JP3293161B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

極低温冷凍機

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JP3293161B2 JP10402492A JP10402492A JP3293161B2 JP 3293161 B2 JP3293161 B2 JP 3293161B2 JP 10402492 A JP10402492 A JP 10402492A JP 10402492 A JP10402492 A JP 10402492A JP 3293161 B2 JP3293161 B2 JP 3293161B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、新規な脱調検出回路を
有する極低温冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】極低温冷凍機の一例は、たとえば特開平
3−152353号公報に開示されるが、添付図13を
例にして説明する。
【0003】図13は、フォード・マクマフォンサイク
ル型極低温冷凍機110を示し、該極低温冷凍機110
は段付状の膨張シリンダ111を備え、該膨張シリンダ
111内には段付状の膨張ピストン112が電動モータ
113によりクランク機構114を介して往復運動可能
に嵌挿されている。膨張シリンダ111の大径端部及び
小径端部と膨張ピストン112の大径部の一端及び小径
部の一端との間には、夫々第1膨張空間115、第2膨
張空間116が形成されており、各膨張空間は蓄冷器1
17を介して連通されている。また、段付ピストン11
2の大径部の他端下面には第1膨張空間115と蓄冷器
118を介して連通されると共に、図示しない導入弁、
導入口、図示しない排出弁及び排出口120を介して圧
縮機121の吸入口及び吐出口に連通可能な図示しない
圧縮空間が形成されている。尚、図示しない導入弁及び
排出弁は、膨張ピストン112の往復動中に所定のタイ
ミングで開閉されるものである。
【0004】膨張シリンダ111の大径端部には極低温
(30K−70K)を発生する第1段コールドヘッド1
22が形成されており、また膨張シリンダ111の小径
端部には第1段コールドヘッド122よりも低い極低温
(10K〜20K)を発生する第2段コールドヘッド1
23が配置されている。
【0005】定常運転作動時、電動モータは50Hz〜6
0Hzの周波数で使用され、その周波数に同期した回転数
で回転されるが、周波数を高くしてより高い回転数で回
転させると冷却時間が短縮されることが知られている。
一方、電動モータ113の回転数を上げると電動モータ
113のコイルの影響で駆動電流が減少し、駆動トルク
が減少することは周知のとおりであるが、膨張空間が到
達温度近傍の極低温に達すると、作動ガスの質量流量が
増加して、電動モータ113の負荷が増大し、回転不良
(脱調現象)が生じ、コールドヘッドが基準到達温度
(極低温)に達しない。そのため、上記脱調現象が生じ
ない可能な限り高い周波数で電動モータ113の回転を
安定して持続させてやれば、当該極低温冷凍機の冷却時
間の短縮化を図りつつ、基準到達温度に達することがで
きる。
【0006】そこで、圧縮機121に電源線128を介
して適宜交流電源が接続され、圧縮機121と電動モー
タ113間の電源線124にそこを流れる電流の大きさ
を検出する電流センサ126を設ける。電流センサ12
6が検出した電流は脱調検出手段127に送られ、電流
値に基づき、電流の異常変動を検出して脱調が生じてい
るか否かを判定し、判定結果(回転数降下信号)をイン
バータ125に出力させる。尚、インバータ125の出
力は、電源線124を介して電動モータ113に供給さ
れる。
【0007】上記構成からなる本実施例において、図示
しない膨張ピストン112が下降する時、所定のタイミ
ングにより図示しない導入弁は閉じられ且つ排出弁が開
かれることにより、作動ガスは圧縮機121に吸引さ
れ、この時第1膨張空間115及び第2膨張空間116
の容積が増加し、両膨張空間が断熱膨張して各コールド
ヘッド122、123に極低温が発生する。膨張ピスト
ン112が上昇する時には、所定のタイミングにより図
示しない導入弁が開き且つ図示しない排出弁が閉じられ
ることにより、作動ガスが各膨張空間115、116及
び図示しない圧縮空間に供給される。このとき、作動ガ
スは第1膨張空間115に入る前に蓄冷器118にてそ
こに蓄えられている冷気と熱交換し、更に第2膨張空間
116に入る前に蓄冷器117にてそこに蓄えられてい
る冷気と熱交換する。
【0008】
【本発明が解決しようとする課題】図7にオフセット回
路を抵抗で分圧した従来例(19)を示す。内側二点鎖
線内(20)以外は、図4の脱調判定回路(A)(1
8)と同様である。このオフセット回路(20)は抵抗
A (20−1)とRB (20−2)によって分圧され
る一般的な回路構成である。ところが、この実施例では
冷凍機が極低温域に達した後、何かの理由で電源が再投
入されて、脱調検出制御が最初から実行されたとき、脱
調検出感度が低下するため、脱調検出→周波数を基準周
波数に落とす→ステップダウンした周波数出という一連
のフィードバック制御が動作不能に陥いることがある。
図2に、この時の動作モードを示す。冷凍機のコールド
ヘッド温度Tが充分に冷却されているとき、電源が再投
入されると、基準周波数f0 までいったん加速され、あ
る時間t0 で運転された後、最高回転周波数f1 まで周
波数の増加(PA1)が始まる。ここで、f1 に到達する
前のfM で脱調が発生したとすると(D5 )、ここで脱
調が検出できれば規定の脱調検出制御が行われ、正常な
動作が実行されるが、脱調が検出できない場合、図中破
線のように、最高回転周波数f1 まで周波数出力してし
まう。このような状態になると、脱調は連続的に発生
し、回路上でも脱調検出機能は動作不能となり、断続的
に最高回転周波数を出力してしまう。
【0009】この不具合が発生するメカニズムを図8〜
図12に示す。図8は図7中部電位を縦軸、周波数を
横軸にとった図である。周波数が小さい時(fL )と周
波数の高い時(fH )で比較すると、fH 側の方がEは
小さい。すなわち、fが大きくなると、モータに流れる
電流は減少するため、脱調しやすくなる。図9は縦軸に
、部電位とその波形例を、横軸に周波数をとった図
である。例えば、低い周波数fL 時におけるオフセット
量ΔEL 、高い周波数fH におけるオフセット量ΔEH
は、ΔEL >ΔEH の関係で大小関係ができてしまう。
ΔEが小さいほど脱調発生時に波形電位逆転が発生しや
すいため、脱調検出感度が向上する。fL とfH の間の
周波数fM で脱調が発生したとすると、fM 位置ではf
H 点より脱調検出感度は低下する。
【0010】図11は縦軸に部平均電位と部電位、
横軸に温度をとり周波数一定条件としている、常温付近
温度TH ではオフセット量ΔETH、極低温域温度TL
はΔETLとなっており、ΔETL>ΔETHの関係となり、
低温域の方が脱調検出感度が鈍くなる。図10は縦軸に
、部電位とその波形例を、横軸に周波数をとった図
である。低い周波数fL の時と、高い周波数fH の時点
でのオフセット量ΔEL ′、ΔEH ′は、ダイオードの
順方向電圧降下が一定であることを利用しているため等
しくなる。したがって脱調検出感度は変わらない。図1
2は縦軸に部平均電位と部電位、横軸に温度をと
り、周波数一定条件としている。常温付近温度TH およ
び低温域温度TL においても、オフセット量ΔETL′、
ΔETH′は等しい。従って、脱調検出感度は変わらな
い。
【0011】それ故に、本発明は、前述した不具合を解
消させることを解決すべき課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述した課題
を解決するために、電動ポンプモータによって往復動す
るピストンの動きに応じて吸排気される一台の圧縮機か
らの作動ガスを該ピストンにより画定されるシリンダ内
の室で断熱膨張させ極低温を発生させる極低温冷凍機に
おいて、電動ポンプモータを電源に電流センサー、脱調
検出手段およびインバータを介して接続し、脱調検出手
段がダイオードの順方向電圧降下部を有することを特徴
とする極低温冷凍機を提供する。
【0013】
【実施例】図1は通常の使用条件における脱調検出・制
御手段の周波数の出力状態を示したグラフであり、縦軸
に周波数、横軸に時間をとる。電源が投入されると、周
波数f0 まで加速され、しばらく定速運転後、周波数上
昇が始まり(PA1)、最高回転周波数f1 まで加速され
る。しばらく定速運転後、脱調が発生すると(D1)、
直ちに周波数をf0 まで戻す。そして、しばらく定速運
転した後、再び周波数の上昇が始まり(PA2)、f1
りもある程度低い周波数f2 まで加速される。このよう
な動作を脱調が発生する度に繰返し(D2 、D3 )、そ
れぞれある程度低い周波数まで落とす(f3 、f4 )。
そしてある規定の時間t0 になった時、強制的に周波数
をf0 に落とす。
【0014】図3に脱調検出・制御手段の回路構成図を
示す。ポンプモータ(1)へ連結される電源ライン
(2)に設置された電流センサCT(3)から、電流信
号が波形増幅回路(4)を通り、一系統が全波整流回路
(5)、積分回路(6)を通り、本発明対象である脱調
判定回路(7)を通る。脱調判定回路(7)の出力は正
常回転状態と脱調状態で信号レベルがHとLで表現され
る。波形増幅回路(4)から出力されるもうひとつの系
統は、波形整形回路(8)と分周回路(9)を通り、そ
の先をひとつをサンプリング回路(10)のクロックと
し、もうひとつの系統を規定時間t0 後の低周波数(基
準周波数)移行のための基準クロックとして分周回路
(11)を通して、インバータに対して基準周波数出力
信号のアクティブレベルを遅延回路(12)を通す。サ
ンプリング回路(10)を通った信号は2系統に分か
れ、1系統はカウンタ回路(13)のクロック入力とな
り、カウンタ回路(13)のデータ出力はD/A回路
(14)を通って、出力周波数信号(16)となる。も
う一系統は信号レベル変換(15)されて基準周波数出
力信号(17)とされる。この信号は脱調が発生すると
直ちにインバータを基準周波数f0 まで落とす役割を担
う。
【0015】図4に本発明による脱調判定回路(A)
(18)の構成を示す。波形増幅回路(7−1)を通っ
た電流波形信号は抵抗−コンデンサで構成される積分回
路(7−2)を通り、その信号は2系統に分かれる。そ
のうちの1系統はそのままインピーダンス変換(7−
3)され、オフセット回路(7−4(A) )を経由し、比
較回路(7−7)入力のひとつとなる。他の1系統は、
再び抵抗−コンデンサで構成される積分回路(7−5)
を経由してインピーダンス変換(7−6)され、比較回
路(7−7)の入力となる。
【0016】電流波形の処理により、脱調を判定するメ
カニズムを図5および図6で説明する。図5は定常状態
(モータ安定回転状態)における図4中、および
波形の関係を縦軸に電位、横軸に時間をとったグラフで
ある。波形はポンプモータ(1)が1回転する毎に1
周期の波形が生ずる。図4中、信号は部からダイオー
ド(7−4−1)を通って部へ達すると、波形は、
ΔEのオフセット量をもって降下する。これはダイオー
ド(7−4−1)の順方向電圧降下を利用したものであ
る。他方、波形は、波形を積分したもので、波形
の中心を通るように定数が決められている。従って、定
常状態では、波形が波形の上に位置することを特徴
としている。図6は脱調状態(モータ回転不安定状態)
が発生した時の、および波形の関係を図5と同様
の座標軸で示したものである。波形に着目すると、脱
調が発生すると、波形は急な立上りを示す。一方、波
形を積分した波形は、応答が遅れるため、なだらかな
立上りを示す。ここに、波形をオフセットさせた波
形と波形を比較すると上下関係が逆転するポイントが
ある。この点を、回路上では脱調と判断する。
【0017】
【発明の効果】本発明は、ダイオードの順方向電圧降下
を利用しているので、周波数や温度に影響されることな
く、脱調判定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】通常の使用条件における運転状態図である。
【図2】冷却降下後電源再投入による運転不具合例を示
す図である。
【図3】脱調検出制御手段回路の構成図である。
【図4】本発明による脱調判定回路構成図である。
【図5】定常状態における回路波形図である。
【図6】脱調状態における回路波形図である。
【図7】抵抗分圧回路による脱調判定回路の構成図であ
る。
【図8】周波数−電流レベル相関図である。
【図9】周波数−回路電位相関図(抵抗分圧)である。
【図10】周波数−回路電位相関図(ダイオード)であ
る。
【図11】温度−回路電位相関図(抵抗分圧)である。
【図12】温度−回路電位相関図(ダイオード)であ
る。
【図13】従来の極低温冷凍機を示す図である。
【符号の説明】 1 ポンプモータ 2 電源 3 電流センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F04B 37/08 F04B 37/16 F25B 9/14 530

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電動ポンプモータによって往復動するピ
    ストンの動きに応じて吸排気される一台の圧縮機からの
    作動ガスを該ピストンにより画定されるシリンダ内の室
    で断熱膨張させ極低温を発生させる極低温冷凍機におい
    て、電動ポンプモータを電源に電流センサー、脱調検出
    手段およびインバータを介して接続し、脱調検出手段が
    ダイオードの順方向電圧降下部を有することを特徴とす
    る極低温冷凍機。
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