JP2006242471A - スターリング冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】 インバータ回路を損傷させることなく、かつ、騒音の発生が抑制されたスターリング冷凍システムを提供する。
【解決手段】 スターリン冷凍システムは、リニアモータによってピストンを往復運動させるスターリング冷凍機と、リニアモータを駆動するインバータ回路と、インバータ回路をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によって制御するマイクロコンピュータとを備えている。マイクロコンピュータは、静音モードスイッチがオンされたか、または、夜間の時間帯である場合には、ＰＷＭのキャリア周波数を大きくし、インバータ回路の温度、冷凍室の温度、または、ピストンのストロークの大きさに応じて、ＰＷＭのキャリア周波数を小さくする。
【選択図】 図１５

Description

本発明は、スターリング冷凍機とそれを制御する制御装置とを備えたスターリング冷凍システムに関するものである。

近年、スターリング冷凍機の開発が精力的に行なわれている。スターリング冷凍機は、冷凍能力が高く、かつ、作動媒体としてヘリウム等の不活性ガスを使用することができるため、作動媒体としてフロンを使用する圧縮式の冷凍機よりも優れている点が多い。そのため、冷却庫の冷凍機としてスターリング冷凍機を用いることが試みられている。

スターリング冷凍機が搭載されたスターリング冷凍システムにおいては、前述のスターリング冷凍機を制御するために、直流電力を交流電力に変換する交流電力生成装置が用いられている。交流電力生成装置としては、スイッチング素子のデューティ比（１キャリア周期に対するＯＮ期間の比率）を制御することによって、出力される交流電力の波形の電圧および周波数の双方を変更することができる可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ：Variable Voltage Variable Frequency）回路、すなわちインバータ回路が使用されている。このインバータ回路を用いたＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって、スターリング冷凍機のピストンを駆動するリニアモータに交流電力が供給される。それにより、ピストンがシリンダ内を往復運動し、冷熱と温熱とが生成される。
特開平１０−２２７５５５号公報 特開平５−１５７４３７号公報

上記スターリング冷凍システムの制御においては、ＰＷＭのキャリア周波数を大きくするにつれて、スターリング冷凍機のピストンを駆動するリニアモータに印加される交流電力の波形が理想的なサインカーブに近づく。そのため、ピストンの往復運動がより滑らかになるため、スターリング冷凍機の運転時に発生するピストンとシリンダとの衝突に起因する騒音が小さくなる。したがって、スターリング冷凍機の運転時の騒音を防止するという観点においては、ＰＷＭのキャリア周波数は高いことが望ましい。

一方、キャリア周波数が高くなると、インバータ回路を構成する４つのスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの回数が多くなる。そのため、インバータ回路がスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦに起因する発熱によって損傷するおそれがある。したがって、インバータ回路の過熱防止の観点においては、ＰＷＭのキャリア周波数は低いことが望ましい。

本発明は、上述の観点に鑑みてなされたものであり、その一の目的は、インバータ回路のキャリア周波数を適宜適切な値に変更することによって、インバータ回路の発熱による損傷が防止されたスターリング冷凍システムを提供することである。また、他の目的は、インバータ回路のキャリア周波数を適宜適切な値に変更することによって、騒音の発生が抑制されたスターリング冷凍システムを提供することである。

本発明のスターリング冷凍システムは、リニアモータによってピストンを往復運動させるスターリング冷凍機と、リニアモータを駆動するインバータ回路と、インバータ回路をＰＷＭによって制御するマイクロコンピュータとを備えている。マイクロコンピュータは、所定条件が成立したか否かを判定する判定手段と、所定条件が成立したと判定された場合に、ＰＷＭのキャリア周波数を変更する変更手段とを有する。この構成によれば、スターリン冷凍システムは、その条件に応じて、適切なキャリア周波数で運転される。

本発明のスターリング冷凍システムにおいては、スターリング冷凍システムを運転操作するスイッチをさらに備え、スイッチが静音モードに操作されたことに基づいて、所定信号がマイクロコンピュータに入力された場合に所定条件が成立し、ＰＷＭのキャリア周波数を高くすることがより好ましいと考えられる。この構成によれば、スイッチが操作され静音モードが設定されると、ＰＷＭのキャリア周波数が高くなりスターリング冷凍システムが静かに運転される。

また、本発明のスターリング冷凍システムにおいては、マイクロコンピュータが時計手段を有し、時計手段が所定時間帯であることを示している場合に所定条件が成立して、ＰＷＭのキャリア周波数を高くすることがより好ましいと考えられる。この構成によれば、夜間などの所定時間帯にスターリング冷凍機を静かに運転することが可能になる。

また、本発明のスターリング冷凍システムは、インバータ回路の温度情報をマイクロコンピュータへ送信する温度センサをさらに備え、温度情報が所定値よりも高い温度を示す場合に所定条件が成立して、ＰＷＭのキャリア周波数を低くすることがより好ましいと考えられる。この構成によれば、インバータ回路が発熱によって損傷することが防止される。

また、本発明のスターリング冷凍システムにおいては、マイクロコンピュータがピストンのストロークを検出する手段を有し、ストロークの情報が所定値よりも高い値を示す場合に所定条件が成立して、ＰＷＭのキャリア周波数を低くすることがより好ましいと考えられる。この構成によっても、インバータ回路が発熱によって損傷することが防止される。

また、本発明のスターリング冷凍システムにおいては、マイクロコンピュータが、ピストンを基準ストロークで駆動させる基準運転制御と、基準ストロークよりも大きな所定ストロークでピストンを駆動させる所定運転制御とを選択的に実行し、所定運転制御が実行される場合に所定条件が成立して、基準運転制御が実行される場合に比較して、ＰＷＭのキャリア周波数を低くすることがより好ましいと考えられる。この構成によっても、インバータ回路が発熱によって損傷することが防止される。

また、本発明のスターリング冷凍システムは、スターリング冷凍機によって冷却される冷却空間の温度情報をマイクロコンピュータへ送信する温度センサをさらに備え、温度情報が所定値よりも低い温度を示す場合に所定条件が成立して、ＰＷＭのキャリア周波数を低くすることがより好ましいと考えられる。この構成によっても、インバータ回路が発熱によって損傷することが防止される。

本発明によって、インバータ回路のキャリア周波数を適宜適切な値に変更することによって、インバータ回路の発熱による損傷が防止されかつ騒音の発生が抑制されたスターリング冷凍システムを提供できる。

以下、図を参照して、本発明の実施の形態のスターリング冷凍システムを説明する。

（実施の形態１）
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態１のスターリング冷凍システムが用いられた冷却庫を説明する。なお、スターリング冷凍システムとは、後述するスターリング冷凍機４０と、スターリング冷凍機４０を制御する制御装置３０内のマイクロコンピュータ１０００およびインバータ回路１００と、を意味するものとする。

本実施の形態の冷却庫２００は、図１に示すように、断熱壁９５によって仕切られた冷凍室８０および冷蔵室５０を備えている。冷凍室８０と冷蔵室５０とは、冷気流路９０によって連通している。また、冷凍室８０には扉８５が設けられ、冷蔵室５０には扉７５が設けられている。

また、冷却庫２００は、断熱壁９５の外部にスターリング冷凍機４０およびスターリング冷凍機４０を制御する制御装置３０を備えている。また、スターリング冷凍機４０の圧縮空間９で発生した温熱は、蒸発器５２および配管５３を介して高温側循環路内を循環する二次冷媒、たとえば、水によって凝縮器５４へ伝達される。凝縮器５４においては、図示しない放熱ファンによって外気への放熱が促進される。

また、図１の冷却庫２００において、ループ配管５６、蒸発器５７、および凝縮器５５は、低温側循環回路を構成している。スターリング冷凍機４０の膨張空間１０で発生した冷熱が低温側循環回路内の二次冷媒に伝達される。二次冷媒は低温側循環回路内をサーモサイフォン作用によって自然循環する。

まず、凝縮器５５内の低温部において生成された冷熱は、まず、低温側の凝縮器５５において、二次冷媒、たとえば二酸化炭素に伝達され液化される。また、液体の状態で蒸発器５７に流れ込んだ二酸化炭素は熱負荷を受けることによって気化される。このとき、二酸化炭素は、蒸発器５７の周囲の空気から熱を奪う。それにより、蒸発器５７の周囲には冷気が生成される。蒸発器５７によって生成された冷気は冷却ファン５９によって冷凍室８０および冷蔵室５０内に送り込まれる。

なお、冷凍室８０内から蒸発器５７へ与えられる熱負荷がある場合には、冷却ファン５９が駆動することによって、蒸発器５７と冷凍室８０から送られてきた空気との間で熱交換が行なわれる。逆に、冷凍室８０内から蒸発器５７へ与えられる熱負荷がない場合、例えば、冷凍室８０の温度がユーザによって設定された温度以下になって冷却ファン５９が停止しているときには、蒸発器５７内の二次冷媒は気化せず、蒸発器５７の温度が凝縮器５５の温度と同じ程度まで低下し二次冷媒はループ配管５６内を殆ど循環しなくなる。

前述のような冷却庫２００においては、冷却ファン５９が駆動しているときには、開口６０から冷気流路９０内へ冷凍室８０内の空気が吸い込まれる。この吸い込まれた空気は、蒸発器５７によって冷やされ、冷気として、開口６１から冷凍室８０内へ吐出されるとともに、ダンパ６４が開放されている場合には、冷気流路９０を介して開口６５から冷蔵室５０内へ吐出される。それによって、冷凍すべき食品が冷凍されるとともに、冷蔵すべき食品および飲み物が冷却される。

また、制御装置３０は、温度センサ８１による冷凍室８０の温度情報に基づいてスターリング冷凍機４０を制御し、温度センサ８２による冷蔵室５０の温度情報に基づき冷気を冷凍室８０と冷蔵室５０との双方に流す開放状態と、冷気を冷凍室８０にのみ流す閉鎖状態とにダンパ６４を制御する。

次に、図２を用いて、本実施の形態のスターリング冷凍システムを説明する。図２に示すように、スターリング冷凍機４０は、２つの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が圧縮空間９を介して軸Ｙを共通の軸として嵌め込まれている。

ディスプレーサ２の先端側に膨張空間１０が形成され、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、作動媒体の熱を蓄積すると共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には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対向している。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、耐圧容器４の壁面を貫通してインバータ回路１００に接続されている。インバータ回路１００によってリニアモータ１３（Ｍ）に駆動電力が供給される。インバータ回路１００はマイクロコンピュータ１０００によって制御される。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も往復運動する。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、インバータ回路１００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により駆動され、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。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、高温部から熱を放出し、次にディスプレーサ２の周囲に設けられた再生器１２で冷却される。その後、再生器１２から膨張空間１０へ流入する。

膨張空間１０内の作動ガスは、ディスプレーサ２の動きにより膨張し、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。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。

つまり、マイクロコンピュータ１００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。

次に、図３〜図７を用いて、実施の形態のインバータ回路およびマイクロコンピュータを説明する。

図３に示すように、本実施の形態においては、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）２００が用いられる。ＩＰＭ２００には、インバータ回路１００が内蔵されている。インバータ回路１００は、４つのスイッチング素子を有し、図３に示すような態様で、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。４つのスイッチング素子は、トランジスタＧｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、およびＧｙ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。

図３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ると共に、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。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、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、インバータ回路１００に対して並列にコンデンサＣとコンデンサＣＣとの直列回路が接続されている。この直列回路に整流器Ｄの出力側が接続され、この整流器Ｄの入力側に交流電源Ｇ及びコンデンサＣが接続されて、コンデンサＣ及びコンデンサＣＣによる倍電圧回路が構成されている。

また、ＩＰＭ２００内には、温度センサ３００が設けられており、温度センサ３００によって検出されたＩＰＭ２００の温度情報は、マイクロコンピュータ１０００へ随時送信される。

さらに、リニアモータＭの２つの端子に、電圧計として機能する回路Ｖの２つの端子が１対１の関係で接続され、回路Ｖで得られた電圧値がマイクロコンピュータ１０００のＵ相電圧センサ入力ポートおよびＶ相電圧センサ入力ポートのそれぞれへ送信される。

また、コンデンサＣとコンデンサＣＣとの直列回路とリニアモータＭとの間には、電流計として機能する回路Ａが設けられ、回路Ａで得られた電流値がマイクロコンピュータ１０００の電流センサ入力ポートへ送信される。

電圧値および電流値の取得手法は、より具体的には、次のようなものである。実際の電圧値の取得においては、まず、リニアモータＭに印加されている電圧が分圧され、その分圧された電圧値がマイクロコンピュータ１０００に入力される。マイクロコンピュータ１０００は、その分圧された電圧値をＡ／Ｄ変換し、それによって、実際の電圧値が算出される。また、電流値の取得に関しては、まず、シャント抵抗Ｓの両端の電位差がオペアンプを含む回路Ａによって増幅され、その増幅された電位差の値がマイクロコンピュータ１０００に入力される。マイクロコンピュータ１０００は、その増幅された電位差の値をＡ／Ｄ変換し、それによって、電流値が算出される。

図４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制御用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４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ＲＯＭ（Read Only Memory）とを備えている。ＲＯＭには、４つのスイッチング素子としてのトランジスタ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で行なわれた演算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には、アップ／ダウンタイマ１の２つの相それぞれに対応した２つのレジスタが設けられている。このレジスタによって後述する設定値が決定される。この設定値は、ＰＷＭ制御における信号波（ｓｉｎ波）の振幅および周波数を決定するものである。また、設定値は、目標とする交流波形を構成するピーク時の電圧パルスのデューティ比、すなわち交流電圧の最大電圧値、および、目標とする交流波形の周波数が入力されれば、マイクロコンピュータ１０００によって自動的に算出される。

また、Ｕ相とＶ相との位相角の差は、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およびＧｘ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。

次に、図５および図６を用いて、本実施の形態の交流電力生成装置におけるトランジスタＧｕ，Ｇｘ，Ｇｖ，およびＧｙのそれぞれのキャリア周期ごとの開閉動作のタイミングを説明する。

図５に示すＵ相の設定値に基づいてＵ相コントロール回路が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。そして、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。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。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５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６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。そして、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。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。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６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、キャリア周期ごとに変更される。つまり、図５および図６におけるアップ／ダウンタイマ１のキャリア周期ごとの設定値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５と図６とを比較すると分かるように、リニアモータＭに流れる電圧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。本実施の形態においては、Ｕ相の電圧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相の電圧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７（ａ）に示すように、トランジスタＧｕおよびＧｙのみによって波形が形成され、１サイクルの後半においては、図７（ｂ）に示すように、トランジスタＧｖおよびＧｘのみによって波形が形成され。１サイクルの全体では、図７（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。

なお、スターリング冷凍機の制御においては、ピストン１とディスプレーサ２とは、所定周波数で駆動しなければ、共振しない。つまり、ピストン１の往復運動の周波数が、ディスプレーサ２の共振周波数と異なると、スターリング冷凍機４０を駆動させることができない。したがって、ＰＷＭの信号波を構成する前述の設定値のデータ列と時間との関係は、必ず所定の周波数のサインカーブを描くように設定されている必要がある。

前述のＰＷＭによって生成された交流電力の波形は、図８に示すようにキャリア周期が長い場合すなわちキャリア周波数が低い場合より、図９に示すようにキャリア周期が短い場合すなわちキャリア周波数が高い場合の方が、リニアモータＭに印加される交流電圧の波形が理想のサインカーブに近づく。したがって、キャリア周波数が高い場合には、キャリア周波数が低い場合に比較して、ピストン１の駆動が滑らかに行なわれるため、スターリング冷凍機４０の振動に起因する騒音が小さい。一方、キャリア周波数が高い場合には、キャリア周波数が低い場合に比べ、前述の４つのトランジスタのＯＮ／ＯＦＦの回数が多くなるため、インバータ回路１００が発熱により損傷する虞がある。

そのため、冷却庫に求められる条件に応じて、キャリア周波数を変更することが必要になる。そこで、次に、図１０〜図１４を用いて、如何なる条件によってキャリア周波数を変更するかを説明する。

本実施の形態においては、図１０に示すように、冷却庫に設けられた静音モードのスイッチがユーザによって押圧された場合に、キャリア周波数を高くする制御を行なう。これは、ユーザの静音の要望に速やかに対応するための手法である。また、図１１に示すように、昼間のキャリア周波数に比べ夜間のキャリア周波数を高くする制御を行なう。一般的に、夜間においては冷却庫の騒音が小さいことが望ましいためである。このような制御が行なわれる場合には、予め定められた所定時間帯になると、自動的にキャリア周波数が大きくなり、その後、所定時間帯でなくなると、自動的にキャリア周波数が小さくなる。

また、図１２に示すように、インバータ回路１００を内蔵するＩＰＭ２００の温度に応じて、キャリア周波数を変更する方法も考えられる。この方法においては、ＩＰＭ２００の温度が高くなるにつれ、前述した温度センサ３００の温度情報に基づいてキャリア周波数を低くする。それは、ＩＰＭ２００の温度上昇を抑制し、ＩＰＭ２００が発熱によって損傷することを防止するためである。

また、冷凍室８０の温度が低いほどスターリング冷凍機のピストン１のストロークが大きいため、リニアモータＭに印加される交流電圧の実効値が高くなっている。このとき、インバータ回路１００のスイッチング素子に大きな負荷がかかっている。そこで、図１３および図１４に示すように、冷凍室８１内の温度が低くなるにつれ前述した温度センサ８１の温度情報に基づいてキャリア周波数を低くすることにより、ＩＰＭ２００の発熱による損傷を防止することができる。なお、図１４において、キャリア周波数がゼロになっている期間は、冷却庫の除霜運転の期間であり、この期間においては、冷凍室８０の温度は除々に上昇している。

また、スターリング冷凍機４０のピストン１のストロークが大きい場合、ＩＰＭ２００の温度が上昇するので、スターリング冷凍機４０のピストン１のストロークが大きくなるにつれて、ＰＷＭのキャリア周波数が低くなるように制御しても、ＩＰＭ２００の発熱による損傷を防止することは可能である。

次に、図１５を用いて、本実施の形態の冷却庫の制御装置３０のマイクロコンピュータ１０００内で行なわれるキャリア周波数変更処理を説明する。

まず、Ｓ１において、静音モードスイッチがオンされたか否かが判別され、静音モードのスイッチがオンされていれば、Ｓ４において、静音モードの最も高いキャリア周波数ｆ₀でＰＷＭ制御が行なわれる。一方、Ｓ１において、静音モードスイッチがオンされていなければ、Ｓ２において、マイクロコンピュータ１０００内のタイマが所定時間帯、たとえば、午後１０時から午前７時までの時間帯を示しているか否かが判別される。このタイマは、単純に現在の時刻をカウントしているものである。

Ｓ２において、タイマが所定時間帯の時刻を示していれば、Ｓ４において、静音モードのキャリア周波数ｆ₀でＰＷＭ制御が行なわれる。一方、Ｓ２において、タイマが所定時間帯の時刻を示していなければ、Ｓ３において、静音モードのキャリア周波数ｆ₀よりも低いキャリア周波数ｆ₁の通常モードでＰＷＭ制御が行なわれる。つまり、ユーザが静音モードの運転を希望しているか、または、時刻が夜間の時間帯である場合には、最も高いキャリア周波数ｆ₀の静音モードでＰＷＭ制御が実行される。一方、静音モードの運転を実行する必要がない場合には、以下に示す特定の条件が成立しなければ、通常モードの運転制御が実行される。

その後、Ｓ５において、温度センサ３００によって検出されたＩＰＭ２００の温度が所定温度Ｋ₁よりも高いか否か、温度センサ８１によって検出された冷凍室８０の温度が所定温度Ｊ₁よりも低いか否か、または、スターリング冷凍機４０のピストン１のストロークが所定値Ｔ₁よりも大きいか否か、が判別される。

なお、所定温度Ｋ₁、所定温度Ｊ₁、および所定値Ｔ₁は、それぞれ、ＩＰＭ２００が自身の発熱によって損傷することを防止できるかどうかという観点から決定されている。

Ｓ５において、ＩＰＭ温度＞Ｋ₁、冷凍室温度＜Ｊ₁、ストローク＞Ｔ₁、または最大ストロークモードの場合には、Ｓ６において、過熱防止モードのキャリア周波数ｆ₃でＰＷＭ制御が実行されるように制御状態が変更された後で、Ｓ７の処理が実行される。この過熱防止モードのキャリア周波数ｆ₃は、最も低い周波数である。一方、Ｓ５において、ＩＰＭ温度＞Ｋ₁、冷凍室温度＜Ｊ₁、またはストローク＞Ｔ₁でない場合には、制御状態の変更が行なわれることなく、つまり、通常モードの状態で、Ｓ７の処理が実行される。

Ｓ７においては、温度センサ３００によって検出されたＩＰＭ２００の温度が所定温度Ｋ₁以下でありかつ特定温度Ｋ₂よりも高いか否か、温度センサ８１によって検出された冷凍室８０の温度が特定温度Ｊ₁以上でありかつ所定温度Ｊ₂よりも低いか否か、または、スターリング冷凍機４０のピストン１のストロークが特定値Ｔ₁以下でありかつ所定値Ｔ₂よりも大きいか否か、が判別される。Ｓ７において、Ｋ₁≧ＩＰＭ温度＞Ｋ₂、Ｊ₁≦冷凍室温度＜Ｊ₂、または、Ｔ₁≧ストロークＸ＞Ｔ₂の場合には、Ｓ８において、中モードのキャリア周波数ｆ₂でＰＷＭ制御が実行されるように制御状態が変更された後で、Ｓ５の処理からＳ９の処理が繰り返される。一方、Ｓ７において、Ｋ₁≧ＩＰＭ温度＞Ｋ₂、Ｊ₁≦冷凍室温度＜Ｊ₂、またはＴ₁≧ストローク＞Ｔ₂でない場合には、制御状態の変更が行なわれることなく、Ｓ９において、ＩＰＭ温度がＫ₂以下であるか否か、冷凍室温度がＪ₂以上であるか否か、または、ストロークがＴ₂以下であるか否かが判別される。Ｓ９において、ＹＥＳの場合、Ｓ１の処理が実行されが、Ｓ９において、ＮＯの場合、Ｓ５〜Ｓ９の処理が繰り返される。

なお、図１５に示すフローチャートにおいては、Ｋ₁＞Ｋ₂、Ｊ₁＜Ｊ₂、Ｔ₁＞Ｔ₂、ｆ₀＞ｆ₁＞ｆ₂＞ｆ₃という関係が成立している。また、図１５には、Ｓ５、Ｓ７およびＳ９において、ＩＰＭ温度、冷凍室温度、およびストロークからなる３つの判定基準がまとめて記載されているが、マイクロコンピュータ１０００は、３つの判定基準のうちいずれか１又は２の判定基準を用いる方法が採用されてもよい。

また、マイクロコンピュータ１０００は、前述のスターリング冷凍機４０のストロークＸを次のような手法によって算出する。

制御ボックス３０の定常時の駆動状態について図１６および図１７を用いて説明をする。図１６は、定常時においてリニアモータ１３（Ｍ）に印加される電圧Ｖ、リニアモータ１３（Ｍ）のコイル１６に流れる電流Ｉ、リニアモータ１３のコイル１６に発生する誘起電圧Ｅ、及び、ピストン１の変位Ｔの関係を示した図である。図１７は、リニアモータ１３の等価回路図である。また、図１７に示すように、誘起電圧Ｅによって生じる電流Ｉの流れの方向と、印加電圧Ｖによって生じる電流の流れの方向とは逆である。

図１６に示すように、電流Ｉは、リニアモータ１３のインダクタンス（図１７に示すＬ）の影響で、印加電圧Ｖよりもθだけ位相が遅れている。ここで、リニアモータ１３に作用する推力の大きさは、電流Ｉの値に推力定数αを乗じた値となる。また、図１６に示す等価回路図から分かるように、誘起電圧Ｅは、次の式（１）で表される。

Ｅ＝Ｖ−Ｒ×Ｉ×ｃｏｓθ−Ｌ×ｓｉｎθ×（ｄＩ／ｄｔ）・・・（１）
したがって、モータ巻線抵抗Ｒが予め分かっていれば、電圧Ｖと、電流Ｉとを用いて誘起電圧Ｅを計算することができる。なお、位相差θは、電圧Ｖがピーク時の位相の値と電流Ｉがピークの時の位相の値との差を算出することによって得られる。

次に、ピストン１の変位ＴとしてストロークＸの検出方法について説明する。ここでは、前述の印加電圧Ｖの周波数ｆを用いて、次の式（２）からストロークＸを検出する。

Ｘ＝２×［Ｖ−Ｒ×Ｉ×Ｃｏｓθ−Ｌ×Ｓｉｎθ×（ｄＩ／ｄｔ）］／（２×π×ｆ×α）・・・（２）
このように、位相差θ、モータ巻線抵抗Ｒ、電圧Ｖ、電流Ｉ、周波数ｆ、および推力定数αが分かっていれば、ストロークＸを算出することができる。

なお、前述のストロークＸの算出方法は、特開２００３−３１４９１９号公報および特開２００３−６５２４４号公報において詳細に開示されている。

したがって、マイクロコンピュータ１０００は、図３に示す回路Ｖおよび回路Ａによって得られる電圧波形および電流波形から、電流Ｉ、電圧Ｖ、位相差θを特定し、それらの値と予め決定されているモータ巻線抵抗Ｒ、周波数ｆおよび推力定数αの値と、ＲＯＭに記憶されている前述の式（１）および式（２）とを用いて、ピストン１のストロークを常に算出することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態のスターリング冷凍システムは、実施の形態１のスターリング冷凍システムとほぼ同様であるが、図１８を用いて説明するキャリア周波数変更処理のみが実施の形態１のスターリング冷凍システムと異なる。

本実施の形態のスターリング冷凍システムは、実施の形態１のＳ５においてピストン１のストロークが所定値Ｔ₁より大きいか否か等が判別される代わりに、本実施の形態においては、図１８に示すように、ＳＳ５において、運転モードが最大ストロークモードになっているか否かが判別される。最大ストロークモードとは、スターリング冷凍機４０の起動時または霜除運転終了後など、冷凍庫８０の温度を急速に低下させる運転が行なわれる運転モードである。運転モードを最大ストロークモードにするか否かは、スターリング冷凍機４０の負荷（たとえば、消費電力）に応じて、マイクロコンピュータ１０００が決定する。マイクロコンピュータ１０００が最大ストロークモードの運転を行なうことを決定した場合には、通常ストロークモードのときのキャリア周波数よりも低い過熱防止モードのキャリア周波数ｆ₃でＰＷＭ制御が実行される。

また、実施の形態１のＳ７においてピストン１のストロークが所定値Ｔ₂より大きいか否か等が判別される代わりに、本実施の形態のＳＳ７においては、運転モードが中ストロークモードになっているか否かが判別される。この場合、運転モードが中ストロークモードである場合には、ＳＳ８において、最大ストロークモードのキャリア周波数ｆ₃より大きなキャリア周波数ｆ₂の中モードの運転が実行される。

中ストロークモードとは、通常ストロークよりも大きなストロークでありかつ最大ストロークよりも小さいストロークでピストン１が往復運動する運転モードである。この中ストロークモードは、通常運転時よりは高い冷凍能力が要求されるが、最大ストロークモードの運転時よりは低い冷凍能力で冷却空間を所望の温度に維持することが可能な運転モードである。運転モードを中ストロークモードにするか否かは、冷凍室８０の温度等に応じてマイクロコンピュータ１０００が決定する。

また、実施の形態１のＳ９においてピストン１のストロークが所定値Ｔ₂より大きいか否かが判別される代わりに、本実施の形態のＳＳ９においては、運転モードが通常ストロークモードになっているか否かが判別され、通常モードであると判定された場合にはＳＳ１の処理が実行されるが、ＳＳ９において通常モードでないと判定された場合には、ＳＳ５〜ＳＳ９までの処理が繰り返される。前述の処理以外の処理、たとえば、ＳＳ１〜ＳＳ４の処理等は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態においては、マイクロコンピュータ１０００は、ピストン１を基準ストロークで駆動させる基準運転制御(通常ストロークモード）と、基準ストロークよりも大きな所定ストロークでピストン１を駆動させる所定運転制御(中ストロークモード：最大ストロークモード）とを選択的に実行する。また、所定運転制御が実行されている場合には、基準運転制御が実行される場合に比べＰＷＭのキャリア周波数が低くなる。つまり、本実施の形態のキャリア周波数変更処理においては、実際のピストン１のストロークの値を検知することなく、マイクロコンピュータ１０００が決定した運転モードに基づいてピストン１のストロークを特定し、キャリア周波数が変更される。この制御によっても、実施の形態１のキャリア周波数変更処理と同様の効果を得ることができる。

なお、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。

実施の形態の冷却庫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機の構造を示す断面図である。 実施の形態の交流電力生成装置の構成を説明するための図である。 実施の形態の交流電力生成装置において用いられる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相の電圧パルスとＶ相の電圧パルスとを説明するための図である。 キャリア周波数が低い場合の印加電圧を示す図である。 キャリア周波数が高い場合の印加電圧を示す図である。 静音モードとキャリア周波数との関係を示す図である。 時間帯とキャリア周波数との関係を示す図である。 ＩＰＭの温度とキャリア周波数との関係を示す図である。 急速冷凍時の冷凍室の温度とキャリア周波数との関係を示す図である。 除霜運転前後の冷凍室の温度とキャリア周波数との関係を示す図である。 実施の形態１のキャリア周波数変更処理を説明するためのフローチャートである。 リニアモータの電流の位相、電圧の位相、およびピストンの位相の関係を説明するための参考図である。 リニアモータの等価回路図である。 実施の形態２のスターリング冷凍システムのキャリア周波数変更処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

４０ スターリング冷凍機、１００ インバータ回路、２００ 冷却庫、１０００ マイクロコンピュータ。

Claims (6)

1. リニアモータによってピストンを往復運動させるスターリング冷凍機と、
   前記リニアモータを駆動するインバータ回路と、
   前記インバータ回路をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によって制御するマイクロコンピュータとを備え、
   前記マイクロコンピュータは、
   所定条件が成立したか否かを判定する判定手段と、
   前記所定条件が成立したと判定された場合に、前記ＰＷＭのキャリア周波数を変更する変更手段とを有する、スターリング冷凍システム。
2. 前記スターリング冷凍システムを運転操作するスイッチをさらに備え、
   前記スイッチが静音モードに操作されたことに基づいて、所定信号が前記マイクロコンピュータに入力された場合に前記所定条件が成立し、前記変更手段が前記ＰＷＭのキャリア周波数を高くする、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
3. 前記マイクロコンピュータは時計手段を有し、
   前記時計手段が所定時間帯であることを示している場合に前記所定条件が成立し、前記変更手段が前記ＰＷＭのキャリア周波数を高くする、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
4. 前記インバータ回路の温度情報を前記マイクロコンピュータへ送信する温度センサをさらに備え、
   前記温度情報が所定値よりも高い温度を示す場合に前記所定条件が成立し、前記変更手段が前記ＰＷＭのキャリア周波数を低くする、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
5. 前記マイクロコンピュータは前記ピストンのストロークを検出する手段を有し、
   前記ストロークの情報が所定値よりも高い値を示す場合に前記所定条件は成立し、前記変更手段が前記ＰＷＭのキャリア周波数を低くする、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
6. 前記マイクロコンピュータは、前記ピストンを基準ストロークで駆動させる基準運転制御と、前記基準ストロークよりも大きな所定ストロークで前記ピストンを駆動させる所定運転制御とを選択的に実行し、
   前記所定運転制御が実行される場合に前記所定条件が成立し、前記基準運転制御が実行される場合に比較して、前記変更手段が前記ＰＷＭのキャリア周波数を低くする、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。

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