品質管理を簡略化でき、低コストでフリーピストンスターリング機関の始動用発振源として商用電力系統を利用することができる。

同第四の特徴構成は、上記何れか一つの特徴構成に加えて、前記出力ピストンの周期運動の持続によって前記電磁コイルまたは別途設けられた発電用コイルに誘導される交流電流を出力する発電機として構成され、前記発電機の発電出力を、商用電力系統と系統連系させるための系統連系用インバータを備えている点にある。これによれば、フリーピストンスターリング機関の発振周波数を商用電力系統の交流周波数（固定周波数）に一致させる必要がないため、製造コスト高騰の要因となる構成部品の厳密な品質管理を簡略化でき、低コストでフリーピストンスターリング機関の発電電力を商用電力系統と系統連系させて利用することができる。

この目的を達成するための本発明に係る発振周波数調整装置の特徴構成は、フリーピストンスターリング機関に設けられた前記始動用発振電源の発振周波数の調整を、上記第一または第二の特徴構成のスターリング機関の品質管理方法によって自動的に実行する点にある。これにより、上記各特徴構成のスターリング機関の品質管理方法を、フリーピストンスターリング機関に対して実行でき、上記特徴構成のスターリング機関の品質管理方法の作用効果を奏することができる。

本発明に係るスターリング機関の品質管理方法及びフリーピストンスターリング機関（以下、適宜「本発明方法」及び「本発明機関」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。尚、以下の説明では、フリーピストンスターリング機関としてフリーピストンスターリングエンジンの場合を想定して説明する。また、従来のフリーピストンスターリングエンジン（図７参照）と同じ構成部分については同じ符号を付して説明する。

図１に示すように、本発明機関１０は、フリーピストンスターリングエンジン１、フリーピストンスターリングエンジン１からの放熱を回収する排熱回収機構２、商用電力系統７と接続してフリーピストンスターリングエンジン１を始動するための駆動電力を与える始動用発振電源としての駆動用インバータ３、フリーピストンスターリングエンジン１の発電電力を、商用電力系統７に連系させるための系統連系用インバータ４、駆動用インバータ３の出力周波数Ｆをフリーピストンスターリングエンジン１の最適発振周波数Ｆｘに自動調製する発振周波数調整手段５、及び、フリーピストンスターリングエンジン１の出力電圧を検出する電圧検出器６を備えて構成される。

フリーピストンスターリングエンジン１は、公知のフリーピストンスターリングエンジンであれば特に如何なる形式のものでも構わないが、基本的には、図１に示すように、従来技術として図７で説明したものと同じ構成である。従って、フリーピストンスターリングエンジン１は、ケーシング１１内に往復動自在なディスプレーサ１２を備え、このディスプレーサ１２によって仕切られた膨張空間１３と圧縮空間１４を形成し、膨張空間１３と圧縮空間１４内の圧力変化に従って往復動する出力ピストン１５を、圧縮空間１４を挟んでディスプレーサ１２の反対側に備え、更に、出力ピストン１５の圧縮空間１４の反対側にバウンス空間１６にバネ機構（図示せず）を備えている。また、ディスプレーサ１２は、出力ピストン１５に設けられた貫通孔を挿通するロッド１２ａを備え、ロッド１２ａの端部１２ｂでバウンス空間１６側の圧力を受圧可能な構成となっている。尚、上記バネ機構としては、コイルスプリングや板バネ等の機械式バネ、ガスバネ、或いは、電磁バネ等が適宜採用できる。更に、膨張空間１３は連通管を介して加熱部（高温熱交換器）１７に連絡し、圧縮空間１４は連通管を介して冷却部（低温熱交換器）１８に連絡し、加熱部１７と冷却部１８の間には作動流体が通過可能な蓄熱体を備えた再生器１９が設けられている。更に、ケーシング１１内において出力ピストン１５には永久磁石２０が設けられ、出力ピストン１５の往復動に伴って往復動する永久磁石２０の磁界が横切る位置に２つの電磁コイル２２、２３が設けられている。一方の電磁コイル２２は、出力ピストン１５に往復動を与えてフリーピストンスターリングエンジン１を発振させるための駆動用コイル２２で、他方の電磁コイル２３は、出力ピストン１５つまり永久磁石２０の往復動を電力に変換する発電機を構成する発電用コイル２３である。尚、作動流体としてはヘリウムが一般的に使用されるが、作動流体はヘリウムに限定されるものではない。

フリーピストンスターリングエンジン１の加熱部１７への加熱は、例えば、バーナ装置等で都市ガスを燃焼させることで実現可能であるが、本発明機関１０では、加熱手段は特に都市ガスの燃焼に限定されるものではない。

排熱回収機構２は、例えば、フリーピストンスターリングエンジン１の冷却部１８からの放熱を水等の排熱回収媒体の加熱に利用して温水として回収する機構で、冷却部１８が、排熱回収機構２の一部として、冷却部１８内の作動流体と排熱回収媒体の間の熱交換器で構成される。この場合、排熱回収機構２には、例えば、排熱回収により生成された温水を貯湯する貯湯タンク等が含まれる。尚、排熱回収機構２は、当該形態に限定されるものではない。

駆動用インバータ３は、図２に示すように、入力側で商用電力系統７に接続し、商用電力系統７の商用交流電力を内蔵のダイオードブリッジ等の整流器３１で一旦直流化した後に、内蔵のＩＧＢＴ（３端子バイポーラＭＯＳ複合半導体素子）等のパワートランジスタで構成されたブリッジ回路３２によりフリーピストンスターリングエンジン１の発電周波数に一致した周波数の交流電力に変換し、フリーピストンスターリングエンジン１の駆動用コイル２２に交流電流を通電する。つまり、駆動用インバータ３は、駆動用コイル２２に対して発振器として機能する。ブリッジ回路３２の制御は、パワートランジスタの各ゲートを駆動するゲート駆動部３３に対して正弦波ＰＷＭ方式等で制御する制御部３４で行われる。尚、駆動用インバータ３の出力は、出力ピストン１５の始動に必要十分な小出力で構わない。

系統連系用インバータ４は、図３に示すように、駆動用インバータ３と同様の回路構成のＡＣ／ＡＣ変換部４１、連系継電器４２、単独運転検出部４３、出力制御部４４、電流検出部４５、及び、電圧検出部４６を備えて構成される。ＡＣ／ＡＣ変換部４１は、入力側でフリーピストンスターリングエンジン１の発電用コイル２３に接続し、フリーピストンスターリングエンジン１の発電電力を内蔵のダイオードブリッジ等の整流器４７で一旦直流化した後に、内蔵のＩＧＢＴ等のパワートランジスタで構成されたブリッジ回路４８により商用電力系統７の系統周波数に一致した周波数の交流電力に変換する。ブリッジ回路４８の制御は、パワートランジスタの各ゲートを駆動するゲート駆動部４９に対して正弦波ＰＷＭ方式等で制御する制御部５０で行われる。

連系継電器４２は、ＡＣ／ＡＣ変換部４１の出力側と商用電力系統７を接続する継電器で、単独運転（系統停電）検知時に出力制御部４４によって開成され通電状態が遮断される。

単独運転検出部４３は、系統電圧を監視して、系統停電による単独運転時に現れる変化を検出する受動的単独運転検出機能と、系統連系発電装置側（つまり、単独運転検出部４３）から出力に特定の変動を与えて単独運転時に現れる変化を検出する能動的単独運転検出機能の２方式の単独運転検出機能を、単独で、或いは両者を組み合わせて構成される。受動的方式としては、電圧位相跳躍検出式、３次高調波歪急増検出式、周波数変化率検出式等の方式がある。能動的方式としては、周波数シフト式、有効電力変動式、無効電力変動式等の方式がある。本発明機関１０では、系統連系において要求される精度に応じて適切な方式を採用すればよく、特定の方式に限定されるものではない。従って、これら単独運転検出機能を実現する公知の回路構成や検出アルゴリズムを採用すればよい。

出力制御部４４は、単独運転検出部４３で所定の単独運転検出方式で検出された単独運転（つまり、系統停電）の検出信号Ｓ１に基づいて、ＡＣ／ＡＣ変換部４１の運転停止を制御するゲートブロック５１と連系継電器４２の開閉を制御する解列制御部５２を備えて構成される。ゲートブロック５１は、単独運転検出信号Ｓ１を受け取ると、ＡＣ／ＡＣ変換部４１のゲート駆動部４９に対して運転停止信号Ｓ２を出力し、ＡＣ／ＡＣ変換部４１の運転を停止させる。解列制御部１６は、単独運転検出信号Ｓ１を受け取ると、連系継電器４２に対して解列信号Ｓ３を出力して連系継電器４２を開成させ、ＡＣ／ＡＣ変換部４１の出力と商用電力系統７との連系接続を遮断する。

電流検出部４５と電圧検出部４６は、夫々電流トランスや電圧トランス等で構成され、ＡＣ／ＡＣ変換部４１の出力と商用電力系統７の間に設置されている。単独運転検出部４３は、夫々の単独運転検出方式に基づいて電流検出部４５と電圧検出部４６の出力に基づいて単独運転検出を実行する。

発振周波数調整手段５は、プログラム内蔵型のマイクロコンピュータ等のコンピュータシステムで構成され、本発明方法による駆動用インバータ３の出力周波数Ｆの自動調整アルゴリズムを所定の入力情報に基づいて実行する内蔵プログラムを、マイクロコンピュータのＣＰＵが逐次実行することで実現される。ここで、所定の入力情報として、電圧検出器６で検出されたフリーピストンスターリングエンジン１の出力電圧Ｖｏを使用する。発振周波数調整手段５のハードウェア構成は、一般的なマイクロコンピュータシステムと同じであるので、詳細な説明は割愛する。

図１に示すように本発明機関１０を構成することで、フリーピストンスターリングエンジン１の始動を、駆動用インバータ３を介して実行できるとともに、フリーピストンスターリングエンジン１の発電電力と商用電力系統７に系統連系させて利用できる。また、発振周波数調整手段５によって、構成部品の機械的性状のバラツキ、経時変化（経時劣化）、使用環境変化等の影響によってフリーピストンスターリングエンジン１の個体別に固有に定まる発振周波数に、駆動用インバータ３の出力周波数を一致させることができるため、フリーピストンスターリングエンジン１の安定した運転が可能となる。この意味合いにおいて、本発明では、フリーピストンスターリングエンジン１の個体別に固有に定まる発振周波数を最適発振周波数Ｆｘと称する。

次に、発振周波数調整手段５を用いて実行される本発明方法による駆動用インバータ３の駆動周波数Ｆの自動調整処理の手順について図４及び図５に示すフローチャートを参照して説明する。本実施形態では、本発明機関１０が始動される毎に本発明方法による出力周波数Ｆの自動調整処理が実行される場合について説明する。

図４に示すように、本発明機関１０が始動すると、駆動周波数Ｆを前回運転時の設定駆動周波数ｆ０に設定して、駆動用インバータ３がＦ＝ｆ０で駆動用コイル２２に交流電流を通電する（ステップ＃１）。次に、駆動周波数Ｆの自動調整処理に移行するかを判定し、移行条件に合致する場合は、ステップ＃３の調整モード処理ルーチンに移行する。移行条件に合致しない場合は、ステップ＃４で調整モード処理ルーチンの割り込みを禁止して、通常運転モードに移行する。ここで、ステップ＃３の調整モード処理ルーチンに移行した場合は、当該ルーチンで駆動周波数Ｆが最適発振周波数Ｆｘに調整された後、メインルーチンに復帰し、ステップ＃４を経て通常運転モードに移行する。本実施形態では、本発明機関１０が始動される毎に本発明方法による出力周波数Ｆの自動調整処理が実行されるので、上記移行条件を満足する。

図５に示すように、調整モードが開始すると、初期設定として、変数ｎに０を、変数Ｆ（ｎ）に設定駆動周波数ｆ０を代入する（ステップ＃１１）。次に、系統連系用インバータ４の出力を所定の固定値に設定する（ステップ＃１２）。系統連系用インバータ４の出力制御は、この固定値を維持するように制御される。従って、フリーピストンスターリングエンジン１から見た出力負荷が一定状態となる。この設定状態で、駆動用インバータ３が変数Ｆ（ｎ）に等しい駆動周波数Ｆでフリーピストンスターリングエンジン１を駆動し、そのときのフリーピストンスターリングエンジン１の発電出力における出力電圧Ｖｏを電圧検出器６で検出し（ステップ＃１２）、変数Ｖ（ｎ）に検出電圧Ｖｏを代入する（ステップ＃１４）。ここで、変数Ｆ（ｎ）、変数Ｖ（ｎ）は夫々変数ｎに対応して定まる離散値である。以上の処理で、ｎ＝０の時の変数Ｆ（０）、変数Ｖ（０）が定まる。

次に、変数ｎを１とし（ステップ＃１５）、駆動周波数Ｆの設定値をＦ（ｎ−１）に微小増分Δｆを加算してＦ（ｎ）に変更し（ステップ＃１６）、駆動用インバータ３が、新設定値Ｆ（ｎ）に等しい駆動周波数Ｆに変更してフリーピストンスターリングエンジン１を駆動する（ステップ＃１７）。そして、出力電圧Ｖｏを電圧検出器６で検出し（ステップ＃１８）、変数Ｖ（ｎ）に検出電圧Ｖｏを代入する（ステップ＃１９）。以上の処理で、ｎ＝１の時の変数Ｆ（０）、変数Ｖ（０）が定まる。

次に、変数ｎを１だけ加算し（ステップ＃２０）、駆動周波数Ｆの設定値を、数１に示すように、Ｆ（ｎ−１）に微小変化分Δｆｎを加算したＦ（ｎ）に変更する（ステップ＃２１）。数１の第２式において、係数αは予め設定された正の微小値である。

（数１）
Ｆ（ｎ）＝Ｆ（ｎ−１）＋Δｆｎ
Δｆｎ＝α（Ｖ（ｎ−１）／Ｆ（ｎ−１）−Ｖ（ｎ−２）／Ｆ（ｎ−２））

数１に示す駆動周波数Ｆの設定値の変更処理は、２回前の駆動周波数Ｆ（ｎ−２）での当該周波数で正規化された出力電圧Ｖ（ｎ−２）／Ｆ（ｎ−２）から１回前の駆動周波数Ｆ（ｎ−１）での当該周波数で正規化された出力電圧Ｖ（ｎ−１）／Ｆ（ｎ−１）へ当該正規化電圧が増加している場合は、駆動周波数Ｆを増加させる変更を行い、逆に、当該正規化電圧が減少している場合は、駆動周波数Ｆを減少させる変更を行う。かかる周波数変更アルゴリズムで駆動周波数Ｆの設定値を順次変更することで、最終的に出力電圧Ｖｏの高い最適発振周波数Ｆｘを検出することができる。尚、検出電圧Ｖｏを周波数で正規化するのは、検出電圧Ｖｏに周波数に比例する要素が含まれていることを考慮したものである。

引き続き、駆動用インバータ３が、ステップ＃２１で導出した新設定値Ｆ（ｎ）に等しい駆動周波数Ｆに変更してフリーピストンスターリングエンジン１を駆動する（ステップ＃２２）。そして、出力電圧Ｖｏを電圧検出器６で検出し（ステップ＃２３）、変数Ｖ（ｎ）に検出電圧Ｖｏを代入する（ステップ＃２４）。以上のステップ＃２０〜＃２４の処理を、ｎ＝２からｎ＝ｎ_ｍａｘまで繰り返し（ステップ＃２５）、ｎ＝２〜ｎ_ｍａｘにおける夫々の変数Ｆ（ｎ）、変数Ｖ（ｎ）が定まる。

次に、最適発振周波数Ｆｘを検出可能な終了状態にあるかの判定を行い（ステップ＃２６）、終了状態にある場合は、最適発振周波数Ｆｘの検出を行い（ステップ＃２７）、駆動周波数Ｆの設定値を最適発振周波数Ｆｘに変更してフリーピストンスターリングエンジン１を駆動するようにし（ステップ＃２８）、図４のステップ＃４に戻る。ステップ＃２６の判定結果が終了状態にない場合は、ステップ＃２０に戻り、変数ｎを１だけ加算し、新たな変数Ｆ（ｎ）、変数Ｖ（ｎ）を取得して、終了状態の判定処理（ステップ＃２６）を再実行する。

次に、終了状態の判定処理について簡単に説明する。上述のように、ステップ＃２１における周波数変更処理は、正規化電圧を増加させる方向に駆動周波数Ｆの設定値を順次変更するため、駆動周波数Ｆが最適発振周波数Ｆｘを超えて反対側に変更されると、駆動周波数Ｆの設定を逆方向に戻す変更処理がそれ以降（次回或いは次々回）に発生する。尚、駆動周波数Ｆが最適発振周波数Ｆｘ近傍にある場合、数１の係数αの設定等に依存して、逆方向に戻す変更処理が次回に発生する場合と次々回に発生する場合が生じる。そこで、変数Ｆ（ｎ）の履歴を調べて、Ｆ（ｎ）−Ｆ（ｎ−１）の極性反転がｎ＝２以降に１回以上発生している場合は、駆動周波数Ｆの設定値Ｆ（ｎ）（ｎ＝０〜現在値）の中に最適発振周波数Ｆｘに近い値が存在すると判定して、終了状態の判定を行う。

次に、ステップ＃２７における最適発振周波数Ｆｘの検出処理について説明する。一旦、終了判定がされると、Ｆ（ｎ）（ｎ＝０〜現在値）の中に最適発振周波数Ｆｘに近い値が存在するので、正規化された検出電圧Ｖ（ｎ）／Ｆ（ｎ）の最大値をｎ＝０〜現在値の範囲で抽出し、その抽出された最大値を与える変数ｎをＮとする。そして、最適発振周波数ＦｘをＦ（Ｎ）で与える。

以下、本発明機関１０及び本発明方法の別実施形態について説明する。

〈１〉上記実施形態では、本発明方法による駆動用インバータ３の駆動周波数Ｆの自動調整処理は、本発明機関１０の始動時に実行される場合を説明したが、始動後の運転期間が長期に及ぶ場合は、運転期間中に、本発明方法による駆動周波数Ｆの自動調整処理を、発振周波数調整手段５を用いて実行するようにしても構わない。この場合、自動調整処理を実行して駆動周波数Ｆを最適発振周波数Ｆｘに調整した後に、タイマーをリセットし、タイマーの計時が所定時間になった時点で、図５に示す調整モードに移行して、自動調整処理を実行するのも好ましい。

また、始動時に実行する場合でも、毎回実行するのではなく、前回実行時からの時間経過によって実行するか否かを判断しても構わない。

更に、本発明機関１０の始動時や運転期間中だけでなく、本発明機関１０の工場出荷時或いは現場への設置時に、実働運転を開始する前に実行するようにしても構わない。

〈２〉上記実施形態では、本発明方法による駆動用インバータ３の駆動周波数Ｆの自動調整処理の処理手順は、必ずしも図５に示すフロー及びアルゴリズムに限定されるものではない。例えば、駆動周波数Ｆの設定値の初期値Ｆ（０）（＝ｆ０）を、駆動周波数Ｆの予想変動範囲の最小値または最大値に設定し、ステップ＃１６及び＃１７において、駆動周波数Ｆの設定値を単調に変更するようにし、正規化された検出電圧Ｖｏが減少に転じた時点の終了状態の判定を行うようにしても構わない。尚、初期値Ｆ（０）（＝ｆ０）を予想変動範囲の最大値とした場合は、ステップ＃１６のΔｆは負値とする。

更には、終了状態の判定を複数段階に分けて、段階が進む毎に、数１の係数αを小さくするようにしても構わない。

また、駆動周波数Ｆの設定値の初期値Ｆ（０）を、駆動周波数Ｆの予想変動範囲の最小値または最大値に設定し、ステップ＃１６及び＃１７において、固定された微小変動分で駆動周波数Ｆの設定値を単調に変更するようにし、正規化された検出電圧Ｖｏが減少に転じた時点の終了状態の判定を行うようにしても構わない。

〈３〉上記実施形態では、本発明機関１０が発振周波数調整手段５を内蔵する構成例を示したが、発振周波数調整手段５を、本発明機関１０に含めずに別体とし、本発明方法による駆動用インバータ３の駆動周波数Ｆの自動調整処理時にだけ、取り付けて使用する形態でも構わない。例えば、本発明機関１０が複数台あって、始動時が同じでない場合、工場出荷時或いは設置時にだけ駆動周波数Ｆの自動調整処理を行う場合等は、複数の本発明機関１０で１台の発振周波数調整手段５を共用することも可能である。

〈４〉上記実施形態では、本発明機関１０のフリーピストンスターリングエンジン１は２つの電磁コイル２２，２３を備え、一方が駆動用コイル２２、他方が発電用コイルとして用途を分けてしたが、図６に示すように、電磁コイル２２を駆動用コイルと発電用コイルの兼用コイルとして、電磁コイル２３を本発明方法による駆動用インバータ３の駆動周波数Ｆの自動調整処理用に特化しても構わない。

この場合、フリーピストンスターリングエンジン１、排熱回収機構２、駆動用インバータ３、系統連系用インバータ４、発振周波数調整手段５、及び、電圧検出器６は、図１に示した構成のものと同じであるので、重複する説明は省略する。但し、電磁コイル２３には、固定負荷８を接続してある。

〈５〉上記実施形態では、本発明機関１０は発電機能を備えたフリーピストンスターリングエンジン１で構成する例を示したが、本発明機関１０は発電機としてではなく、駆動用インバータ３からの入力電力によってフリーピストンスターリングエンジン１の加熱部１７で作動流体を加熱することで外部熱を吸熱し、冷却部１８で作動流体から熱を放熱する冷暖房装置として構成しても構わない。この場合、系統連系用インバータ４は不要であるので、電磁コイル２３は、本発明方法による駆動用インバータ３の駆動周波数Ｆの自動調整処理専用に用いられる。

本発明に係るフリーピストンスターリング機関の一実施形態を示す構成図 本発明に係るフリーピストンスターリング機関の駆動用インバータの一構成例を示すブロック構成図 本発明に係るフリーピストンスターリング機関の系統連系用インバータの一構成例を示すブロック構成図 本発明に係るスターリング機関の品質管理方法による駆動用インバータの駆動周波数の自動調整処理手順の一例を示すフローチャート 本発明に係るスターリング機関の品質管理方法による駆動用インバータの駆動周波数の自動調整処理手順の一例を示すフローチャート 本発明に係るフリーピストンスターリング機関の他の実施形態を示す構成図 フリーピストンスターリングエンジンの基本的な構成を模式的に示す構成図

符号の説明

１０： 本発明に係るフリーピストンスターリング機関
１： フリーピストンスターリングエンジン
２： 排熱回収機構
３： 駆動用インバータ（始動用発振電源）
４： 系統連系用インバータ
５： 発振周波数調整手段
６： 電圧検出器
７： 商用電力系統
８： 固定負荷
１１： ケーシング
１２： ディスプレーサ
１２ａ： ロッド
１２ｂ： ロッド端部
１３： 膨張空間
１４： 圧縮空間
１５： 出力ピストン
１６： バウンス空間
１７： 加熱部（高温熱交換器）
１８： 冷却部（低温熱交換器）
１９： 再生器
２０： 永久磁石
２１： 電磁コイル
２２： 電磁コイル（駆動用コイル）
２３： 電磁コイル（発電用コイル）
３１、４７： 整流器
３２、４８： ブリッジ回路
３３、４９： ゲート駆動部
３４、５０： 制御部
４１： ＡＣ／ＡＣ変換部
４２： 連系継電器
４３： 単独運転検出部
４４： 出力制御部
４５： 電流検出部
４６： 電圧検出部
５１： ゲートブロック
５２： 解列制御部
Ｓ１： 単独運転検出信号
Ｓ２： 運転停止信号
Ｓ３： 解列信号

Claims (10)

1. 出力ピストンに永久磁石を固定し、ケーシング側に電磁コイルを固定し、前記電磁コイルへ交流電流を供給して前記出力ピストンの周期運動を誘導して始動させる始動用発振電源を備えたフリーピストンスターリング機関において、
   前記始動用発振電源の発振周波数を、前記フリーピストンスターリング機関の個体毎に固有の最適発振周波数に調整することを特徴とするスターリング機関の品質管理方法。
2. 前記ケーシング側に発電用コイルを設け、前記始動用発振電源の発振周波数を変化させて、前記発電用コイルの負荷を一定にして前記発電用コイルに出力される電圧を検出し、前記検出した電圧値が最大値または最大値付近にあると判定される場合の前記発振周波数を前記最適発振周波数とすることを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関の品質管理方法。
3. 前記始動用発振電源の発振周波数の調整を、前記フリーピストンスターリング機関の工場出荷時または設置時に行うことを特徴とする請求項１または２に記載のスターリング機関の品質管理方法。
4. 前記始動用発振電源の発振周波数の調整を、前記フリーピストンスターリング機関の始動時に行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のスターリング機関の品質管理方法。
5. 前記始動用発振電源の発振周波数の調整を、前記フリーピストンスターリング機関の運転時に行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のスターリング機関の品質管理方法。
6. 請求項１または２に記載のスターリング機関の品質管理方法によって、前記始動用発振電源の発振周波数が個体毎に固有の最適発振周波数に調整されたフリーピストンスターリング機関。
7. 始動時または運転時において、請求項１または２に記載のスターリング機関の品質管理方法による前記始動用発振電源の発振周波数の調整を自動で行う発振周波数調整手段を備えていることを特徴とするフリーピストンスターリング機関。
8. 前記始動用発振電源が、商用電力系統の交流周波数を前記最適発振周波数に変換可能なインバータであることを特徴とする請求項６または７に記載のフリーピストンスターリング機関。
9. 前記出力ピストンの周期運動の持続によって前記電磁コイルまたは別途設けられた発電用コイルに誘導される交流電流を出力する発電機として構成され、
   前記発電機の発電出力を、商用電力系統と系統連系させるための系統連系用インバータを備えていることを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載のフリーピストンスターリング機関。
10. フリーピストンスターリング機関に設けられた前記始動用発振電源の発振周波数の調整を、請求項１または２に記載のスターリング機関の品質管理方法によって自動的に実行する発振周波数調整装置。

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