JP2007298219A - Stirling refrigerating machine - Google Patents

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Akira Hirano
明良 平野
Hideki Inagaki
秀城 稲垣
Masahiro Ichikawa
正浩 市川
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Aisin Corp
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Aisin Seiki Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

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  • Control Of Linear Motors (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Stirling refrigerating machine having control method for compensating heat load change. <P>SOLUTION: This Stirling refrigerating machine comprises a cylinder, a surrounding member formed in a state of surrounding at least one end of the cylinder, a displacer received in the cylinder, reciprocated in the axial direction of the cylinder and forming an expansion space with the surrounding member, a piston received in the cylinder, reciprocated in the axial direction of the cylinder, and forming a compression space with the displacer, a cooling portion communicating the compression space and the expansion space and composed of a heat exchanger and a cold storage unit, a linear motor reciprocating and driving the displacer and the piston, and a control means adjusting the reciprocation of the displacer and the piston, and controlling the change of volumes of the compression space and the expansion space. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、スターリング冷凍機に関わり、特にピストン及びディスプレーさーの往復動を安定させるのに好適な振動制御手段に関する。   The present invention relates to a Stirling refrigerator, and more particularly to vibration control means suitable for stabilizing the reciprocating motion of a piston and a display.

スターリング冷凍機は重要な冷凍手段として広く利用されている。スターリング冷凍機は基本的にディスプレーサー、ピストン、これらを囲む圧縮空間及び膨張空間を形成するシリンダー、圧縮空間及び膨張空間を連結する冷却部、また、ディスプレーサー及びピストンとを駆動するリニアモーターなどで構成される。   Stirling refrigerators are widely used as important refrigeration means. A Stirling refrigerator basically includes a displacer, a piston, a cylinder that forms a compression space and an expansion space surrounding them, a cooling unit that connects the compression space and the expansion space, and a linear motor that drives the displacer and the piston. Composed.

スターリング冷凍機では、ディスプレーサー及びピストンの往復動により膨張空間及び圧縮空間の容積が変動し、内部に封入された作動気体の状態が一定なサイクルを繰り返すことにより冷凍力が発生され、冷凍機として機能する。しかしながら、作動気体の状態が一定なサイクルを繰り返す際、作動気体の状態の変化が瞬時に起こることを前提としているため、実際にはこのような変化は起こり得ず、ピストン及びディスプレーサーを、位相差を持った正弦波形で動かすことにより作動気体の状態変化サイクルが形成されている。   In the Stirling refrigerator, the volume of the expansion space and the compression space fluctuates due to the reciprocating movement of the displacer and the piston, and the refrigerating power is generated by repeating the cycle of the state of the working gas enclosed inside as a refrigerator. Function. However, since it is assumed that when the working gas state repeats a certain cycle, the working gas state changes instantaneously, such a change cannot actually occur. A state change cycle of the working gas is formed by moving in a sinusoidal waveform having a phase difference.

スターリング冷凍機では、ディスプレーサー及びピストンを動かすには、二つのリニアモーターを採用することができるが、駆動周波数が高くなるとピストン及びディスプレーサーに作用する慣性力が非常に高くなり過大な電動機が必要となる。このため、バネを有する振動系を取り付け、共振点付近で駆動させ電動機容量を抑えるとしている。従って、スターリング冷凍機において振動系を構成する要素として機械バネと気体バネが存在している。機械バネは線形を有するが、気体バネは非線形ものである。変位波形は非線形バネの特性により大きく影響を受けるため、電動機の交番力を与えてもディスプレーサーとピストンにその停止位置を振動中心とする交番変位を与えることができるという保証はない。つまり、振動中心の位置ずれが発生し、復動するピストン及びディスプレーサーがシリンダーの端部に衝突したり、圧縮室の死容積が増大したりする問題が生じる恐れがある。これらの問題の解決方法として特許第2559839号公報(以下、特許文献1と称する)がある。特許文献1では、スターリング冷凍機を構成するピストン及びディスプレーサーの変位を測定する変位測定手段を有し、ピストン及びディスプレーサーの変位量からピストン及びディスプレーサーの振動中心及び振幅を目標振動中心及び目標振幅に近づくようにピストン及びディスプレーサーを駆動する電動機の電流を制御する方法が開示された。
特許第2559839号公報
In a Stirling refrigerator, two linear motors can be used to move the displacer and piston. However, if the drive frequency increases, the inertial force acting on the piston and displacer becomes very high and an excessive motor is required. It becomes. For this reason, a vibration system having a spring is attached and driven near the resonance point to suppress the motor capacity. Accordingly, mechanical springs and gas springs exist as elements constituting the vibration system in the Stirling refrigerator. Mechanical springs are linear, while gas springs are non-linear. Since the displacement waveform is greatly influenced by the characteristics of the non-linear spring, there is no guarantee that even if an alternating force of the electric motor is applied, an alternating displacement having the stop position as the vibration center can be applied to the displacer and the piston. That is, the position of the vibration center is displaced, and there may be a problem that the returning piston and the displacer collide with the end of the cylinder or the dead volume of the compression chamber increases. As a method of solving these problems, there is Japanese Patent No. 2559839 (hereinafter referred to as Patent Document 1). In patent document 1, it has the displacement measurement means which measures the displacement of the piston and displacer which comprise a Stirling refrigerator, and the vibration center and amplitude of a piston and a displacer are obtained from the displacement amount of a piston and a displacer. A method for controlling the current of the motor driving the piston and the displacer to approach the amplitude has been disclosed.
Japanese Patent No. 2559839

特許文献1の方法では冷凍機の温度の変動により作動気体状態が変化してもピストン及びディスプレーサーの往復動中心が変動しないように制御されているが、熱負荷変動を補償する制御形態となっていない。つまり、冷却部の熱負荷に合った最適な冷凍出力制御が行われていない。すなわち、冷却部の温度に対応した振幅制御、振動中心制御、位相角制御、周波数制御を行うための最適な目標値の設定ができない。   In the method of Patent Document 1, control is performed so that the reciprocating center of the piston and the displacer does not change even if the working gas state changes due to the temperature change of the refrigerator. Not. That is, optimal refrigeration output control that matches the heat load of the cooling unit is not performed. That is, it is impossible to set an optimum target value for performing amplitude control, vibration center control, phase angle control, and frequency control corresponding to the temperature of the cooling section.

本発明は上記の実状に鑑みてなされたものであり、熱負荷変動を補償する制御形態を有するスターリング冷凍機を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of said actual condition, and makes it a subject to provide the Stirling refrigerator which has a control form which compensates a thermal load fluctuation | variation.

本発明のスターリング冷凍機は、シリンダーと、シリンダーの少なくとも一端を包囲して形成された包囲部材と、シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動し包囲部材との間に膨張空間を形成するディスプレーサーと、シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動しディスプレーサーとの間に圧縮空間を形成するピストンと、圧縮空間と膨張空間とを連通する熱交換器及び蓄冷器からなる冷却部と、ディスプレーサー及びピストンを往復駆動するリニアモーターと、ディスプレーサー及びピストンの往復動を調整して圧縮空間及び膨張空間の容積変化を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。   The Stirling refrigerator of the present invention forms an expansion space between a cylinder, an enclosing member that surrounds at least one end of the cylinder, and a reciprocating motion in the axial direction of the cylinder that is accommodated in the cylinder. A displacer, a piston that is accommodated in the cylinder and reciprocates in the axial direction of the cylinder to form a compression space, a heat exchanger that communicates the compression space and the expansion space, and a regenerator. A cooling unit, a linear motor that reciprocates the displacer and the piston, and a control unit that adjusts the reciprocating motion of the displacer and the piston to control the volume change of the compression space and the expansion space.

また、本発明のスターリング冷凍機の制御手段は、ピストン及びディスプレーサーの位置変動を検出する位置検出手段と、冷却部に設けられ冷却部の温度を検出する温度検出手段とを有することが好ましい。さらに、本発明のスターリング冷凍機の制御手段は、位置検出手段の出力信号からディスプレーサー及びピストンの振幅中心位置、振幅または位相角を算出する振幅算出手段と、温度検出手段で検出された検出温度と目標温度との温度偏差を算出する温度偏差算出手段と、振幅算出手段及び温度偏差算出手段の算出結果に基づき温度偏差を無くすのに最適振幅、最適振幅中心、最適位相角、最適周波数の目標値を演算する目標値演算手段と、目標値演算手段からの演算結果に基づきピストン及びディスプレーサーの最適振幅、最適振幅中心、最適位相角、最適周波数の目標値との動き偏差を無くすようにリニアモーターの電源を制御する電源制御手段とを有することが好ましい。   Moreover, it is preferable that the control means of the Stirling refrigerator of the present invention includes position detection means for detecting position fluctuations of the piston and the displacer, and temperature detection means provided in the cooling part for detecting the temperature of the cooling part. Further, the control means of the Stirling refrigerator of the present invention comprises: an amplitude calculating means for calculating the center position, amplitude or phase angle of the displacer and piston from the output signal of the position detecting means; and a detected temperature detected by the temperature detecting means. Temperature deviation calculating means for calculating the temperature deviation between the target temperature and the target temperature of the optimum amplitude, optimum amplitude center, optimum phase angle and optimum frequency to eliminate the temperature deviation based on the calculation results of the amplitude calculating means and the temperature deviation calculating means. Linear so as to eliminate motion deviations from the target value calculation means for calculating the value and the target values of the optimum amplitude, optimum amplitude center, optimum phase angle, and optimum frequency of the piston and the displacer based on the calculation result from the target value calculation means It is preferable to have power supply control means for controlling the power supply of the motor.

このように、冷却部に温度検出手段を設けることにより、冷却部において熱負荷の変動による温度変化が検知され、冷却部の温度に対応した最適振幅、最適振動中心、最適位相角、または、最適周波数を設定することができる。つまり、本発明のスターリング冷凍機は熱負荷に対応した最適冷凍出力制御が行われ、熱負荷変動を補償する制御形態を有することができる。   As described above, by providing the temperature detection means in the cooling unit, the temperature change due to the fluctuation of the thermal load is detected in the cooling unit, and the optimum amplitude, optimum vibration center, optimum phase angle, or optimum corresponding to the temperature of the cooling unit is detected. The frequency can be set. That is, the Stirling refrigerator of the present invention can have a control form in which optimum refrigeration output control corresponding to the heat load is performed and the heat load fluctuation is compensated.

本発明のスターリング冷凍機によれば、振動系の特性による振動中心のずれを防ぐことができるとともに、冷却部の負荷による温度の変化に対応した最適振幅、最適振動中心、最適位相角、または、最適周波数を設定することができ、熱負荷変動を補償する制御形態を有することができる。   According to the Stirling refrigerator of the present invention, it is possible to prevent the deviation of the vibration center due to the characteristics of the vibration system, and the optimum amplitude, optimum vibration center, optimum phase angle corresponding to the temperature change due to the load of the cooling unit, or An optimum frequency can be set, and a control configuration that compensates for thermal load fluctuations can be provided.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施形態のスターリング冷凍機の概略構成の断面図を図2に示した。図2は本実施形態のスターリング冷凍機の概念図である。図2に示すように、本実施形態のスターリング冷凍機は、主にディスプレーサー1、ピストン2、シリンダー3、冷却部4、リニアモーター51(ディスプレーサー用)、52(ピストン用)、また制御手段C(図1に示す)とから構成される。また、シリンダー3において包囲部材31、ディスプレーサー1、またはピストン2で膨張空間11と圧縮空間21がそれぞれ形成され、冷却部4を介して連通されている。なお、冷却部4は吸熱器41、蓄冷器42、放熱器43、連結通路44とで構成される。包囲部材31はシリンダー3の上端にシリンダー3を包囲して一体に形成されたものである。なお、吸熱器41と放熱器43は本発明の熱交換器を構成するものである。   A cross-sectional view of the schematic configuration of the Stirling refrigerator of the present embodiment is shown in FIG. FIG. 2 is a conceptual diagram of the Stirling refrigerator of this embodiment. As shown in FIG. 2, the Stirling refrigerator of this embodiment mainly includes a displacer 1, a piston 2, a cylinder 3, a cooling unit 4, a linear motor 51 (for a displacer), 52 (for a piston), and control means. C (shown in FIG. 1). Further, in the cylinder 3, an expansion space 11 and a compression space 21 are respectively formed by the surrounding member 31, the displacer 1, or the piston 2, and communicated via the cooling unit 4. The cooling unit 4 includes a heat absorber 41, a regenerator 42, a radiator 43, and a connecting passage 44. The surrounding member 31 is integrally formed by surrounding the cylinder 3 at the upper end of the cylinder 3. In addition, the heat absorber 41 and the heat radiator 43 comprise the heat exchanger of this invention.

また、ディスプレーサー1はリニアモーター51により駆動され、ピストン2はリニアモーター52により駆動される。リニアモーター51、52はコイル可動形リニアモーター、または永久磁石可動形リニアモーター、鉄心可動形リニアモーターであり、永久磁石によって形成される一定磁場内に電流を流すことにより生成された力を利用したものである。このため、リニアモーター51,52は電流、もしくは電圧の調整により生成された力を制御することができる。結果的にスターリング冷凍機の振動系を制御することができる。   The displacer 1 is driven by a linear motor 51, and the piston 2 is driven by a linear motor 52. The linear motors 51 and 52 are coil movable linear motors, permanent magnet movable linear motors, or iron core movable linear motors, and use the force generated by flowing current in a constant magnetic field formed by permanent magnets. Is. For this reason, the linear motors 51 and 52 can control the force generated by adjusting the current or voltage. As a result, the vibration system of the Stirling refrigerator can be controlled.

また、本実施形態のスターリング冷凍機は、所定位置にディスプレーサー1、またはピストン2の振動による位置変動を検出するディスプレーサー用振幅検出手段61、またはピストン用振幅検出手段62を設けている。なお、ディスプレーサー1及びピストン2の位置変動を検出しやすい部位に振幅検出手段61、62を設置することができる。例えば、振幅検出手段61、62をそれぞれリニアモーター51、52に設け、リニアモーター51、52に入力される電流と電圧によりセンサーレスでピストン2及びディスプレーサー1の位置変動を検出する構成が例示できる。(図1に示すように)また、シリンダー3の壁部に変位センサーを内置し、直接シリンダー3内に収容されたディスプレーサー1とピストン2の位置変動を検出することもできる(図2に示すように)。おな、振幅検出手段61、62の構成はこれらに限定されるものではない。また、振幅検出手段61、62は本発明の位置検出手段を構成するものである。   Further, the Stirling refrigerator of the present embodiment is provided with a displacer amplitude detecting means 61 or a piston amplitude detecting means 62 for detecting a position variation due to vibration of the displacer 1 or the piston 2 at a predetermined position. In addition, the amplitude detection means 61 and 62 can be installed in the site | part which is easy to detect the position change of the displacer 1 and the piston 2. FIG. For example, a configuration in which the amplitude detecting means 61 and 62 are provided in the linear motors 51 and 52, respectively, and the position fluctuations of the piston 2 and the displacer 1 are detected without a sensor by the current and voltage input to the linear motors 51 and 52 can be exemplified. . (As shown in FIG. 1) In addition, a displacement sensor can be placed in the wall of the cylinder 3 to detect the positional fluctuation of the displacer 1 and the piston 2 accommodated directly in the cylinder 3 (shown in FIG. 2). like). The configuration of the amplitude detection means 61 and 62 is not limited to these. The amplitude detection means 61 and 62 constitute the position detection means of the present invention.

ディスプレーサー1はバネ510及びリニアモーター51を介し、ピストン2はバネ520及びリニアモーター52を介してそれぞれ独立した振動系を構成している。さらに、冷却部4には、温度検出手段7が設けられ、冷却部4の温度を検出している。なお、温度検出手段7は、温度センサーで直接温度を検出するもので構成することができるが、作動気体の圧力により間接的に温度を検出する圧力センサーで構成することもできる。また、温度検出手段7の構成はこれらに限定されるものではない。   The displacer 1 constitutes an independent vibration system via a spring 510 and a linear motor 51, and the piston 2 constitutes an independent vibration system via a spring 520 and a linear motor 52, respectively. Further, the cooling unit 4 is provided with temperature detecting means 7 for detecting the temperature of the cooling unit 4. The temperature detecting means 7 can be constituted by a temperature sensor that directly detects the temperature, but can also be constituted by a pressure sensor that indirectly detects the temperature by the pressure of the working gas. Moreover, the structure of the temperature detection means 7 is not limited to these.

次に、簡単に本実施形態のスターリング冷凍機の作動原理を説明する。本実施形態のスターリング冷凍機は一般のスターリング冷凍機と同様の冷凍原理である。図2を参照して説明する。ピストン2は上方に移動し、作動気体を圧縮する。このとき発生する圧縮熱は媒体を介して外部へ排出されるため、作動気体が等温的に圧縮される。次に、ディスプレーサー1のみが下方に移動し、作動気体は蓄冷器42などで構成された冷却部4を通り圧縮空間21から膨張空間11に移動する。次に、ディスプレーサー1とピストン2の両方が下方に移動するため、膨張空間11内の作動気体は膨張し、温度が低下することになる。このとき、吸熱により熱負荷を冷却することができる。つまり、熱負荷から熱が冷却部4に伝導されるため、作動気体が等温的に膨張される。結果的に、生成された低温は冷凍力として熱負荷に出力することができる。   Next, the operation principle of the Stirling refrigerator of this embodiment will be briefly described. The Stirling refrigerator of this embodiment has the same freezing principle as a general Stirling refrigerator. This will be described with reference to FIG. The piston 2 moves upward and compresses the working gas. Since the compression heat generated at this time is discharged to the outside through the medium, the working gas is compressed isothermally. Next, only the displacer 1 moves downward, and the working gas moves from the compression space 21 to the expansion space 11 through the cooling unit 4 constituted by the regenerator 42 and the like. Next, since both the displacer 1 and the piston 2 move downward, the working gas in the expansion space 11 expands and the temperature decreases. At this time, the heat load can be cooled by heat absorption. That is, since heat is conducted from the heat load to the cooling unit 4, the working gas is expanded isothermally. As a result, the generated low temperature can be output to the heat load as refrigeration power.

次に、本実施形態のスターリング冷凍機の制御系を図1に示す。図1では、スターリング冷凍機の構成を概略的に示している。また、図1では、図2に同様な構成部分を同じ符号で示している。図1に示すように、ディスプレーサー1(図2に示す)を駆動するリニアモーター51にはディスプレーサー用振幅検出手段61が設けられ、ピストン2(図2に示す)を駆動するリニアモーター52にはピストン用振幅検出手段62が設置される。また、冷却部4(図2に示す)には温度検出手段7が設置される。さらに、本実施形態のスターリング冷凍機は温度偏差算出手段70、振幅算出手段60、目標値演算手段80、または電源制御手段90を備えている。   Next, the control system of the Stirling refrigerator of this embodiment is shown in FIG. FIG. 1 schematically shows the configuration of a Stirling refrigerator. In FIG. 1, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 1, the linear motor 51 that drives the displacer 1 (shown in FIG. 2) is provided with amplitude detector 61 for the displacer, and the linear motor 52 that drives the piston 2 (shown in FIG. 2) The piston amplitude detecting means 62 is installed. Further, a temperature detection means 7 is installed in the cooling unit 4 (shown in FIG. 2). Further, the Stirling refrigerator of the present embodiment includes a temperature deviation calculating unit 70, an amplitude calculating unit 60, a target value calculating unit 80, or a power source control unit 90.

温度偏差算出手段70は温度検出手段7から検出される検出温度を目標冷凍温度と比較し、温度差を算出するものである。   The temperature deviation calculating means 70 compares the detected temperature detected from the temperature detecting means 7 with the target refrigeration temperature and calculates a temperature difference.

ディスプレーサー用振幅検出手段61とピストン用振幅検出手段62は、ディスプレーサー51、ピストン52それぞれの振幅を検出し、信号として振幅算出手段60に出力することができる。さらに、振幅算出手段60においてディスプレーサー51及びピストン52の振動中心、振幅、位相角、または周波数が算出される。   The displacer amplitude detecting means 61 and the piston amplitude detecting means 62 can detect the amplitudes of the displacer 51 and the piston 52 and output them to the amplitude calculating means 60 as signals. Further, the amplitude calculation means 60 calculates the vibration center, amplitude, phase angle, or frequency of the displacer 51 and the piston 52.

目標値演算手段80は、温度偏差算出手段70及び振幅算出手段60から算出された結果に基づき、温度偏差を無くすのに最適振幅、振動中心、位相角、周波数などの目標値を演算するものである。   The target value calculation means 80 calculates target values such as optimum amplitude, vibration center, phase angle, and frequency to eliminate the temperature deviation based on the results calculated from the temperature deviation calculation means 70 and the amplitude calculation means 60. is there.

電源制御手段90は、目標値演算手段80で算出された結果に基づき、ディスプレーサー1及びピストン2を駆動するリニアモーター51,52の電源51P,52P(電圧、または電流)を調整し、目標値に達成するように制御を行う。   The power supply control means 90 adjusts the power supplies 51P and 52P (voltage or current) of the linear motors 51 and 52 that drive the displacer 1 and the piston 2 based on the result calculated by the target value calculation means 80 to obtain the target value. Control to achieve.

このように、本実施形態のスターリング冷凍機の制御手段Cは、温度検出手段7、振幅検出手段61、62、振幅算出手段60、温度偏差算出手段70、目標値演算手段80、または電源制御手段90で構成されている。   As described above, the control means C of the Stirling refrigerator of the present embodiment includes the temperature detection means 7, the amplitude detection means 61 and 62, the amplitude calculation means 60, the temperature deviation calculation means 70, the target value calculation means 80, or the power supply control means. 90.

本実施形態のスターリング冷凍機において、具体的な運転方法としては、以下のように例示すことができる。   In the Stirling refrigerator of this embodiment, a specific operation method can be exemplified as follows.

(1.)目標値演算手段80において、冷却部4の検出温度と目標値温度との温度偏差に対応したピストン2及びディスプレーサー1の目標値振幅、振幅中心または目標位相角の値が決められ、電源制御手段90にてピストン2及びディスプレーサー1の往復運動を調整させ目標値との偏差を無くすようにリニアモーター51、52の電源51P,52Pの電圧、電流、または電圧及び電流のオフセット量、電流の位相角、周波数を制御し目標値を達成する。   (1.) In the target value calculation means 80, the values of the target value amplitude, amplitude center or target phase angle of the piston 2 and the displacer 1 corresponding to the temperature deviation between the detected temperature of the cooling unit 4 and the target value temperature are determined. The power source control means 90 adjusts the reciprocating motion of the piston 2 and the displacer 1 so as to eliminate the deviation from the target value. The voltage, current, or voltage and current offset amount of the power sources 51P and 52P of the linear motors 51 and 52 are eliminated. The target value is achieved by controlling the phase angle and frequency of the current.

図3は本実施形態例の冷凍機の動作フローを示す。図3に示すように、温度検出手段7を用いて冷却部4に冷凍負荷が実際にかかっている状態での実際温度を検出し、さらに温度偏差算出手段70で該検出温度を目標温度と比較して温度偏差を算出する。一方、位置検出手段を構成する振幅検出手段61、62はそれぞれディスプレーサー1とピストン2の実際振動状態を検出し、振幅算出手段60においてこの状態下の振動中心、振幅、位相角が算出される。さらに目標値演算手段80において温度偏差に応じて振動中心、振幅、または位相角などの偏差値が算出され、最適振幅中心、振幅、振動位相角、または周波数が決められる。   FIG. 3 shows an operation flow of the refrigerator of this embodiment. As shown in FIG. 3, the actual temperature when the refrigeration load is actually applied to the cooling unit 4 is detected using the temperature detecting means 7, and the detected temperature is compared with the target temperature by the temperature deviation calculating means 70. To calculate the temperature deviation. On the other hand, the amplitude detection means 61 and 62 constituting the position detection means detect the actual vibration state of the displacer 1 and the piston 2, respectively, and the amplitude calculation means 60 calculates the vibration center, amplitude, and phase angle under this state. . Further, the target value calculation means 80 calculates a deviation value such as a vibration center, amplitude, or phase angle according to the temperature deviation, and determines an optimum amplitude center, amplitude, vibration phase angle, or frequency.

目標値算出手段80で出力された振幅中心、振幅、位相角、周波数などの最適値の指令に従って、ピストン2及びディスプレーサー1を駆動するリニアモーター51、52の電源51P,52Pが電源制御手段90に制御される。図4、5には電源制御により振幅中心、振幅を調整できる電磁学の原理による特性を示している。なお、図4に示すように、振動(振幅)中心位置は電圧(電流)オフセット量と線形関係を有し、電圧(電流)オフセット量で調整することができる。また、図5に示すように、振動振幅値は電圧値、または電流値と線形関係を有し、電圧値及び電流値で調整することができる。   The power supplies 51P and 52P of the linear motors 51 and 52 for driving the piston 2 and the displacer 1 according to the command of the optimum values such as the amplitude center, amplitude, phase angle and frequency output from the target value calculation means 80 are supplied to the power supply control means 90. Controlled. 4 and 5 show characteristics based on the principle of electromagnetics that can adjust the amplitude center and amplitude by power supply control. As shown in FIG. 4, the vibration (amplitude) center position has a linear relationship with the voltage (current) offset amount, and can be adjusted by the voltage (current) offset amount. Further, as shown in FIG. 5, the vibration amplitude value has a linear relationship with the voltage value or the current value, and can be adjusted by the voltage value and the current value.

なお、温度偏差により振動中心、振幅、または位相角の変位量は作動気体の種類や状態などの差異に応じて変動し、作動気体に対応した温度偏差による振動中心、振幅、または位相角の変位量マップが必要となるが、実際に使用される作動気体に応じて実験を行いマップを作成してデータベースに保存することができる。これにより、温度偏差に応じて振幅中心、振幅、または位相角の変位量がデータベースから求められる。   The displacement of the vibration center, amplitude, or phase angle varies depending on the difference in the type and state of the working gas due to the temperature deviation, and the displacement of the vibration center, amplitude, or phase angle due to the temperature deviation corresponding to the working gas. A quantity map is required, but experiments can be performed according to the actual working gas used to create the map and store it in the database. Thereby, the displacement amount of the amplitude center, the amplitude, or the phase angle is obtained from the database according to the temperature deviation.

冷凍機の制御系統(制御手段)Cに、冷却部4に温度検出手段7を設け、冷凍機の設定温度(目標温度)と検出温度とを比較して温度偏差を算出し、温度偏差によりリニアモーター51,52の制御値を算出して制御を行うため、冷却部4の出力端に負荷が変動しても、冷凍機は常に安定した温度で運転することができる。   The temperature control means 7 is provided in the cooling unit 4 in the control system (control means) C of the refrigerator, the temperature deviation is calculated by comparing the set temperature (target temperature) of the refrigerator and the detected temperature, and the temperature deviation is linear. Since the control values of the motors 51 and 52 are calculated and controlled, the refrigerator can always be operated at a stable temperature even if the load fluctuates at the output end of the cooling unit 4.

(2.)冷凍機の熱負荷が急激に増加した場合において、目標値演算手段80において、それまでの運転周波数より高い目標周波数を設定し、冷凍出力能力を一時的に向上させるようにリニアモーター51、52の電源51P,52Pの周波数を調整して目標値に達成することができる。つまり、急激な熱負荷上昇、または設定温度(目標温度)が急激に下げられた場合において、冷凍機の運転周波数を上昇させ、定格以上の冷凍出力で運転を行うことができる。その結果、冷却部4に熱負荷の増加による温度の上昇が抑えられるとともに、目標温度に達成する時間を短縮することができる。即ち、冷凍機は常に安定した温度で運転することができる。   (2.) When the heat load of the refrigerator suddenly increases, the target value calculation means 80 sets a target frequency higher than the operating frequency so far, and linear motor is used to temporarily improve the refrigeration output capacity. The frequency of the power supplies 51P and 52P of 51 and 52 can be adjusted to achieve the target value. That is, when the heat load is suddenly increased or the set temperature (target temperature) is suddenly lowered, the operation frequency of the refrigerator can be increased and the operation can be performed with the refrigeration output exceeding the rating. As a result, an increase in temperature due to an increase in heat load on the cooling unit 4 can be suppressed, and the time for achieving the target temperature can be shortened. That is, the refrigerator can always be operated at a stable temperature.

本発明のスターリング冷凍機は、冷凍設備、空調などの分野に使用することができる。   The Stirling refrigerator of the present invention can be used in fields such as refrigeration equipment and air conditioning.

本発明の実施形態のスターリング冷凍機の制御系を示すものである。1 shows a control system of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態のスターリング冷凍機の構成を示すものである。The structure of the Stirling refrigerator of embodiment of this invention is shown. 本発明の実施形態のスターリング冷凍機の制御フロー図である。It is a control flow figure of the Stirling refrigerator of the embodiment of the present invention. 電圧(電流)オフセット量に対する振動中心位置特性を示すものである。The vibration center position characteristic with respect to the voltage (current) offset amount is shown. 電圧(電流)値に対する振幅特性を示すものである。The amplitude characteristic with respect to the voltage (current) value is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1:ディスプレーサー 11:膨張空間
2:ピストン 21:圧縮空間
3:シリンダー 31:包囲部材
4:冷却部 41:吸熱器 42:蓄冷器 43:放熱器 44:連結通路
51:ディスプレーサー用リニアモーター
52:ピストン用リニアモーター 510、520:バネ
51P:ディスプレーサー用リニアモーター電源
52P:ピストン用リニアモーター電源
C:制御部
61:ディスプレーサー用振幅検出手段 62:ピストン用振幅検出手段
7:温度検出手段 70:温度偏差算出手段
60:振幅算出手段 80:目標値演算手段 90:電源制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Displacer 11: Expansion space 2: Piston 21: Compression space 3: Cylinder 31: Enclosing member 4: Cooling part 41: Heat absorber 42: Regenerator 43: Radiator 44: Connection passage 51: Linear motor for displacer
52: Piston linear motor 510, 520: Spring 51P: Displacer linear motor power supply 52P: Piston linear motor power supply C: Control unit 61: Displacer amplitude detection means 62: Piston amplitude detection means 7: Temperature detection means 70: Temperature deviation calculation means 60: Amplitude calculation means 80: Target value calculation means 90: Power supply control means

Claims (3)

シリンダーと、
該シリンダーの少なくとも一端を包囲して形成された包囲部材と、
前記シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動し前記包囲部材との間に膨張空間を形成するディスプレーサーと、
前記シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動し前記ディスプレーサーとの間に圧縮空間を形成するピストンと、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する熱交換器及び蓄冷器からなる冷却部と、
前記ディスプレーサー及び前記ピストンを往復駆動するリニアモーターと、
前記ディスプレーサー及び前記ピストンの往復動を調整して前記圧縮空間及び前記膨張空間の容積変化を制御する制御手段と、を有することを特徴とするスターリング冷凍機。
A cylinder,
An encircling member formed to enclose at least one end of the cylinder;
A displacer that is accommodated in the cylinder and reciprocates in the axial direction of the cylinder to form an expansion space with the surrounding member;
A piston housed in the cylinder and reciprocating in the axial direction of the cylinder to form a compression space with the displacer;
A cooling unit comprising a heat exchanger and a regenerator that communicate the compression space and the expansion space;
A linear motor that reciprocally drives the displacer and the piston;
A Stirling refrigerator comprising: control means for controlling reciprocation of the displacer and the piston to control volume changes of the compression space and the expansion space.
前記制御手段は、前記ピストン及び前記ディスプレーサーの位置変動を検出する位置検出手段と、前記冷却部に設けられ前記冷却部の温度を検出する温度検出手段と、を有する請求項1に記載のスターリング冷凍機。   2. The Stirling according to claim 1, wherein the control unit includes a position detection unit that detects a position variation of the piston and the displacer, and a temperature detection unit that is provided in the cooling unit and detects a temperature of the cooling unit. refrigerator. 前記制御手段は、前記位置検出手段の出力信号から前記ディスプレーサー及び前記ピストンの振幅中心位置、振幅または位相角を算出する振幅算出手段と、前記温度検出手段で検出された検出温度と目標温度との温度偏差を算出する温度偏差算出手段と、前記振幅算出手段及び前記温度偏差算出手段の算出結果に基づき前記温度偏差を無くすのに最適振幅、最適振幅中心、最適位相角、最適周波数の目標値を演算する目標値演算手段と、前記目標値演算手段からの演算結果に基づき前記ピストン及び前記ディスプレーサーの前記最適振幅、前記最適振幅中心、前記最適位相角、前記最適周波数の目標値との動き偏差を無くすように前記リニアモーターの電源を制御する電源制御手段と、を有する請求項1に記載のスターリング冷凍機。   The control means includes an amplitude calculation means for calculating an amplitude center position, amplitude or phase angle of the displacer and the piston from an output signal of the position detection means, and a detected temperature and a target temperature detected by the temperature detection means. Temperature deviation calculating means for calculating the temperature deviation of the target, and the target values of the optimum amplitude, optimum amplitude center, optimum phase angle, and optimum frequency for eliminating the temperature deviation based on the calculation results of the amplitude calculating means and the temperature deviation calculating means Between the target value calculation means for calculating the optimum amplitude of the piston and the displacer, the optimum amplitude center, the optimum phase angle, and the target value of the optimum frequency based on the calculation result from the target value calculation means The Stirling refrigerator according to claim 1, further comprising power control means for controlling the power of the linear motor so as to eliminate the deviation.
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