JP2006074958A - 交流電力生成装置およびそれが用いられたスターリング冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ３相交流制御用ＩＰＭを用いた単相交流制御回路の非使用端子を有効に利用して、他の電気回路の負担を低減することができる交流電力生成装置を提供する。
【解決手段】 三相交流制御用ＩＰＭ２００においては、トランジスタＧｕとトランジスタＧｘとの間のノードと第１出力端子Ａとが接続され、トランジスタＧｖとトランジスタＧｙとの間のノードと第２出力端子Ｂとが接続され、トランジスタＧｗとトランジスタＧｚとの間のノードと第３出力端子Ｃとが接続されている。第１出力端子Ａおよび第２出力端子Ｂが、それぞれ、単相交流モータであるリニアモータＭの一方および他方の端子に接続されている。第３出力端子Ｃは、直流モータである冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈに接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、三相交流制御用の回路を用いて単相の交流電力を生成する交流電力生成装置およびそれが用いられたスターリング冷凍システムに関するものである。

図１０に示すような、単相交流モータの一例としてのリニアモータＭを制御する交流電力生成装置がある。この交流電力生成装置には、インバータ回路１００が組み込まれた三相交流制御用ＩＰＭ（Intelligent Power Module）２００が用いられている。三相交流制御用ＩＰＭ２００は、３つの出力端子Ａ，Ｂ，およびＣを有している。この３つの出力端子Ａ，Ｂ，およびＣのうちの２つの出力端子ＡおよびＢが、リニアモータＭに接続されている。リニアモータＭは、前述の２つの出力端子ＡおよびＢを介して流れてくる交流電流によって駆動される。

また、従来から、図１１に示すような、直流モータの一例としての冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈがある。冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈは、トランス３００に電気的に接続されたコイルＬ３、ダイオードＤ１１，１２、コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４、および定電圧回路Ｇ１１を有する一定電圧出力回路２８０を介して流れる直流電流によって駆動される。
特開２０００−１８４７７８号公報 特開２００１−８４８１号公報 特開２００３−９５０９号公報

上記の従来の相交流制御用ＩＰＭ２００を用いた単相交流電力生成装置においては、３つの出力端子Ａ，Ｂ，およびＣのうちの他の１つの端子Ｃが使用されない非使用端子である。したがって、本願発明においては、図１０に示す上記三相交流制御用ＩＰＭ２００を用いた交流電力生成装置に関しては、前述の非使用端子を有効に利用することにする。

また、上記の図１１に示す直流モータの制御回路としての定電出力回路２８０においては、交流電流をトランス３００において振幅および周波数が変換された交流電流が前述の一定電圧出力回路２８０によって直流電流に変換される。前述の一定電圧出力回路２８０以外に他の多数の一定電圧出力回路２６０および２７０等が電気的にトランス３００に接続されている場合がある。この場合、トランス３００に電気的に接続される電気回路の数を低減させることが望まれる。

本発明は、前述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、三相交流制御用ＩＰＭを用いた単相交流制御において、三相交流制御用ＩＰＭの非使用端子を有効に利用して、他の電気回路の負担を低減することができる交流電力生成装置およびそれが用いられたスターリング冷凍システムを提供することである。

本発明の交流電力生成装置は、三相交流制御用ＩＰＭ（Intelligent Power Module）と三相交流制御用ＩＰＭを制御するマイクロコンピュータとを用いて、直流電力を単相交流電力へ変換するものである。

三相交流制御用ＩＰＭは、第１出力端子、第２出力端子、および第３出力端子を有している。マイクロコンピュータは、第１出力端子および第２出力端子から単相交流電力を出力させ、単相交流電力に対して独立制御の電力を第３出力端子から出力させる。

上記の構成によれば、マイクロコンピュータは、単相交流電力を生成する制御には使用されない第３出力端子を有効に利用して、第３出力端子に接続された制御対象負荷回路へ電力を供給することができる。そのため、前述の制御対象負荷回路が設けられていた電気回路（電源回路）の負担を低減することができる。

また、三相交流制御用ＩＰＭは、互いに直列に接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを含む第１列と、第１列に並列に接続されているとともに、互いに直列に接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とを含む第２列と、第１列に並列に接続されているとともに、互いに直列に接続された第５スイッチング素子と第６スイッチング素子とを含む第３列とを含んでいる。

また、第１出力端子は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間のノードに接続され、第２出力端子は、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間のノードに接続され、第３出力端子は、第５スイッチング素子と第６スイッチング素子との間のノードに接続されている。

前述の構成において、マイクロコンピュータは、第３列のスイッチング素子を制御することによって、第３出力端子から出力される電力を制御することが望ましい。

この構成によれば、第３列において制御が行なわれるため、第３出力端子に接続された制御対象負荷回路に供給される電力を自由に制御することができる。

また、本発明のスターリング冷凍システムは、リニアモータによって往復運動するピストンおよびピストンの往復運動に起因する圧力変動によって往復運動するディスプレーサを有するスターリング冷凍機と、スターリング冷凍機によって生成された冷熱の熱交換を促進する冷却用ファンモータと、冷熱の生成の代償として発生する温熱の熱交換を促進する放熱用ファンモータとを備えている。また、単相交流電力がリニアモータに供給され、第３出力端子から出力される電力が冷却用ファンモータおよび放熱用ファンモータに供給される。

一般に、スターリング冷凍システムが生成する冷熱量と温熱量とは、ほぼ均衡しているため、冷却用ファンモータの出力と放熱用ファンモータの出力とをほぼ同様に変化させてもよい。したがって、上記構成のスターリング冷凍システムを構成することに問題はない、また、上記の構成によれば、スターリング冷凍システムの２つのファンモータの電力が、三相交流制御用ＩＰＭのリニアモータの制御に使用されない第３出力端子から制御を伴って出力される。そのため、制御対象負荷回路が設けられていた電気回路（電源回路）の負担を、２つのファンモータ分の負担だけ低減することができる。

本発明によれば、三相交流制御用ＩＰＭを用いた単相交流制御において、三相交流制御用ＩＰＭの非使用端子を有効に利用することにより、他の電気（電源）回路の負担を低減することができる。

以下、図を用いて、本発明の実施の形態の交流電力生成装置およびそれが用いられたスターリング冷凍システムを説明する。

単相交流モータの一例のリニアモータＭのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御においては、三相交流モータを制御することが可能な三相交流制御用ＩＰＭが単相交流電力を生成する交流電力生成装置として用いられている。以下、図１を用いて、本実施の形態の三相交流制御用ＩＰＭを説明する。

図１に示すように、本実施の形態の三相交流制御用ＩＰＭ（Intelligent Power Module）２００には、インバータ回路１００が内臓されている。インバータ回路１００は、６つのスイッチング素子を有し、図１に示すような態様で、たとえば、スターリング冷凍機４０に内装されたリニアモータＭに接続されている。６つのスイッチング素子は、トランジスタＧｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、Ｇｙ、Ｇｗ、およびＧｚであり、それぞれには、ソース電極とドレイン電極との間にフライホイールダイオードが接続されている。ただし、単相交流モータとしてのリニアモータＭの制御においては、６つのトランジスタのうちトランジスタＧｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、およびＧｙからなる４つのトランジスタのみが用いられている。

図１から分かるように、トランジスタＧｕとトランジスタＧｘとは直列に接続されているとともに、トランジスタＧｖとトランジスタＧｙとは直列に接続されている。さらに、トランジスタＧｗとトランジスタＧｚとは直列に接続されている。また、トランジスタＧｕおよびＧｘとトランジスタＧｖおよびＧｙとは、この順番で、互いに並列に接続されている。さらに、図１においては、トランジスタＧｕおよびＧｘに対して、トランジスタＧｗおよびＧｚがこの順番で並列に接続されている。

本明細書においては、トランジスタＧｕおよびＧｘを第１列とし、トランジスタＧｖおよびＧｙを第２列とし、トランジスタＧｗおよびＧｚを第３列とする。

なお、トランジスタＧｗおよびＧｚは、従来のリニアモータＭ、すなわち単相モータの制御には用いられないトランジスタである。このように、三相交流制御用ＩＰＭ２００は、インバータ回路１００がリニアモータＭの制御に用いられないトランジスタを有している。

また、リニアモータＭは、一方の端子がトランジスタＧｕとトランジスタＧｘとの間のノードに接続され、かつ、他方の端子がトランジスタＧｖとトランジスタＧｙとの間のノードに接続されている。

また、マイクロコンピュータ１０００のＵ相コントロール回路とトランジスタＧｕのゲート電極とは、配線Ｕによって接続されている。また、マイクロコンピュータ１０００のＵ相コントロール回路とトランジスタＧｘのゲート電極とは、配線Ｘによって接続されている。また、マイクロコンピュータ１０００のＶ相コントロール回路とトランジスタＧｖのゲート電極とは、配線Ｖによって接続されている。また、マイクロコンピュータ１０００のＶ相コントロール回路とトランジスタＧｙのゲート電極とは、配線Ｙによって接続されている。さらに、本実施の形態の三相交流制御用ＩＰＭ２００は、マイクロコンピュータ１０００のＷ相コントロール回路とトランジスタＧｗのゲート電極とは、配線Ｗによって接続されている。また、マイクロコンピュータ１０００のＷ相コントロール回路とトランジスタＧｚのゲート電極とは、配線Ｚによって接続されている。

マイクロコンピュータ１０００は、配線Ｕ、Ｘ、Ｖ、およびＹを介して、トランジスタＧｕ、Ｇｖ、Ｇｘ、およびＧｙのそれぞれのゲート電極にＰＷＭ制御信号を送信する。それにより、それらのトランジスタのそれぞれの開閉動作が行なわれ、リニアモータＭに各パルス電圧が印加される。それにより、リニアモータＭのコイルに交流電流が流れる。前述のＰＷＭ制御信号により、リニアモータＭのピストンの往復運動の振幅および周期が制御される。

一方、マイクロコンピュータ１０００は、配線Ｗおよび配線Ｚを介して、トランジスタＧｗおよびＧｚのそれぞれのゲート電極へ冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈを駆動させる制御信号を出力する。冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈのそれぞれは直流モータであり、それぞれには直流電流が流れる。

なお、トランジスタＧｕ、Ｇｖ、およびＧｗのそれぞれのゲート電極とマイクロコンピュータ１０００との間には、ＨＶＩＣ（High Voltage Intelligent Circuit）が設けられており、トランジスタＧｘ、Ｇｙ、およびＧｚのそれぞれのゲート電極とマイクロコンピュータ１０００との間には、ＬＶＩＣ（Low Voltage Intelligent Circuit）が設けられている。ＨＶＩＣは、スイッチング用半導体素子の駆動保護機能を構成する耐圧５０Ｖ以上の集積回路であり、ＬＶＩＣは、スイッチング用半導体素子の駆動保護機能を構成する耐圧５０Ｖ以下の集積回路である。また、ＩＰＭとは、ＰＷＭ制御に用いられるスイッチング用半導体素子に加えて、それらの駆動回路および保護回路などが、一体的に樹脂封止されて、１パッケージとなっているものである。

また、インバータ回路１００に対して並列に平滑コンデンサＣが設けられている。この平滑コンデンサＣに対して並列に整流器Ｄが設けられている。さらに、整流器Ｄに対して並列に交流電源Ｇが設けられている。また、インバータ回路１００の電位を安定させるためのコンデンサＣＣが設けられている。

本実施の形態の三相交流制御用ＩＰＭ２００は、図１に示すように、トランジスタＧｕとトランジスタＧｘとの間のノードと第１出力端子Ａとが接続され、トランジスタＧｖとトランジスタＧｙとの間のノードと第２出力端子Ｂとが接続され、トランジスタＧｗとトランジスタＧｚとの間のノードと第３出力端子Ｃとが接続されている。第１出力端子Ａと第２出力端子ＢとがリニアモータＭの制御に用いられる。

リニアモータＭの制御においては、マイクロコンピュータ１０００は、トランジスタＧｕおよびＧｙのそれぞれをＯＮさせるＰＷＭ制御信号を出力するとともに、トランジスタＧｖおよびＧｘのそれぞれをＯＦＦさせる制御信号を出力する。それにより、トランジスタＧｕ、リニアモータＭの一方の端子、リニアモータＭ、リニアモータＭの他方の端子、およびトランジスタＧｙに、この順番で、第１交流電流が流れる。

また、マイクロコンピュータ１０００は、トランジスタＧｖおよびＧｘのそれぞれをＯＮさせるＰＷＭ制御信号を出力するとともに、トランジスタＧｕおよびＧｙのそれぞれをＯＦＦさせる制御信号を出力する。それにより、トランジスタＧｖ、リニアモータＭの他方の端子、リニアモータＭ、リニアモータＭの一方の端子、およびトランジスタＧｘに、この順番で、第２交流電流が流れる。

一方、第３出力端子Ｃは、冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈの制御に用いられる平滑回路２５０に接続されている。平滑回路２５０は、コンデンサＣＣＣおよびダイオードＤｃｗを有している。コンデンサＣＣＣは、電解コンデンサであり、その＋極が第３出力端子Ｃに接続され、その−極が接地電極に接続されている。また、ダイオードＤｃｗは、コンデンサＣＣＣに並列であって、逆方向に接続されている、すなわち、アノードが第３出力端子に接続され、カソードが接地電極に接続されている。また、冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈは、互いに並列に接続されている。冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈのそれぞれは、一方の端子が第３出力端子Ｃに接続され、他方の端子が接地電極に接続されている。

図２を用いて、トランスの周辺回路を説明する。図２に示すトランスの周辺回路は、図１１に示す回路に対応するものである。図２に示す周辺回路においては、一定電圧出力回路２６０および２７０のみがトランス３００に電気的に接続されている。図２と図１１とを比較すると、図２の一定電圧出力回路２６０および２７０の数は、図１１の一定電圧出力回路２６０，２７０，２８０の数よりも低減されていることが分かる。

つまり、上記本実施の形態の交流電力生成装置によれば、三相交流制御用ＩＰＭ２００を用いて単相交流モータを制御する場合、非使用端子を有効に利用して、他の電気回路の負担を軽減することが可能になる。

図３は、ＰＷＭインバータ制御用のタイマが１つ（１チャンネル）内蔵されたリニアモータＭを制御するためのマイクロコンピュータ１０００の構成を説明するためのブロック図である。

図３に示すように、本実施の形態のマイクロコンピュータ１０００は、発振器としてのクロック回路と、演算手段としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）と、書替え可能な記憶手段としてのＲＡＭ（Random Access Memory）と、読出専用の記憶手段としてのＲＯＭとを備えている。ＲＯＭ（Read Only Memory）には、６つのスイッチング素子を制御するためのプログラムが格納されている。また、ＲＡＭは、ＲＯＭに格納されたプログラムに従ってＣＰＵでの演算処理が行なわれた結果を一時的に記憶するための記憶手段であり、レジスタなどの一時記憶手段も含まれていてもよい。さらに、クロックは、発振器から送信されてきた信号を用いて、後述するタイマを動作させるための基本となるクロックパルスを形成するためのものである。

また、マイクロコンピュータ１０００は、従来においては、三相交流モータの制御に用いられていた三相ＰＷＭインバータタイマを備えている。この三相ＰＷＭインバータタイマは、アップ／ダウンタイマである。アップ／ダウンタイマ１には、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のそれぞれの相を制御するための信号を出力する回路（Ｕ相コントロール回路、Ｖ相コントロール回路、Ｗ相コントロール回路）が設けられている。但し、本実施の形態においては、リニアモータＭの制御のためには、制御信号出力回路のうちＵ相コントロール回路およびＶ相コントロール回路のみが使用される。一方、制御信号出力回路のうちＷ相コントロール回路は、冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈを制御するために用いられる。

また、マイクロコンピュータ１０００には、アップ／ダウンタイマ１の３つの相それぞれに対応した３つのレジスタが設けられている。本実施の形態においては、アップ／ダウンタイマ１のＵ相およびＶ相に対応したレジスタのみがリニアモータＭの制御のために使用される。アップ／ダウンタイマ１のＷ相に対応したレジスタは、冷却用ファンモータＭｃおよび循環用ファンモータＭｗの制御のために用いられる。

また、Ｕ相とＶ相との位相角の差は、三相モータを制御する場合には１２０度であったが、本実施の形態の単相モータの制御に用いられる場合には１８０度となるように、前述のＲＯＭ内のプログラムが設定されている。Ｕ相コントロール回路から出力されたＰＷＭ制御信号は、トランジスタＧｕ、Ｇｘ、ＧｗおよびＧｚのそれぞれのゲート電極に送信される。また、Ｖ相コントロール回路から出力されたＰＷＭ制御信号は、トランジスタＧｖおよびＧｙのそれぞれのゲート電極に送信される。なお、Ｗ相コントロール回路は、Ｕ相コントロール回路およびＶ相コントロール回路から完全に独立して、制御信号を出力する。

次に、図４および図５を用いて、第１列および第２列の制御方法を説明する。

図４に示すＵ相の設定値に基づいてＵ相コントロールがＰＷＭ信号を出力している期間においては、カウントアップ中にアップ／ダウンタイマ１が設定値Ｓ１，Ｓ２，…のそれぞれの値になると、Ｕ相のトランジスタＧｕおよびＧｘには、マイクロコンピュータ１０００から自動的にＰＷＭ制御信号が出力され、トランジスタＧｘがＯＦＦになった後、トランジスタＧｕはＯＮする。その後、トランジスタＧｕは、トランジスタＧｘのＯＮタイミングより所定時間前に、自動的にＯＦＦする。また、カウントダウン中にアップ／ダウンタイマ１が設定値Ｓ１，Ｓ２，…のそれぞれの値になると、Ｕ相のトランジスタＧｘには、マイクロコンピュータ１０００から自動的にＰＷＭ制御信号が出力される。それにより、トランジスタＧｘはＯＮする。

なお、本実施の形態のＵ相のＰＷＭ制御信号が出力されている図４に示す期間においては、トランジスタＧｖは常にＯＦＦしており、トランジスタＧｙは常にＯＮしている。

図５に示すＶ相の設定値に基づいてＶ相コントロールがＰＷＭ信号を出力している期間においては、カウントアップ中にアップ／ダウンタイマ１が設定値…Ｓｎ-１，Ｓｎのそれぞれの値になると、Ｖ相のトランジスタＧｖおよびＧｙには、マイクロコンピュータ１０００から自動的にＰＷＭ制御信号が出力され、トランジスタＧｙがＯＦＦになった後、トランジスタＧｖはＯＮする。その後、トランジスタＧｖは、トランジスタＧｙのＯＮタイミングより所定時間前に、自動的にＯＦＦする。また、カウントダウン中にアップ／ダウンタイマ１が設定値Ｓｎ-１，Ｓｎのそれぞれの値になると、Ｖ相のトランジスタＧｙには、マイクロコンピュータ１０００から自動的にＰＷＭ制御信号が出力される。それにより、トランジスタＧｙはＯＮする。

なお、本実施の形態のＶ相のＰＷＭ制御信号が出力されている図５に示す期間においては、トランジスタＧｕは常にＯＦＦしており、トランジスタＧｘは常にＯＮしている。

本実施の形態においては、アップ／ダウンタイマ１のそれぞれのレジスタの設定値は順次変化している。つまり、図４および図５におけるアップ／ダウンタイマ１の設定値Ｓ１，Ｓ２，…Ｓｎ-１およびＳｎは、電圧パルスの幅Ｗ１，Ｗ２…Ｗｎ-１，Ｗｎの値と時間との関係を示すグラフがサイン波を描くように、順次変化する。

図４と図５とを比較すると分かるように、リニアモータＭに流れる電流パルスが正と負で逆になっている。それらのこと以外はＵ相の制御とＶ相の制御とは全く同様である。なお、Ｕ相のＰＷＭ制御信号とＶ相のＰＷＭ制御信号とは、前述のように、交流波形の半周期ごとに、交互に出力されている。

したがって、本実施の形態においては、Ｕ相の電流パルスを出力しているタイミングにおいて、リニアモータＭに正電圧が印加され、Ｖ相の電流パルスを出力しているタイミングにおいて、リニアモータＭに負電圧が印加されるものとする。

また、１サイクルの前半においては、図６（ａ）に示すように、Ｕ相のトランジスタのみによって波形が形成される。１サイクルの後半においては、図６（ｂ）に示すように、Ｖ相のトランジスタのみによって波形が形成され、１サイクルの全体では、図６（ｃ）に示すように、前述のＵ相の波形とＶ相の波形とは、１８０°位相がずれた状態で、交互に出力される。

次に、図７を用いて、インバータ回路１００の第３列の制御方法を説明する。

第３列は、前述のように、第１列および第２列とは独立して制御される。冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈをＯＦＦからＯＮするには、トランジスタＧｚをＯＦＦにしたまま、トランジスタＧｗをＯＦＦからＯＮすればよい。トランジスタＧｗのみがＯＮしている状態では、三相交流制御用ＩＰＭ２００に入力される直流電圧と同じ値の直流電圧が冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈに印加される。この場合、冷却用ファンモータＭｃおよび放熱用ファンモータＭｈの出力は、三相交流制御用ＩＰＭ２００に入力される直流電圧によって決定される。

次に、図８および図９に基づいて、本実施の形態のスターリング冷凍システムを構成するスターリング冷凍機を説明する。なお、スターリング冷凍システムは、スターリング冷凍機４０、マイクロコンピュータ１０００、三相交流制御用ＩＰＭ２００、放熱用ファンモータＭｈ、および冷却用ファンモータＭｃを有している。

なお、一般に、スターリング冷凍機４０が生成する冷熱量と温熱量とは、ほぼ均衡しているため、冷却用ファンモータＭｃの出力と放熱用ファンモータＭｈの出力とをほぼ同様に変化させてもよい。したがって、本実施の形態のスターリング冷凍システムによれば、三相交流制御用ＩＰＭ２００のリニアモータＭの制御に使用されない第３出力端子Ｃからスターリング冷凍システムの２つのファンモータＭｃおよびＭｈの電力が制御を伴って出力されるので、図２に示す制御対象負荷回路としての定電圧回路２６０が設けられていたトランスタ３００を有する電気回路の負担を、２つのファンモータ分の負担だけ低減することができる。

図８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においては、２つの部分で構成されている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が嵌め込まれている。ピストン１とディスプレーサ２とは、圧縮空間９を介して設けられ、共通の駆動軸として軸Ｙを有している。

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を介して連通している。媒体流通路１１内には、再生器１２が設けられている。再生器１２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。シリンダ３の略中間には鍔部（フランジ）３ａが設けられている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられることによって密閉されたバウンス空間（背面空間）８が形成されている。

ピストン１は後端側で支持バネ５と一体化されている。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を介して支持バネ６と一体化されている。支持バネ５と支持バネ６とはボルトおよびナット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、圧縮空間９と膨張空間１０との圧力差によって、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を行なう。

バウンス空間８内のシリンダ３の外側には内側ヨーク１８が嵌め込まれている。内側ヨーク１８は隙間１９を介して外側ヨーク１７に対向している。外側ヨーク１７の内側には駆動用コイル１６が嵌め込まれている。隙間１９には環状の永久磁石１５が移動可能に設けられている。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。内側ヨーク１８、外側ヨーク１７、駆動用コイル１６、および永久磁石１５によって、ピストン１を軸Ｙに沿って移動させるリニアモータ１３（Ｍ）が構成されている。

駆動用コイル１６には、リード線２０および２１が接続されている。リード線２０および２１は、耐圧容器４の壁面を貫通し、三相交流制御用ＩＰＭ２００に接続されている。三相交流制御用ＩＰＭ２００によってリニアモータ１３（Ｍ）に駆動電力が供給される。

上記構成のスターリング冷凍機４０は、リニアモータ１３（Ｍ）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を有する状態でディスプレーサ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。その結果、逆スターリングサイクルが形成される。

上述の本実施の形態のスターリング冷凍機４０は、交流電力生成装置のＩＰＭ２００によって所定の交流波形の駆動電圧がリニアモータ１３（Ｍ）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ストロークで往復運動を行なう。したがって、リニアモータ１３（Ｍ）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ストロークを制御することが可能である。

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。

ピストン１は、リニアモータ１３（Ｍ）により駆動される。ピストン１は、支持バネ５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。

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、放熱用熱交換部８００内の圧縮空間９から熱を放出する。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１２で冷却される。その後、圧縮された作動ガスは、再生器１２から吸熱用熱交換部７００（図９参照）内の膨張空間１０へ流入する。

膨張空間１０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１０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１０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９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波形であるが、同じ周期で変化する波形である。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。

膨張空間１０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変化によって変動する。

ディスプレーサ２とピストン１との相対的な位置関係は、ディスプレーサ２の質量、支持バネ６のバネ定数およびピストン１の周波数により決定される。また、ディスプレーサ２の質量および支持バネ６のバネ定数は、設計時に決定されるものである。

マイクロコンピュータ１０００からインバータ回路１００へ出力されるＰＷＭ制御信号は、デジタル信号すなわちパルス波形である。このパルス波形は、インバータ回路１００においてアナログ信号すなわち正弦波に変換される。この正弦波の周波数が、スターリング冷凍機４０のピストン１の周波数になる。

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１０００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ように構成されている。それにより、交流波形が生成される。

以下、本実施の形態のスターリング冷凍システムが搭載された冷却庫について、図面を参照しながら説明する。

図９は、フリーピストン型スターリング冷凍機を搭載した冷却庫の横断面の模式図である。図９に示すように、冷却庫は、冷却される対象物が収納される冷却空間１１６と、冷却空間１１６内の温度を低下させるためのスターリング冷凍機４０とを備えている。

冷却空間１１６内にはエバポレータ（気化器）１３０が設けられている。エバポレータ１３０とスターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部７００（前述の膨張空間１０の外側に装着）とは低温側２次冷媒配管９００によって接続されている。したがって、膨張空間１０の冷熱は、低温側２次冷媒配管９００内を流れる２次冷媒（たとえば、二酸化炭素）によってエバポレータ１３０に伝達される。エバポレータ１３０は、２次冷媒が搬送する冷熱を冷却空間１１６に伝達する。この冷熱の伝達は、冷却用ファン１２０によって促進される。この冷却用ファン１２０は、前述の冷却用ファンモータＭｃによって回転する。

スターリング冷凍機４０の近傍には、放熱器１１３が設けられている。スターリング冷凍機４０の放熱用熱交換部８００（前述の圧縮空間９の外側に装着）と放熱器１１３とは高温側２次冷媒配管６００によって接続されている。圧縮空間９の温熱は、高温側２次冷媒配管６００によって内を流れる２次冷媒（たとえば、水）によって放熱器１１３に伝達される。放熱器１１３は、２次冷媒が搬送する温熱を冷却庫１０１の外部に放出する。この放熱器１１３が温熱を放出する作用は、放熱用ファン１１９によって促進される。この放熱用ファン１１９は、前述の放熱用ファンモータＭｈによって回転する。

また、冷却空間１１６の温度Ｔｋを測定する温度センサ１１７が冷却空間１１６を構成する冷却室の内壁に取り付けられている。前述の温度センサ１１７により検出された温度Ｔｋを示す信号は、マイクロコンピュータ１０００および三相交流制御用ＩＰＭ２００が内装された制御ボックス３０内のＴｋＡ／Ｄ変換部に送信される。制御ボックス３０内のマイクロコンピュータ１０００は、三相交流制御用ＩＰＭ２００に信号を出力し、前述の温度センサ１１７によって得られた温度情報に基づいて、リニアモータＭによって駆動されるピストン１のストローク、冷却用ファンモータＭｃの回転速度、および放熱用ファンモータＭｈの回転速度等を制御する。

図９に示すように、本実施の形態の冷却庫１０１が運転されているときには、次のような作用が生じる。

スターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部７００の冷熱は、低温側２次冷媒配管２００内を流れる二酸化炭素によってエバポレータ１３０に伝達される。エバポレータ１３０によって冷却空間１１６内の空気に冷熱が伝達される。この冷熱は、冷却用ファン１２０の機能によって冷却空間１１６内を対流する。温度センサ１１７によって測定された冷却空間１１６内の冷気の温度Ｔｋの値は制御ボックス３０に送信される。

スターリング冷凍機４０の放熱用熱交換部８００の温熱は、高温側２次冷媒配管３００を流れる水（水蒸気）によって放熱器１１３に伝達される。放熱器１１３において発せられた熱は、放熱用ファン１１９によって冷却庫１０１の外部へ排気される。

なお、上記放熱用ファン１１９を駆動する放熱用ファンモータＭｈと冷却用ファン１２０を駆動する冷却用ファンモータＭｃとは、スターリング冷凍システムの熱交換を促進するために不可欠なものである。

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。

実施の形態の三相交流制御用ＩＰＭの構成を説明するための図である。 実施の形態のスターリング冷凍システムの三相交流制御用ＩＰＭ以外の電気回路を説明するための図である。 実施の形態のマイクロコンピュータの構成図である。 実施の形態のＵ相のトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ動作とアップ／ダウンタイマの設定値との関係を示す図である。 実施の形態のＶ相のトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ動作とアップ／ダウンタイマの設定値との関係を示す図である。 Ｕ相（第１列）の電圧パルスとＶ相（第２列）の電圧パルスとを説明するための図である。 実施の形態のＷ相（第３列）のトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ動作を説明するための図である。 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。 実施の形態のスターリング冷凍システムの構造を示す断面模式図である。 従来において用いられる三相交流制御用ＩＰＭの構成を説明するための図である。 従来の三相交流制御用ＩＰＭ以外の電気回路を説明するための図である。

符号の説明

４０ スターリング冷凍機、１００ インバータ回路、２００ 三相交流制御用ＩＰＭ、１０００ マイクロコンピュータ。

Claims (3)

1. 三相交流制御用ＩＰＭ（Intelligent Power Module）と三相交流制御用ＩＰＭを制御するマイクロコンピュータとを用いて、直流電力を単相交流電力へ変換する交流電力生成装置であって、
   前記三相交流制御用ＩＰＭは、第１出力端子、第２出力端子、および第３出力端子を有し、
   前記マイクロコンピュータは、前記第１出力端子および前記第２出力端子から前記単相交流電力を出力させ、前記単相交流電力に対して独立制御の電力を前記第３出力端子から出力させる、交流電力生成装置。
2. 前記三相交流制御用ＩＰＭは、
   互いに直列に接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを含む第１列と、
   前記第１列に並列に接続されているとともに、互いに直列に接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とを含む第２列と、
   前記第１列に並列に接続されているとともに、互いに直列に接続された第５スイッチング素子と第６スイッチング素子とを含む第３列とを含み、
   前記第１出力端子は、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間のノードに接続され、
   前記第２出力端子は、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間のノードに接続され、
   前記第３出力端子は、前記第５スイッチング素子と前記第６スイッチング素子との間のノードに接続され、
   前記マイクロコンピュータは、前記第３列のスイッチング素子を制御することによって、前記第３出力端子から出力される電力を制御する、請求項１に記載の交流電力生成装置。
3. リニアモータによって往復運動するピストンおよび前記ピストンの往復運動に起因する圧力変動によって往復運動するディスプレーサを有するスターリング冷凍機と、
   前記スターリング冷凍機によって生成された冷熱の熱交換を促進する冷却用ファンモータと、
   前記冷熱の生成の代償として発生する温熱の熱交換を促進する放熱用ファンモータとを備え、
   前記単相交流電力が前記リニアモータに供給され、
   前記第３出力端子から出力される電力が前記冷却用ファンモータおよび前記放熱用ファンモータに供給される、請求項１または２に記載のスターリング冷凍システム。

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