JP2007303721A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮空間および背面空間の圧力差を低減し、安定した運転を行なうことが可能なスターリング冷凍機を提供する。
【解決手段】ガスベアリングを利用するスターリング冷凍機４０であって、ガスベアリングによって支持されながら往復運動するピストン１と、ピストン１を駆動する駆動部１３と、駆動部１３に駆動電圧を供給する駆動電圧出力部１０１と、スターリング冷凍機４０の起動時、駆動電圧出力部１０１を制御して、駆動電圧として直流電圧を駆動部１３に供給し、かつ駆動部１３に供給する直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることによりガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させる制御部１０４とを備える。
【選択図】図１３

Description

本発明は、スターリング冷凍機に関し、特に、ガスベアリングを利用するスターリング冷凍機に関する。

従来、スターリング冷凍機は、シリンダ内に設けられたピストンと、ピストンと所定の位相差を有しながら往復運動するディスプレーサとを有している。ピストンおよびディスプレーサの往復運動によって作動媒体が圧縮または膨張される。それにより、スターリング冷凍機の内部に膨張空間と圧縮空間とが生じ、膨張空間で生成された冷熱が用いられて、冷気が生成される。

たとえば、特許文献１には、以下のような運転制御方法を採用したスターリング冷凍機が開示されている。すなわち、ガスベアリングを利用しながらシリンダ内を往復動するパワーピストンと、パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行なうスターリング冷凍機において、スターリング冷凍機の運転開始時は、ガスベアリングの効果が生じる低電圧から駆動手段を動作させ、所定の電圧に至るまで段階的または勾配を有して電圧を上昇させる。また、スターリング冷凍機を運転停止させるときは、駆動手段への印加電圧をガスベアリングの効果が維持できる低電圧に至るまで段階的または勾配を有して降下させてから運転停止させる。
特開２００２−１９５６７４号公報

ところで、特許文献１記載のスターリング冷凍機等、一般的なスターリング冷凍機では、シリンダ摺動面とピストン摺動面との間に微小な隙間が生じる。このため、スターリング冷凍機の運転時、ピストンの往復運動によって圧縮空間と、ピストンを挟んでディスプレーサと反対側に設けられる背面空間との間で作動媒体の圧力変動が生じ、両空間の圧力差に応じて作動媒体が微小な隙間を通り、圧縮空間および背面空間の間を流れる。そうすると、両空間の圧力差が拡大し、ピストンの往復運動の中心位置は圧力が低下した空間側に徐々に移動するため、ピストンの往復運動の中心が初期位置からずれることによりピストンおよびディスプレーサが衝突を起こす場合がある。

それゆえに、本発明の目的は、圧縮空間および背面空間の圧力差を低減し、安定した運転を行なうことが可能なスターリング冷凍機を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるスターリング冷凍機は、ガスベアリングを利用するスターリング冷凍機であって、ガスベアリングによって支持されながら往復運動するピストンと、ピストンを駆動する駆動部と、駆動部に駆動電圧を供給する駆動電圧出力部と、スターリング冷凍機の起動時、駆動電圧出力部を制御して、駆動電圧として直流電圧を駆動部に供給し、かつ駆動部に供給する直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることによりガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させる制御部とを備える。

好ましくは、制御部は、駆動部に供給する直流電圧をガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、駆動電圧として交流電圧を駆動部に供給し、ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値は、交流電圧の振幅よりも大きい。

好ましくは、制御部は、スターリング冷凍機の起動時、駆動部に供給する直流電圧をガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、直流電圧を段階的に下降させるかまたは所定の傾きで下降させて電圧値を０とし、その後、駆動部に供給する直流電圧の印加方向を逆にして直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることにより、直流電圧の印加方向が逆の場合においてガスベアリングが作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に直流電圧を到達させる。

より好ましくは、制御部は、駆動部に供給する直流電圧の印加方向を逆にして、直流電圧の印加方向が逆の場合においてガスベアリングが作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に直流電圧を到達させた後、駆動電圧として交流電圧を駆動部に供給し、直流電圧の両印加方向において、ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値は、交流電圧の振幅よりも大きい。

好ましくは、制御部は、ピストンの往復方向が重力方向とほぼ平行である場合には、スターリング冷凍機の起動時、ピストンが重力と反対方向に移動するように直流電圧の印加方向を決定する。

本発明によれば、圧縮空間および背面空間の圧力差を低減し、安定した運転を行なうことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機４０を示す断面図である。

同図を参照して、スターリング冷凍機４０は、ピストン１と、ディスプレーサ２と、シリンダ３と、圧縮空間９と、膨張空間１０と、媒体流通路１１と、再生器１２と、耐圧容器４と、バウンス空間（背面空間）８と、支持バネ５と、支持バネ６と、ボルトおよびナット２４と、リニアモータ（駆動部）１３と、スリーブ１４と、リード線２０および２１と、制御ボックス３０とを備える。リニアモータ１３は、内側ヨーク１８と、外側ヨーク１７と、駆動用コイル１６と、永久磁石１５とを含む。

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２４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とディスプレーサ２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、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。

図２は、制御ボックス３０とスターリング冷凍機４０との電気的な接続の状態を示す図である。

同図を参照して、スターリング冷凍機４０は、さらに、温度センサ３４と、温度センサ３５と、温度センサ３６とを備える。制御ボックス３０は、ＴｃＡ／Ｄ変換部１０８と、ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９と、ＴｂＡ／Ｄ変換部１１０と、リニアモータ駆動用電圧出力部（駆動電圧出力部）１０１とを含む。

スターリング冷凍機４０の外側面に、膨張空間１０の温度Ｔｃを検知する温度センサ３４、圧縮空間９の温度Ｔｈを検知する温度センサ３５、および、バウンス空間８の温度Ｔｂを検知する温度センサ３６が取り付けられている。

制御ボックス３０には、温度センサ３４の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換するＴｃＡ／Ｄ変換部１０８、温度センサ３５の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換するＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、温度センサ３６の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換するＴｂＡ／Ｄ変換部１１０が設けられている。また、リード線２０および２１が接続される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、リード線２０および２１を介してリニアモータ１３に駆動電圧を出力する。

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。
同図を参照して、制御ボックス３０は、さらに、マイクロコンピュータ（制御部）１０４と、電源部１０５と、電流センサ３３と、電圧センサ３８と、リセット部１０６と、発振部１０７と、記憶部１１１と、電圧測定回路１１２とを含む。

制御ボックス３０には、各種演算等を行な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。

電流センサ３３は、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１およびリニアモータ１３間に配置される。電流センサ３３は、リニアモータ１３に流れる電流を検出し、検出結果をデジタル値でマイクロコンピュータ１０４に出力する。

電圧センサ３８は、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１の出力する駆動電圧を検出し、検出結果をデジタル値でマイクロコンピュータ１０４に出力する。

制御ボックス３０をリセットするリセット部１０６、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバーター波形を生成するための発振部１０７、および書き換え可能な不揮発性記憶素子（ＥＥＰＲＯＭ：Electric Erasable Programmable Read Only Memory）からなる記憶部１１１がマイクロコンピュータ１０４に接続されている。

記憶部１１１には、少なくとも各スターリング冷凍機４０に応じた、入力電圧と出力との関係が記憶されている。図１に示したようなフリーピストン型のスターリング冷凍機４０においては、ディスプレーサ２がピストン１の往復運動に基づく圧縮空間９および膨張空間１０の圧力変動に起因して往復運動する。そのため、媒体流通路１１を通過する冷媒の流動抵抗の変化等に起因して、入力電圧に対するディスプレーサ２の移動量がスターリング冷凍機４０ごとにばらつく傾向がある。このばらつきが生じるということは、一定の入力電圧を複数のスターリング冷凍機のそれぞれに与えた場合においても、スターリング冷凍機の出力が異なってしまうということを意味する。

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、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数値データとして算出するとともに、その数値化されたデータを記憶部１１１に予め記憶させておく。マイクロコンピュータ１０４は、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示す数値化されたデータを用いてリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力される電圧をコントロールする。

電圧センサ３８からマイクロコンピュータ１０４へ入力されたデータに応じてマイクロコンピュータ１０４から電源部１０５へ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するとともに、変換されたＰＷＭインバーター波形の電圧をリニアモータ１３に供給する。

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。
同図を参照して、マイクロコンピュータ１０４は、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２２と、タイマ１２３と、Ｉ／Ｏポート１２５と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２４とを含む。

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ＲＯＭ１２１、演算の一時記憶を行なうＲＡＭ１２２、運転時間等を計時するタイマ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の制御が行なわれる。

上述の本発明の実施の形態に係る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、上記本発明の実施の形態に係る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、放熱用熱交換部としての圧縮空間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としての膨張空間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り、これを運転時に変更することはできない。

そこで、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機４０においては、インバーター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４０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。

なお、本発明の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１０８、ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、およびＴｂＡ／Ｄ変換部１１０のそれぞれ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、電圧測定回路１１２等を用いて、ピストン１を駆動するための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。

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徐々に変化し、ピークの幅になった後、徐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、リニアモータ１３のピストン１のストロークＸを制御する方法について説明する。

まず、制御ボックス３０の定常時の駆動状態について図５および図６を用いて説明をする。図５は、定常時においてリニアモータ１３に印加される電圧Ｖ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に流れる電流Ｉ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に発生する誘起電圧Ｅ、およびピストン１の変位Ｔの関係を示した図である。図６は、リニアモータ１３の等価回路図である。また、図６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５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６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６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のピーク時における位相と電流Ｉのピーク時における位相との差を算出することによって得られる。

本発明の実施の形態においては、ピストン１のストロークＸは、次のように算出される。

ピストンの速度の最大値ｖは、ｖ＝Ｅ／αで表される。このピストンの速度の最大値ｖ、推力定数αおよび角速度ｗを用いて、ピストンの振幅Ｔを表わすと、Ｔ＝ｖ／ｗ＝Ｅ／（ｗ・α）＝［Ｖ−Ｒ×Ｉ×Ｃｏｓθ−Ｌ×Ｓｉｎθ×（ｄＩ／ｄｔ）］／（ｗ・α）となる。

ストロークＸは振幅Ｔと同じであり、また、角速度ｗは周波数ｆを用いて表わすとｗ＝２×π×ｆであるため、次の式（２）によってピストン１のストロークＸが算出される。

Ｘ＝［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。

より詳細には、図７は、リニアモータ１３に印加される電圧Ｖ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に流れる電流Ｉ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に発生する誘起電圧Ｅ、および、ストロークＸの関係を示したベクトル図である。

図７を参照して、ピストンの振幅Ｔは、誘起電圧Ｅの絶対値すなわち線分ＢＣの長さを表わす。また、式（２）は大きさおよび位相を含むベクトル計算式であるため、式（２）により、電圧Ｖおよび誘起電圧Ｅのなす角度θｇを算出することができる。

図８は、リニアモータ１３に印加される電圧Ｖ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に流れる電流Ｉおよびリニアモータ１３の駆動用コイル１６に発生する誘起電圧Ｅの詳細な関係を示したベクトル図である。

図８を参照して、厳密には、リニアモータ１３に印加される電圧Ｖはリニアモータ１３の駆動用コイル１６の直流抵抗分の影響で電圧Ｖｋとなる。しかしながら、リニアモータ１３の駆動用コイル１６の直流抵抗分の影響は無視できる程度であり、電圧Ｖｋおよび電圧Ｖはほぼ同一であるため、ここでは説明を簡単にするために電圧Ｖに基づく角度θｇを用いる。

前述のように角度θｇを算出することができ、また、誘起電圧ＥおよびストロークＸのなす角は９０度であるため、電圧ＶおよびストロークＸのなす角θｘは、以下のように算出される。

θｘ＝θｇ＋９０・・・（３）
図９は、電圧ＶおよびストロークＸの位相関係を示す図である。

図９を参照して、ストロークＸは、電圧Ｖよりθｘだけ位相が遅れる。したがって、電圧Ｖを０にするタイミングを制御することにより、ピストン１の停止位置を制御することが可能となる。

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号公報により詳細に開示されている。

図１０は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の構成を示す断面図である。図１０では、作動媒体の流れる空間を主に示すために図１に示すスターリング冷凍機の構成を一部簡略化している。

同図を参照して、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ｂとの間には、ピストン１の往復運動の一方向側に設けられる圧縮空間９とピストン１の往復運動の他方向側に設けられる背面空間８とを遮断する図示しないシール手段が設けられる。シール手段は一般に、単純な構成で安価なシールリングが用いられる。しかしながら、熱膨張の影響、および長期間の運転によるシールリングの摩耗等により、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ｂとを完全に遮断することはできず、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ｂとの間には微小な隙間が生じる。

このため、スターリング冷凍機の運転時、ピストン１の往復運動によって圧縮空間９および背面空間８の両空間で作動媒体の圧力変動が生じ、両空間の圧力差に応じて作動媒体が微小な隙間を通り、圧縮空間９および背面空間８間を流れる。

すなわち、圧縮空間９の圧力が背面空間８の圧力より高い場合は、圧縮空間９から背面空間８に向かって作動媒体が流れる。また逆に、背面空間８の圧力が圧縮空間９の圧力より高い場合は、背面空間８から圧縮空間９に向かって作動媒体が流れる。

ところで、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ｂとの間に生じる微小隙間は常に一定距離ではなく、摺動面の状態ならびにシールリングの接触状態および摩耗状態等により変化するため、圧縮空間９からみた背面空間８への作動媒体の流出量および流入量が全く同量であることはない。このため、ピストン１等を連続駆動し、仮に圧縮空間９から背面空間８へ少しずつ作動媒体が漏れていった場合、ピストン１の往復運動の中心位置は圧力が低下した圧縮空間９側に徐々に移動する。そうすると、圧縮空間９内の作動媒体圧力低下に伴う冷却特性の低下が生じたり、ピストン１の往復運動の中心が初期位置からずれることによりピストン１およびディスプレーサ２が衝突を起こしたりする等の問題を生じる。

図１１は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機のピストンに形成されるポートおよびシリンダに形成されるポートが一致している状態を示す図である。図１２は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機のピストンに形成されるポートおよびシリンダに形成されるポートが一致していない状態を示す図である。

本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機では、ピストン１に圧縮空間９とピストン摺動面１ｂとを結ぶ作動媒体流路Ｒ１が形成され、シリンダ３に背面空間８とシリンダ摺動面３ａとを結ぶ作動媒体流路Ｒ２が形成される。ピストン１が往復運動中心等の所定位置にある場合、作動媒体流路Ｒ１のポート（開口部）６１および作動媒体流路Ｒ２のポート（開口部）６２が対向して作動媒体流路Ｒ１および作動媒体流路Ｒ２が連通する、すなわち圧縮空間９および背面空間８が連通する。そうすると、ポート６１およびポート６２が対向する位置をピストン１が通過するごとに、圧縮空間９と背面空間８との間において、作動媒体圧力の高い側から低い側へ作動媒体が流れるため、両空間の圧力差が是正される。以下、ポート６１およびポート６２が対向するピストン１の位置を圧力バランス位置とも称する。

このような構成により、圧縮空間９および背面空間８間における作動媒体の圧力バランスを保つことができ、ピストン１の往復運動の中心位置の変動を防ぐことができる。

図１３は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の電圧供給制御方法を示す図である。図１４は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の起動時における電圧供給制御方法を詳細に示す図である。

図１３および図１４を参照して、マイクロコンピュータ（制御部）１０４は、スターリング冷凍機の起動時、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１を制御して、リニアモータ（駆動部）１３への駆動電圧の供給を開始してから駆動電圧がガスベアリングの作動する電圧値（たとえば３０Ｖ）より所定値だけ大きい電圧値（たとえば５０Ｖ）に到達するまでの間、すなわち駆動電圧が０Ｖから５０Ｖに到達するまでの期間である区間Ａにおいて、駆動電圧として直流電圧をリニアモータ１３に供給し、かつリニアモータ１３に供給する直流電圧を所定の傾きで上昇させることによりガスベアリングの作動する電圧値より所定値だけ大きい電圧値に到達させる。このとき、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力されるＰＷＭインバーター波形は図１４に示すような波形となる。

そして、マイクロコンピュータ１０４は、リニアモータ１３に供給する直流電圧をガスベアリングの作動する電圧値より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、駆動電圧として交流電圧をリニアモータ１３に供給することによりピストン１を往復運動させ、交流電圧の振幅を徐々に大きくしてたとえば交流電圧の振幅を６０Ｖとする。

ここで、ガスベアリングの作動する電圧値とは、ガスベアリング効果、すなわちピストン１の往復運動により圧縮された作動媒体がピストン１およびディスプレーサ２とシリンダ３との隙間を満たすことにより、ピストン１およびディスプレーサ２の摺動面とシリンダ３の摺動面とが接触することなく摺動する効果が生じる電圧を意味する。ガスベアリングが作動すると、ピストン１は、ガスベアリングによって支持されながらシリンダ３内を摺動する。

なお、リニアモータ１３に供給する直流電圧の印加方向はいずれの方向であってもガスベアリングを作動させることが可能である。また、ガスベアリングが作動していない場合でもピストン１がシリンダ３内を摺動することは可能であるが、ピストン１およびシリンダ３の摩擦、ならびにディスプレーサ２およびシリンダ３の摩擦が生じる。

なお、マイクロコンピュータ１０４は、駆動電圧である直流電圧を所定の傾きで上昇させる代わりに、直流電圧を段階的に上昇させる構成であってもよい。

また、スターリング冷凍機の設置面がピストン１の往復方向に対してほぼ垂直である場合、すなわちピストン１の往復方向が重力方向とほぼ平行である場合には、スターリング冷凍機の設置面がピストン１の往復方向に対してほぼ平行である場合等と比べてピストン１の位置が重力方向に偏っていることが多い。

そこで、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機では、マイクロコンピュータ１０４は、スターリング冷凍機の設置状態をセンサ等で検出し、ピストン１の往復方向が重力方向とほぼ平行である場合には、スターリング冷凍機の起動時、ピストン１が重力と反対方向に移動するように直流電圧の印加方向を決定する。

このような構成により、ピストン１の位置が重力方向に偏っている場合でも、ピストン１におけるポート６１とシリンダ３におけるポート６２とを確実に対向させることができ、圧縮空間９および背面空間８を連通させて両空間の圧力差を低減することができる。

図１５は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の起動時における電圧供給制御方法の他の例を詳細に示す図である。

マイクロコンピュータ（制御部）１０４は、スターリング冷凍機の起動時、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１を制御して、駆動電圧として直流電圧をリニアモータ１３に供給し、かつリニアモータ１３に供給する直流電圧を所定の傾きで上昇させることにより、ピストン１の往復運動時に供給される交流電圧の振幅（６０Ｖ）よりも大きい電圧値（たとえば７０Ｖ）に到達させる。

そして、マイクロコンピュータ１０４は、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１を制御して、駆動電圧を７０Ｖから６０Ｖまで緩やかに下降させ、その後、振幅が６０Ｖの交流電圧をリニアモータ１３に供給することによりピストン１を往復運動させる。

このような構成により、スターリング冷凍機の起動時、ピストン１が圧力バランス位置から大きく離れている場合でも、ピストン１におけるポート６１とシリンダ３におけるポート６２とを確実に対向させることができ、圧縮空間９および背面空間８を連通させて両空間の圧力差を低減することができる。

図１６は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の起動時における電圧供給制御方法の他の例を詳細に示す図である。

マイクロコンピュータ（制御部）１０４は、スターリング冷凍機の起動時、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１を制御して、駆動電圧として直流電圧をリニアモータ１３に供給し、かつリニアモータ１３に供給する直流電圧を所定の傾きで上昇させることにより、ピストン１の往復運動時に供給される交流電圧の振幅（６０Ｖ）よりも大きい電圧値（たとえば７０Ｖ）に到達させる。そして、マイクロコンピュータ１０４は、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１を制御して、リニアモータ１３に供給する直流電圧を段階的に下降させるかまたは所定の傾きで下降させて電圧値を０Ｖとし、その後、駆動電圧である直流電圧の印加方向を逆にして直流電圧の電圧値を所定の傾きで上昇させることにより、ピストン１の往復運動時に供給される交流電圧の振幅（−６０Ｖ）よりも絶対値が大きい電圧値（−７０Ｖ）に到達させる。

そして、マイクロコンピュータ１０４は、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１を制御して、駆動電圧を−７０Ｖから−６０Ｖまで緩やかに上昇させ、その後、振幅が６０Ｖの交流電圧をリニアモータ１３に供給することによりピストン１を往復運動させる。

このような構成により、スターリング冷凍機の設置面がピストン１の往復方向に対してほぼ平行である場合等、スターリング冷凍機の起動時、圧力バランス位置に対してピストン１が往復運動のいずれの方向に位置しているかが不明である場合でも、ピストン１におけるポート６１とシリンダ３におけるポート６２とを確実に対向させることができ、圧縮空間９および背面空間８を連通させて両空間の圧力差を低減することができる。

ところで、特許文献１記載のスターリング冷凍機等、一般的なスターリング冷凍機では、圧縮空間および背面空間の圧力差が拡大し、ピストンの往復運動の中心位置は圧力が低下した空間側に徐々に移動するため、ピストンの往復運動の中心が初期位置からずれることによりピストンおよびディスプレーサが衝突を起こす場合がある。

しかしながら、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機では、マイクロコンピュータ１０４は、スターリング冷凍機の起動時、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１を制御して、駆動電圧として直流電圧をリニアモータ１３に供給し、かつリニアモータ１３に供給する直流電圧を所定の傾きで上昇させることによりガスベアリングの作動する電圧値より所定値だけ大きい電圧値に到達させる。

したがって、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機では、スターリング冷凍機の起動時、ピストン１におけるポート６１とシリンダ３におけるポート６２とを確実に対向させることで圧縮空間９および背面空間８を連通させて両空間の圧力差を低減することができ、安定した運転を行なうことができる。

また、本発明は、特開２００３−１６６７６８号公報等に開示されているように、スターリング冷凍機が、ピストンを弾性支持するばね等のピストン支持部を備えない構成、すなわちスターリング冷凍機の起動時におけるピストンの位置が、スターリング冷凍機の停止時における位置またはスターリング冷凍機の設置状態によって圧力バランス位置から大きく離れる可能性が高い構成に対して特に効果が大きい。

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て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。

本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機４０を示す断面図である。 制御ボックス３０とスターリング冷凍機４０との電気的な接続の状態を示す図である。 制御ボックス３０の更に詳細を示すブロック図である。 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。 定常時においてリニアモータ１３に印加される電圧Ｖ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に流れる電流Ｉ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に発生する誘起電圧Ｅ、および、ピストン１の変位Ｔの関係を示した図である。 リニアモータ１３の等価回路図である。 リニアモータ１３に印加される電圧Ｖ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に流れる電流Ｉ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に発生する誘起電圧Ｅ、および、ストロークＸの関係を示したベクトル図である。 リニアモータ１３に印加される電圧Ｖ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に流れる電流Ｉおよびリニアモータ１３の駆動用コイル１６に発生する誘起電圧Ｅの詳細な関係を示したベクトル図である。 電圧ＶおよびストロークＸの位相関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機のピストンに形成されるポートおよびシリンダに形成されるポートが一致している状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機のピストンに形成されるポートおよびシリンダに形成されるポートが一致していない状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の電圧供給制御方法を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の起動時における電圧供給制御方法を詳細に示す図である。 本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の起動時における電圧供給制御方法の他の例を詳細に示す図である。 本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の起動時における電圧供給制御方法の他の例を詳細に示す図である。

符号の説明

１ ピストン、２ ディスプレーサ、３ シリンダ、４ 耐圧容器、５，６ 支持バネ、８ バウンス空間（背面空間）、９ 圧縮空間、１０ 膨張空間、１１ 媒体流通路、１２ 再生器、１３ リニアモータ（駆動部）、１４ スリーブ、１５ 永久磁石、１６ 駆動用コイル、１７ 外側ヨーク、１８ 内側ヨーク、２０〜２１ リード線、２４ ボルトおよびナット、３０ 制御ボックス、３３ 電流センサ、３４〜３６ 温度センサ、３８ 電圧センサ、４０ スターリング冷凍機、１０１ リニアモータ駆動用電圧出力部（駆動電圧出力部）、１０４ マイクロコンピュータ（制御部）、１０５ 電源部、１０６ リセット部、１０７ 発振部、１０８ ＴｃＡ／Ｄ変換部、１０９ ＴｈＡ／Ｄ変換部、１１０ ＴｂＡ／Ｄ変換部、１１１ 記憶部、１１２ 電圧測定回路、１２１ ＲＯＭ、１２２ ＲＡＭ、１２３ タイマ、１２４ ＣＰＵ、１２５ Ｉ／Ｏポート。

Claims (5)

1. ガスベアリングを利用するスターリング冷凍機であって、
   前記ガスベアリングによって支持されながら往復運動するピストンと、
   前記ピストンを駆動する駆動部と、
   前記駆動部に駆動電圧を供給する駆動電圧出力部と、
   前記スターリング冷凍機の起動時、前記駆動電圧出力部を制御して、前記駆動電圧として直流電圧を前記駆動部に供給し、かつ前記駆動部に供給する直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることにより前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させる制御部とを備えるスターリング冷凍機。
2. 前記制御部は、前記駆動部に供給する直流電圧を前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、前記駆動電圧として交流電圧を前記駆動部に供給し、
   前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値は、前記交流電圧の振幅よりも大きい請求項１記載のスターリング冷凍機。
3. 前記制御部は、前記スターリング冷凍機の起動時、前記駆動部に供給する直流電圧を前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、前記直流電圧を段階的に下降させるかまたは所定の傾きで下降させて電圧値を０とし、その後、前記駆動部に供給する直流電圧の印加方向を逆にして前記直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることにより、前記直流電圧の印加方向が逆の場合において前記ガスベアリングが作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に前記直流電圧を到達させる請求項１記載のスターリング冷凍機。
4. 前記制御部は、前記駆動部に供給する直流電圧の印加方向を逆にして、前記直流電圧の印加方向が逆の場合において前記ガスベアリングが作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に前記直流電圧を到達させた後、前記駆動電圧として交流電圧を前記駆動部に供給し、
   前記直流電圧の両印加方向において、前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値は、前記交流電圧の振幅よりも大きい請求項３記載のスターリング冷凍機。
5. 前記制御部は、前記ピストンの往復方向が重力方向とほぼ平行である場合には、前記スターリング冷凍機の起動時、前記ピストンが重力と反対方向に移動するように前記直流電圧の印加方向を決定する請求項１記載のスターリング冷凍機。

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