JP3566204B2 - スターリング冷凍機の運転制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機の運転制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷凍機等の冷凍サイクルには、一般に蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されており、作動ガスとしての冷媒にはフロンが用いられ、その凝縮・蒸発を利用して所要の冷却性能を得ている。ところが、フロンは非常に化学安定性が高く、大気中に放出されると成層圏まで達し、オゾン層を破壊してしまう。このため近年、特定フロンを対象として、その使用及び生産が規制されてきている。
【０００３】
そこで、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの代替として、逆スターリング冷凍サイクルが注目されており、作動ガスとして、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の地球環境に悪影響を与えないガスを採用している。この逆スターリング冷凍サイクルを利用したスターリング冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させる小型冷凍機の一種として知られている。
【０００４】
次に、スターリング冷凍機の一例であるフリーピストン型スターリング冷凍機の構成及び動作について説明する。図６に、従来のフリーピストン型スターリング冷凍機の側断面図を示す。
【０００５】
直線往復運動するパワーピストン６１とディスプレーサ６２とを含むシリンダ６３を有する。パワーピストン６１及びディスプレーサ６２は同軸上に配置されており、ディスプレーサ６２に形成されたロッド６２ａはパワーピストン６１の中心部に設けた摺動穴６１ａを貫通し、パワーピストン６１、ディスプレーサ６２は、シリンダ内周摺動面６３ａを滑らかに摺動可能である。また、パワーピストン６１はピストン支持バネ６５、ディスプレーサ６２はディスプレーサ支持バネ６６によって、圧力容器６４に対して弾性支持されている。
【０００６】
シリンダ６３により形成される空間はパワーピストン６１によって２つの空間に分割される。１つはパワーピストン６１のディスプレーサ６２側である作動空間６７であり、もう１つはパワーピストン６１のディスプレーサ６２側と反対側である背面空間６８である。これらの空間には高圧ヘリウムガス等の作動ガスが充填されている。パワーピストン６１はリニアモータ等の図示しないピストン駆動体により所定周期で往復動する。これにより作動ガスは作動空間６７内で圧縮又は膨張される。
【０００７】
そして、ディスプレーサ６２は、作動空間６７内で圧縮又は膨張される作動ガスの圧力変化により直線的に往復動される。このときパワーピストン６１とディスプレーサ６２は、所定の位相差をもって同一周期にて往復動するよう設定されている。ここで位相差は、運転条件が同一であればディスプレーサ６２の質量、ディスプレーサ支持バネ６６のバネ定数、及びパワーピストン６１の動作周波数により決まるものである。
【０００８】
また、作動空間６７は、ディスプレーサ６２によってさらに２つの空間に分割されている。一つはパワーピストン６１とディスプレーサ６２に挟まれた圧縮空間６７ａであり、もう一つはシリンダ６３先端部の膨張空間６７ｂである。この二つの空間は放熱器７０と再生器６９と冷却器７１とを介して連結されている。膨張空間６７ｂにおける作動ガスにより、シリンダ６３先端のコールドヘッド７２において寒冷が発生される。この発生原理等の逆スターリング冷凍サイクルに関しては、一般によく知られているのでここでは説明を省略する。
【０００９】
ここで、ピストン摺動面６１ｂとシリンダ摺動面６３ａ、及びディスプレーサ摺動面６２ａとシリンダ摺動面６３ａとの軸受け機構には、ガスベアリングを用いている。このガスベアリングは、パワーピストン６１の往復動により圧縮された作動ガスがパワーピストン６１及びディスプレーサ６２とシリンダ６３との隙間を満たすことにより、各摺動面どうしが接触することなく摺動し、ベアリング効果が得られるものである。
【００１０】
また、特開平７−１８０９１９には、スターリング冷凍機の一例であるクランク方式のスターリング冷凍機の始動運転方法が記載されている。ここでは、スターリング冷凍機の運転開始から、周波数と電圧とをリニアに制御することで運転開始時に過大な出力電流が流れることを防止している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図６のようなフリーピストン型スターリング冷凍機１５の運転開始時においては、ディスプレーサ支持バネ６６のバネ定数と、ディスプレーサ６２及びディスプレーサ支持バネ６６の質量とが、最大の冷却能力が得られる最適チューニング周波数で共振するように設定されているので、周波数と電圧とを予め設定された一定値から運転を開始すると、共振点から大きくはずれ、スターリング冷凍機１５が異常振動し、破損してしまう。
【００１２】
また、例えばフリーピストン型スターリング冷凍機１５を用いた冷凍冷蔵庫の設置時など、庫内温度が常温付近であり運転開始により冷凍機に高負荷がかかる場合、運転開始直後に高出力運転をするために過大な入力を与えると、作動ガス圧が定常状態（スターリング冷凍機１５の放熱器７０と冷却器７１とが所定の温度差になる状態）になっていないため、パワーピストン６１とディスプレーサ６２とが相互干渉し、衝突するおそれがある。
【００１３】
そして、フリーピストン型スターリング冷凍機１５を運転停止させるときは、直ちに電源を落としてしまうと急激にスターリング冷凍機１５が停止するので、作動ガスの圧力変化が大きくなり、パワーピストン６１とディスプレーサ６２とが相互干渉し、衝突するおそれがある。
【００１４】
そして、フリーピストン型スターリング冷凍機１５の冷却能力を変化させるには、通常パワーピストン６１への印加電圧を変化させているが、その際、パワーピストン６１の最大振幅は冷凍機の構造により予め決まっている。その最大振幅を越えないように通常、マイコンにより電圧制御されているが、入力電圧が変動した場合、パワーピストン６１へは最大定格以上の電圧が印加されることになる。それによりパワーピストン６１の振幅が設計値以上になり、パワーピストン６１とディスプレーサ６２とが衝突するおそれがある。
【００１５】
また、ガスベアリングを用いたフリーピストン型スターリング冷凍機１５において、低速運転や小振幅運転などのガスベアリング効果が得られない運転動作は、パワーピストン６１とシリンダ６３、及びディスプレーサ６２とシリンダ６３との摺動摩擦を発生させるので、スターリング冷凍機の寿命を短くする。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑み、ガスベアリング効果を有し、かつスターリング冷凍機の異常振動、又はパワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止したスターリング冷凍機の運転制御方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、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、前記パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
前記スターリング冷凍機の運転開始時は、前記ガスベアリングの効果が生じる低電圧から前記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ことを特徴とするものである。
【００１８】
また本発明は、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、前記パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
前記スターリング冷凍機を運転停止させるときは、前記駆動手段への印加電圧を前記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ことを特徴とするものである。
【００１９】
また本発明は、寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
停止中の前記冷却器と前記放熱器との温度差を検知し、該温度差により運転開始時の前記駆動手段への印加電圧上昇パターンを決定することを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態と実施例について説明する。ここで、スターリング冷凍機は、図６に示した従来品と同様の構成を採用できる。
【００２２】
まず、実施形態について説明する。図１に、スターリング冷凍機を備えた冷却装置の運転制御部のブロック図を示す。電源１０からの印加電圧は、入力電圧検知部１１を通じてマイコン１２で制御され、ＰＷＭ（パルス幅変調）出力部１３を経て、スターリング冷凍機１５に印加される。また、スターリング冷凍機１５の温度情報は、温度検知部１４からマイコン１２に与えられる。
【００２３】
図２に、冷却装置の運転制御のフローチャートを示す。まず、冷却装置の電源をＯＮにすると（２０）、マイコン１２の運転開始モードが作動してスターリング冷凍機１５の温度情報等に基づいて運転開始方法を決定し（２１）、運転を開始する（２２）。次に、温度検知部１４により冷却装置が所定の温度に達したことが検知されると（２３）、マイコン１２の運転停止モードが作動して予め設定された運転停止方法により（２４）、スターリング冷凍機１５の運転が停止される（２５）。そして、停止してから時間が経過し、冷却装置の温度が上昇したことを温度検知部１４が検知すると、再び運転開始モード２１が作動してスターリング冷凍機１５の運転が開始される。次に、実施例について説明していく。
【００２４】
〈実施例１〉
実施例１は、上記実施形態の図２の運転開始モード２１の処理方法、つまりスターリング冷凍機１５の運転開始方法について実施した一例である。運転開始モード２１では、予め記憶された最低の電圧、即ちスターリング冷凍機１５のパワーピストンとディスプレーサとが共振するとともにガスベアリング効果が生じ始める電圧からパワーピストンを動作させ、例えば１秒毎に、ある一定の値で電圧レベルを段階的に上昇させ、所定の電圧にするという運転開始方法が提供される。ここで所定の電圧とは、スターリング冷凍機１５の構成により決定されるパワーピストン及びディスプレーサの最大振幅を発生させる電圧を最大値とし、通常は、設定温度に対応した電圧とする。
【００２５】
なお、運転開始時のパワーピストンへの入力電圧は、ガスベアリング効果が生じる最低の電圧以上であれば特に限定はないが、高電圧になる程、作動ガス圧が定常状態になっていないために起こる、パワーピストンとディスプレーサとの相互干渉による衝突の可能性が高くなる。
【００２６】
なお、運転開始方法の電圧上昇パターンは、上記のように経時で一定の値毎に段階的に電圧レベルを上昇させる他に、一定の勾配を有して徐々に上昇させてもよい。
【００２７】
なお、冷却装置が設定温度に達した後は、スターリング冷凍機１５を停止することなく、スターリング冷凍機１５への入力電圧を若干下げて連続運転することによって、冷却装置を設定温度に保ってもよい。これによりスターリング冷凍機１５の運転・停止時にかかる負荷の回数が減少するため、スターリング冷凍機１５の寿命は向上する。
【００２８】
このような運転開始方法によれば、ガスベアリング効果を有し、かつパワーピストン及びディスプレーサが共振することによりスターリング冷凍機の異常振動を防止し、また、電圧を徐々に上昇させることによりパワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止したスターリング冷凍機を得ることができる。
【００２９】
〈実施例２〉
実施例２は、上記実施形態の図２の運転停止モード２４の処理方法、つまりスターリング冷凍機１５の運転停止方法について実施した一例である。この運転停止方法は、実施例１の運転開始の手順と逆の手順によりスターリング冷凍機１５を停止させる方法である。即ち運転停止モード２４では、例えば１秒毎に、ある一定の値で電圧レベルを降下させ、パワーピストンとディスプレーサとが共振するとともにガスベアリング効果が維持できる電圧に達した時点で電圧を零にするという運転停止方法が提供される。
【００３０】
なお、電圧を零にするタイミングは、ガスベアリング効果が維持できる最低の電圧以上であれば特に限定はないが、高電圧で停止させる程、作動ガスの圧力変化が大きくなり、パワーピストンとディスプレーサとの相互干渉による衝突の可能性が高くなる。
【００３１】
なお、運転停止方法の電圧の降下パターンは、上記のように経時で一定の値毎に段階的に電圧レベルを降下させる他に、一定の勾配を有して徐々に降下させてもよい。
【００３２】
このような運転停止方法によれば、ガスベアリング効果を有し、かつパワーピストン及びディスプレーサが共振することによりスターリング冷凍機の異常振動を防止し、また、電圧を徐々に降下させることによりパワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止したスターリング冷凍機を得ることができる。
【００３３】
〈実施例３〉
実施例３は、上記実施形態の図２において、温度上昇２６の情報が与えられた場合の運転開始モード２１の処理方法と、実施例１のように電源がＯＮにされた直後の運転開始モード２１の処理方法とを区別し、それぞれ最適な運転開始条件を与えるスターリング冷凍機１５の運転開始方法について実施した一例である。
【００３４】
図３に、実施例３のスターリング冷凍機の側断面図を示し、図４に、実施例３の運転開始モードのフローチャートを示す。図３において、図６と同様の構成部品には同じ符号を付している。冷却器７１及び放熱器７０にそれぞれ温度検知手段としての温度センサー７３、７４を装着し、図示しないマイコンに接続することでスターリング冷凍機１５の停止中の冷却器７１及び放熱器７０の温度を測定し、それらの温度情報が運転開始モード２１に与えられる（４０）。それにより、放熱器７１と冷却器７０の温度差を算出し、その大小により運転開始方法を決定する（４１）。
【００３５】
放熱器７０と冷却器７１の温度差が大きい場合、例えば運転が停止してから短時間経過後で放熱器７０の温度が３０℃、冷却器７１の温度が−２０℃の場合は、クイックスタートが可能と判断し、スターリング冷凍機１５のパワーピストンとディスプレーサとが共振するとともにガスベアリング効果が生じ始める電圧からパワーピストンを動作させ、電圧上昇パターンを例えば０．２５秒毎に、実施例１より短いタイミングで、ある一定の値で電圧レベルを上昇させ、所定の電圧にするという運転開始方法が提供される（４２）。
【００３６】
このように放熱器７０と冷却器７１の温度が定常状態の温度に近い場合は、作動ガス圧が定常状態になっていないために起こる、パワーピストンとディスプレーサとの相互干渉による衝突の心配がないので、素早く電圧を上昇させることが可能となり、短時間で設定温度にすることができる。
【００３７】
一方、放熱器７０と冷却器７１の温度差が小さい場合、例えば冷却装置の設置時や電源が落とされていたような長時間停止時で放熱器７０及び冷却器７１の温度が共に２０℃の場合は、通常スタートが可能と判断し、実施例１と同様の方法で電圧上昇させる運転開始方法が提供される（４３）。
【００３８】
このように放熱器７０と冷却器７１の温度が常温に近い場合は、実施例１と同様に運転開始することで、作動ガス圧が定常状態になっていないために起こる、パワーピストンとディスプレーサとの衝突による破損を防止することができる。
【００３９】
なお、放熱器７０と冷却器７１の温度差の大小の判断は、ある一定値、例えば温度差４０℃を基準として、それ以上ではクイックスタートと判断し、それ以下では通常スタートと判断するように設計することができる。
【００４０】
〈実施例４〉
実施例４は、上記実施形態の図１において、入力電圧検知部１１でパワーピストンの最大振幅を越える入力電圧が検知された場合のマイコン１２での処理方法、つまりスターリング冷凍機１５の運転制御方法について実施した一例である。詳しくは、検知された入力電圧が最大定格電圧を越える場合は、該最大定格電圧以下まで下げた電圧をパワーピストンへの入力電圧とする運転制御方法である。
【００４１】
図５に、マイコン１２での処理方法のフローチャートを示す。ここでは、入力電圧が定格電圧をどれくらい超えているかを算出し、その超過レベルに応じて電圧レベルを降下させている。例えば、入力電圧が定格電圧より１０Ｖ以上高いかどうか判断され（５０）、１０Ｖ以上の場合は、更にその入力電圧は定格電圧より１５Ｖ以上高いかどうか判断され（５１）、１５Ｖ未満の場合は出力電圧を１ステップ（例えば１０Ｖ）下げ（５２）、一方、１５Ｖ以上の場合は出力電圧を２ステップ（例えば２０Ｖ）下げる（５３）。また、入力電圧が定格電圧より１０Ｖ未満の高さであると判断されると、その入力電圧のまま出力する（５４）。
【００４２】
なお、定格電圧より何Ｖ高いと出力電圧を下げるかは、最大定格電圧を超えない範囲で設定すれば特に限定はなく、また、出力電圧を下げるステップもその電圧、ステップ数には特に限定はない。
【００４３】
また、実施例４は、入力電圧が最大定格電圧を超えたときに、最大定格電圧まで下げた電圧を出力するようにしてもよい。
【００４４】
このような運転制御方法によれば、パワーピストンが最大振幅を越えないように制御できるため、パワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止することができる。
【００４５】
〈実施例５〉
実施例４は、マイコンへの入力電圧が定格電圧、又は最大定格電圧を超えた場合に、出力電圧を下げる運転制御方法であったが、実施例５は、入力電圧の変化を検知する代わりにパワーピストンのストロークをパワーピストンへの入力電圧にて検知することにより出力制御する方法である。例えば運転開始後、パワーピストンのストロークに応じた出力電圧を検知し、パワーピストンの最大振幅を考慮して予め設定された電圧以上をマイコンが検知した場合、マイコンはこの電圧を限界出力と判断し、それ以上電圧を上昇させることを抑制する。
【００４６】
これにより、パワーピストンが最大振幅を越えないように制御できるため、パワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の運転制御方法によれば、スターリング冷凍機の運転開始時に、低電圧からスターリング冷凍機を動作させ、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ことにより、パワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止することができる。
【００４８】
また本発明の運転制御方法によれば、スターリング冷凍機を運転停止させるときに、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ことにより、ガスベアリング効果を有し、かつパワーピストン及びディスプレーサが共振することによりスターリング冷凍機の異常振動を防止し、また、パワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止することができる。
【００４９】
また本発明の運転制御方法によれば、停止中のスターリング冷凍機の冷却器と放熱器との温度差を検知し、その温度差が大きくなるに従って運転開始時の印加電圧の上昇スピードを上げることにより、パワーピストンとディスプレーサとの衝突による破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却装置の運転制御部のブロック図である。
【図２】本発明の冷却装置の運転制御のフローチャートである。
【図３】本発明の実施例３のスターリング冷凍機の側断面図である。
【図４】本発明の実施例３の運転開始モードのフローチャートである。
【図５】本発明の実施例４のマイコンでの処理方法のフローチャートである。
【図６】従来のフリーピストン型スターリング冷凍機の側断面図である。
【符号の説明】
１５ フリーピストン型スターリング冷凍機
６１ パワーピストン
６３ シリンダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機の運転制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷凍機等の冷凍サイクルには、一般に蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されており、作動ガスとしての冷媒にはフロンが用いられ、その凝縮・蒸発を利用して所要の冷却性能を得ている。ところが、フロンは非常に化学安定性が高く、大気中に放出されると成層圏まで達し、オゾン層を破壊してしまう。このため近年、特定フロンを対象として、その使用及び生産が規制されてきている。
【０００３】
そこで、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの代替として、逆スターリング冷凍サイクルが注目されており、作動ガスとして、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の地球環境に悪影響を与えないガスを採用している。この逆スターリング冷凍サイクルを利用したスターリング冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させる小型冷凍機の一種として知られている。
【０００４】
次に、スターリング冷凍機の一例であるフリーピストン型スターリング冷凍機の構成及び動作について説明する。図６に、従来のフリーピストン型スターリング冷凍機の側断面図を示す。
【０００５】
直線往復運動するパワーピストン６１とディスプレーサ６２とを含むシリンダ６３を有する。パワーピストン６１及びディスプレーサ６２は同軸上に配置されており、ディスプレーサ６２に形成されたロッド６２ａはパワーピストン６１の中心部に設けた摺動穴６１ａを貫通し、パワーピストン６１、ディスプレーサ６２は、シリンダ内周摺動面６３ａを滑らかに摺動可能である。また、パワーピストン６１はピストン支持バネ６５、ディスプレーサ６２はディスプレーサ支持バネ６６によって、圧力容器６４に対して弾性支持されている。
【０００６】
シリンダ６３により形成される空間はパワーピストン６１によって２つの空間に分割される。１つはパワーピストン６１のディスプレーサ６２側である作動空間６７であり、もう１つはパワーピストン６１のディスプレーサ６２側と反対側である背面空間６８である。これらの空間には高圧ヘリウムガス等の作動ガスが充填されている。パワーピストン６１はリニアモータ等の図示しないピストン駆動体により所定周期で往復動する。これにより作動ガスは作動空間６７内で圧縮又は膨張される。
【０００７】
そして、ディスプレーサ６２は、作動空間６７内で圧縮又は膨張される作動ガスの圧力変化により直線的に往復動される。このときパワーピストン６１とディスプレーサ６２は、所定の位相差をもって同一周期にて往復動するよう設定されている。ここで位相差は、運転条件が同一であればディスプレーサ６２の質量、ディスプレーサ支持バネ６６のバネ定数、及びパワーピストン６１の動作周波数により決まるものである。
【０００８】
また、作動空間６７は、ディスプレーサ６２によってさらに２つの空間に分割されている。一つはパワーピストン６１とディスプレーサ６２に挟まれた圧縮空間６７ａであり、もう一つはシリンダ６３先端部の膨張空間６７ｂである。この二つの空間は放熱器７０と再生器６９と冷却器７１とを介して連結されている。膨張空間６７ｂにおける作動ガスにより、シリンダ６３先端のコールドヘッド７２において寒冷が発生される。この発生原理等の逆スターリング冷凍サイクルに関しては、一般によく知られているのでここでは説明を省略する。
【０００９】
ここで、ピストン摺動面６１ｂとシリンダ摺動面６３ａ、及びディスプレーサ摺動面６２ａとシリンダ摺動面６３ａとの軸受け機構には、ガスベアリングを用いている。このガスベアリングは、パワーピストン６１の往復動により圧縮された作動ガスがパワーピストン６１及びディスプレーサ６２とシリンダ６３との隙間を満たすことにより、各摺動面どうしが接触することなく摺動し、ベアリング効果が得られるものである。
【００１０】
また、特開平７−１８０９１９には、スターリング冷凍機の一例であるクランク方式のスターリング冷凍機の始動運転方法が記載されている。ここでは、スターリング冷凍機の運転開始から、周波数と電圧とをリニアに制御することで運転開始時に過大な出力電流が流れることを防止している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図６のようなフリーピストン型スターリング冷凍機１５の運転開始時においては、ディスプレーサ支持バネ６６のバネ定数と、ディスプレーサ６２及びディスプレーサ支持バネ６６の質量とが、最大の冷却能力が得られる最適チューニング周波数で共振するように設定されているので、周波数と電圧とを予め設定された一定値から運転を開始すると、共振点から大きくはずれ、スターリング冷凍機１５が異常振動し、破損してしまう。
【００１２】
また、例えばフリーピストン型スターリング冷凍機１５を用いた冷凍冷蔵庫の設置時など、庫内温度が常温付近であり運転開始により冷凍機に高負荷がかかる場合、運転開始直後に高出力運転をするために過大な入力を与えると、作動ガス圧が定常状態（スターリング冷凍機１５の放熱器７０と冷却器７１とが所定の温度差になる状態）になっていないため、パワーピストン６１とディスプレーサ６２とが相互干渉し、衝突するおそれがある。
【００１３】
そして、フリーピストン型スターリング冷凍機１５を運転停止させるときは、直ちに電源を落としてしまうと急激にスターリング冷凍機１５が停止するので、作動ガスの圧力変化が大きくなり、パワーピストン６１とディスプレーサ６２とが相互干渉し、衝突するおそれがある。
【００１４】
そして、フリーピストン型スターリング冷凍機１５の冷却能力を変化させるには、通常パワーピストン６１への印加電圧を変化させているが、その際、パワーピストン６１の最大振幅は冷凍機の構造により予め決まっている。その最大振幅を越えないように通常、マイコンにより電圧制御されているが、入力電圧が変動した場合、パワーピストン６１へは最大定格以上の電圧が印加されることになる。それによりパワーピストン６１の振幅が設計値以上になり、パワーピストン６１とディスプレーサ６２とが衝突するおそれがある。
【００１５】
また、ガスベアリングを用いたフリーピストン型スターリング冷凍機１５において、低速運転や小振幅運転などのガスベアリング効果が得られない運転動作は、パワーピストン６１とシリンダ６３、及びディスプレーサ６２とシリンダ６３との摺動摩擦を発生させるので、スターリング冷凍機の寿命を短くする。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑み、ガスベアリング効果を有し、かつスターリング冷凍機の異常振動、又はパワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止したスターリング冷凍機の運転制御方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、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、前記パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
前記スターリング冷凍機の運転開始時は、前記ガスベアリングの効果が生じる低電圧から前記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ことを特徴とするものである。
【００１８】
また本発明は、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、前記パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
前記スターリング冷凍機を運転停止させるときは、前記駆動手段への印加電圧を前記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ことを特徴とするものである。
【００１９】
また本発明は、寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
停止中の前記冷却器と前記放熱器との温度差を検知し、該温度差により運転開始時の前記駆動手段への印加電圧上昇パターンを決定することを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態と実施例について説明する。ここで、スターリング冷凍機は、図６に示した従来品と同様の構成を採用できる。
【００２２】
まず、実施形態について説明する。図１に、スターリング冷凍機を備えた冷却装置の運転制御部のブロック図を示す。電源１０からの印加電圧は、入力電圧検知部１１を通じてマイコン１２で制御され、ＰＷＭ（パルス幅変調）出力部１３を経て、スターリング冷凍機１５に印加される。また、スターリング冷凍機１５の温度情報は、温度検知部１４からマイコン１２に与えられる。
【００２３】
図２に、冷却装置の運転制御のフローチャートを示す。まず、冷却装置の電源をＯＮにすると（２０）、マイコン１２の運転開始モードが作動してスターリング冷凍機１５の温度情報等に基づいて運転開始方法を決定し（２１）、運転を開始する（２２）。次に、温度検知部１４により冷却装置が所定の温度に達したことが検知されると（２３）、マイコン１２の運転停止モードが作動して予め設定された運転停止方法により（２４）、スターリング冷凍機１５の運転が停止される（２５）。そして、停止してから時間が経過し、冷却装置の温度が上昇したことを温度検知部１４が検知すると、再び運転開始モード２１が作動してスターリング冷凍機１５の運転が開始される。次に、実施例について説明していく。
【００２４】
〈実施例１〉
実施例１は、上記実施形態の図２の運転開始モード２１の処理方法、つまりスターリング冷凍機１５の運転開始方法について実施した一例である。運転開始モード２１では、予め記憶された最低の電圧、即ちスターリング冷凍機１５のパワーピストンとディスプレーサとが共振するとともにガスベアリング効果が生じ始める電圧からパワーピストンを動作させ、例えば１秒毎に、ある一定の値で電圧レベルを段階的に上昇させ、所定の電圧にするという運転開始方法が提供される。ここで所定の電圧とは、スターリング冷凍機１５の構成により決定されるパワーピストン及びディスプレーサの最大振幅を発生させる電圧を最大値とし、通常は、設定温度に対応した電圧とする。
【００２５】
なお、運転開始時のパワーピストンへの入力電圧は、ガスベアリング効果が生じる最低の電圧以上であれば特に限定はないが、高電圧になる程、作動ガス圧が定常状態になっていないために起こる、パワーピストンとディスプレーサとの相互干渉による衝突の可能性が高くなる。
【００２６】
なお、運転開始方法の電圧上昇パターンは、上記のように経時で一定の値毎に段階的に電圧レベルを上昇させる他に、一定の勾配を有して徐々に上昇させてもよい。
【００２７】
なお、冷却装置が設定温度に達した後は、スターリング冷凍機１５を停止することなく、スターリング冷凍機１５への入力電圧を若干下げて連続運転することによって、冷却装置を設定温度に保ってもよい。これによりスターリング冷凍機１５の運転・停止時にかかる負荷の回数が減少するため、スターリング冷凍機１５の寿命は向上する。
【００２８】
このような運転開始方法によれば、ガスベアリング効果を有し、かつパワーピストン及びディスプレーサが共振することによりスターリング冷凍機の異常振動を防止し、また、電圧を徐々に上昇させることによりパワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止したスターリング冷凍機を得ることができる。
【００２９】
〈実施例２〉
実施例２は、上記実施形態の図２の運転停止モード２４の処理方法、つまりスターリング冷凍機１５の運転停止方法について実施した一例である。この運転停止方法は、実施例１の運転開始の手順と逆の手順によりスターリング冷凍機１５を停止させる方法である。即ち運転停止モード２４では、例えば１秒毎に、ある一定の値で電圧レベルを降下させ、パワーピストンとディスプレーサとが共振するとともにガスベアリング効果が維持できる電圧に達した時点で電圧を零にするという運転停止方法が提供される。
【００３０】
なお、電圧を零にするタイミングは、ガスベアリング効果が維持できる最低の電圧以上であれば特に限定はないが、高電圧で停止させる程、作動ガスの圧力変化が大きくなり、パワーピストンとディスプレーサとの相互干渉による衝突の可能性が高くなる。
【００３１】
なお、運転停止方法の電圧の降下パターンは、上記のように経時で一定の値毎に段階的に電圧レベルを降下させる他に、一定の勾配を有して徐々に降下させてもよい。
【００３２】
このような運転停止方法によれば、ガスベアリング効果を有し、かつパワーピストン及びディスプレーサが共振することによりスターリング冷凍機の異常振動を防止し、また、電圧を徐々に降下させることによりパワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止したスターリング冷凍機を得ることができる。
【００３３】
〈実施例３〉
実施例３は、上記実施形態の図２において、温度上昇２６の情報が与えられた場合の運転開始モード２１の処理方法と、実施例１のように電源がＯＮにされた直後の運転開始モード２１の処理方法とを区別し、それぞれ最適な運転開始条件を与えるスターリング冷凍機１５の運転開始方法について実施した一例である。
【００３４】
図３に、実施例３のスターリング冷凍機の側断面図を示し、図４に、実施例３の運転開始モードのフローチャートを示す。図３において、図６と同様の構成部品には同じ符号を付している。冷却器７１及び放熱器７０にそれぞれ温度検知手段としての温度センサー７３、７４を装着し、図示しないマイコンに接続することでスターリング冷凍機１５の停止中の冷却器７１及び放熱器７０の温度を測定し、それらの温度情報が運転開始モード２１に与えられる（４０）。それにより、放熱器７１と冷却器７０の温度差を算出し、その大小により運転開始方法を決定する（４１）。
【００３５】
放熱器７０と冷却器７１の温度差が大きい場合、例えば運転が停止してから短時間経過後で放熱器７０の温度が３０℃、冷却器７１の温度が−２０℃の場合は、クイックスタートが可能と判断し、スターリング冷凍機１５のパワーピストンとディスプレーサとが共振するとともにガスベアリング効果が生じ始める電圧からパワーピストンを動作させ、電圧上昇パターンを例えば０．２５秒毎に、実施例１より短いタイミングで、ある一定の値で電圧レベルを上昇させ、所定の電圧にするという運転開始方法が提供される（４２）。
【００３６】
このように放熱器７０と冷却器７１の温度が定常状態の温度に近い場合は、作動ガス圧が定常状態になっていないために起こる、パワーピストンとディスプレーサとの相互干渉による衝突の心配がないので、素早く電圧を上昇させることが可能となり、短時間で設定温度にすることができる。
【００３７】
一方、放熱器７０と冷却器７１の温度差が小さい場合、例えば冷却装置の設置時や電源が落とされていたような長時間停止時で放熱器７０及び冷却器７１の温度が共に２０℃の場合は、通常スタートが可能と判断し、実施例１と同様の方法で電圧上昇させる運転開始方法が提供される（４３）。
【００３８】
このように放熱器７０と冷却器７１の温度が常温に近い場合は、実施例１と同様に運転開始することで、作動ガス圧が定常状態になっていないために起こる、パワーピストンとディスプレーサとの衝突による破損を防止することができる。
【００３９】
なお、放熱器７０と冷却器７１の温度差の大小の判断は、ある一定値、例えば温度差４０℃を基準として、それ以上ではクイックスタートと判断し、それ以下では通常スタートと判断するように設計することができる。
【００４０】
〈実施例４〉
実施例４は、上記実施形態の図１において、入力電圧検知部１１でパワーピストンの最大振幅を越える入力電圧が検知された場合のマイコン１２での処理方法、つまりスターリング冷凍機１５の運転制御方法について実施した一例である。詳しくは、検知された入力電圧が最大定格電圧を越える場合は、該最大定格電圧以下まで下げた電圧をパワーピストンへの入力電圧とする運転制御方法である。
【００４１】
図５に、マイコン１２での処理方法のフローチャートを示す。ここでは、入力電圧が定格電圧をどれくらい超えているかを算出し、その超過レベルに応じて電圧レベルを降下させている。例えば、入力電圧が定格電圧より１０Ｖ以上高いかどうか判断され（５０）、１０Ｖ以上の場合は、更にその入力電圧は定格電圧より１５Ｖ以上高いかどうか判断され（５１）、１５Ｖ未満の場合は出力電圧を１ステップ（例えば１０Ｖ）下げ（５２）、一方、１５Ｖ以上の場合は出力電圧を２ステップ（例えば２０Ｖ）下げる（５３）。また、入力電圧が定格電圧より１０Ｖ未満の高さであると判断されると、その入力電圧のまま出力する（５４）。
【００４２】
なお、定格電圧より何Ｖ高いと出力電圧を下げるかは、最大定格電圧を超えない範囲で設定すれば特に限定はなく、また、出力電圧を下げるステップもその電圧、ステップ数には特に限定はない。
【００４３】
また、実施例４は、入力電圧が最大定格電圧を超えたときに、最大定格電圧まで下げた電圧を出力するようにしてもよい。
【００４４】
このような運転制御方法によれば、パワーピストンが最大振幅を越えないように制御できるため、パワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止することができる。
【００４５】
〈実施例５〉
実施例４は、マイコンへの入力電圧が定格電圧、又は最大定格電圧を超えた場合に、出力電圧を下げる運転制御方法であったが、実施例５は、入力電圧の変化を検知する代わりにパワーピストンのストロークをパワーピストンへの入力電圧にて検知することにより出力制御する方法である。例えば運転開始後、パワーピストンのストロークに応じた出力電圧を検知し、パワーピストンの最大振幅を考慮して予め設定された電圧以上をマイコンが検知した場合、マイコンはこの電圧を限界出力と判断し、それ以上電圧を上昇させることを抑制する。
【００４６】
これにより、パワーピストンが最大振幅を越えないように制御できるため、パワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の運転制御方法によれば、スターリング冷凍機の運転開始時に、低電圧からスターリング冷凍機を動作させ、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ことにより、パワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止することができる。
【００４８】
また本発明の運転制御方法によれば、スターリング冷凍機を運転停止させるときに、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ことにより、ガスベアリング効果を有し、かつパワーピストン及びディスプレーサが共振することによりスターリング冷凍機の異常振動を防止し、また、パワーピストンとディスプレーサの衝突による破損を防止することができる。
【００４９】
また本発明の運転制御方法によれば、停止中のスターリング冷凍機の冷却器と放熱器との温度差を検知し、その温度差が大きくなるに従って運転開始時の印加電圧の上昇スピードを上げることにより、パワーピストンとディスプレーサとの衝突による破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却装置の運転制御部のブロック図である。
【図２】本発明の冷却装置の運転制御のフローチャートである。
【図３】本発明の実施例３のスターリング冷凍機の側断面図である。
【図４】本発明の実施例３の運転開始モードのフローチャートである。
【図５】本発明の実施例４のマイコンでの処理方法のフローチャートである。
【図６】従来のフリーピストン型スターリング冷凍機の側断面図である。
【符号の説明】
１５ フリーピストン型スターリング冷凍機
６１ パワーピストン
６３ シリンダ
Claims (10)
- 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、前記パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
前記スターリング冷凍機の運転開始時は、前記ガスベアリングの効果が生じる低電圧から前記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ことを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。 - 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、前記パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
前記スターリング冷凍機を運転停止させるときは、前記駆動手段への印加電圧を前記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ことを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。 - 寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
停止中の前記冷却器と前記放熱器との温度差を検知し、該温度差により運転開始時の前記駆動手段への印加電圧上昇パターンを決定することを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。 - 寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
運転開始前の前記冷却器と前記放熱器との温度差を検知し、該温度差により運転開始時の前記駆動手段への印加電圧上昇パターンを決定することを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。 - 寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段と、スターリング冷凍機の温度情報をマイコンに与える温度検知部とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
停止中の前記スターリング冷凍機の前記冷却器と前記放熱器との温度差により、運転開始時の前記駆動手段への印加電圧上昇パターンを決定することを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。 - 寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、前記冷却器及び放熱器にそれぞれ装着された温度検知手段と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
停止中の前記冷却器と前記放熱器との温度差を検知し、該温度差により運転開始時の前記駆動手段への印加電圧上昇パターンを決定することを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。 - 寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
停止中の前記冷却器と前記放熱器との温度差を検知し、前記温度差が大きくなるに従って運転開始時の前記駆動手段への印加電圧の上昇スピードを上げることを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。 - 寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
運転開始前の前記冷却器と前記放熱器との温度差を検知し、前記温度差が大きくなるに従って運転開始時の前記駆動手段への印加電圧の上昇スピードを上げることを特徴とする スターリング冷凍機の運転制御方法。 - 寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、前記冷却器及び放熱器にそれぞれ装着された温度検知手段と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
停止中の前記冷却器と前記放熱器との温度差を検知し、前記温度差が大きくなるに従って運転開始時の前記駆動手段への印加電圧の上昇スピードを上げることを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。 - 寒冷を発生する冷却器と、温熱を放熱する放熱器と、前記冷却器及び放熱器にそれぞれ装着された温度検知手段と、シリンダ内を往復動するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、前記駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行うスターリング冷凍機において、
停止中の前記冷却器の温度と前記放熱器の温度とを検知し、
前記冷却器と前記放熱器との温度差を算出し、
前記駆動手段への印加電圧を所定電圧まで上昇させるのに前記温度差が所定値より大きい場合は前記温度差が所定値より小さい場合に比し、短時間で前記所定電圧まで上昇させることを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。
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