JP3620575B2 - Stirling refrigerator - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

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  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストン型スターリング機関を用いたスターリング冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に冷凍サイクルには、蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。蒸気圧縮式の冷凍サイクルには、作動媒体としての冷媒に、フロンが用いられ、フロンの凝縮、蒸発を利用して所要の冷却性能を得るようにしている。ところが、冷媒として使用されるフロンは非常に化学的安定性が高く、大気中に放出されると成層圏に達して、オゾン層を破壊するとの指摘がある。このため、近年、特定フロンを対象としたフロンの使用、ならびに生産が規制されてきている。
【０００３】
そこで、フロンを用いた冷凍サイクルに代わるものとして、逆スターリング冷凍サイクルが注目を集めている。スターリング冷凍サイクルは、作動媒体として、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガスなどといった地球環境に悪影響を与えないガスを採用し、逆スターリングサイクルによって、低温を得るようにしたものである。この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】
この冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と該圧縮機から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張機とを組み合わせたものであり、上記圧縮機は、冷媒ガスをガス圧が例えばサインカーブ等の特性を持って所定周期で経時変化するように圧縮するものが使用される。一方、膨張機は、先端が閉塞されたシリンダと、該シリンダ内に往復動自在に嵌装され、シリンダ内を先端側の膨張室及び基端側の作動室に区画形成するフリーディスプレーサと、該フリーディスプレーサの往復運動を弾性支持するスプリングとを備えてなるもので、上記作動室は上記圧縮機に接続されており、圧縮機からの冷媒ガス圧によりディスプレーサを往復運動させて冷媒ガスを膨張させることにより、シリンダ先端のコールドヘッドに寒冷を発生させるようになされている。なお、この方式のスターリング冷凍機は一般にフリーピストン型スターリング冷凍機と呼ばれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種のスターリング冷凍機においては、上記スプリングのバネ定数は、ディスプレーサを含んだ可動部分の質量（マス）に応じてその可動部分が最大の冷凍能力の得られる最適チューニング周波数で共振するように一定値に設定されている。しかしながら、バネの製作ばらつきによる初期設計周波数とのばらつきがあり、このばらつきにより冷凍能力が設計冷凍能力より低下する。また、運転開始によりシリンダ先端のコールドヘッド部の温度が低下するのに伴い、上記最適チューニング周波数が変化し、この周波数のずれにより冷凍能力が設計冷凍能力より低下する。その結果、冷却スピードの短縮に限界があった。
【０００６】
また、運転開始時（冷却面の温度が常温に近い状態の時）等内部ガス圧が定常運転状態より低いとき、スターリング冷凍機に過大な入力を加えると、ピストン及びディスプレーサが相互干渉を起こして衝突する危険があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は内部ガスの漏れ検知方法の構築と上記最大の冷凍能力が得られる最適周波数を可変とする手段を講じることによる、最適チューニング周波数の設定を行うことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、請求項１のスターリング冷凍機は、シリンダ内にピストンとディスプレーサを設け、上記ピストンの往復運動によって圧縮空間内で冷媒ガスを圧縮し、圧縮された冷媒ガスのガス圧で上記ディスプレーサを上記ピストンに対して所定の位相差を持って往復運動させ、上記ディスプレーサの往復運動により上記膨張空間内で冷媒ガスを膨張させて冷却を行うスターリング冷凍機において、運転中における上記ピストンとディスプレーサの位相差を検出する位相差検出手段と、検出した位相差を上記ピストンとディスプレーサの予め記憶した正規の位相差と比較し、比較した位相差のずれが予め定めた所定の値より大きいとき上記冷媒ガスのガス漏れがあったものと判定する判定手段とを設けたことを特徴とする。
【０００９】
従って、スターリング冷凍機の運転中は位相差検出手段によりピストンとディスプレーサの各往復運動における位相差が検出される。この位相差と冷媒ガスのガス圧は、ガス圧が低下すると、位相差も小さくなる関係にある。従って、上記のようにして検出したピストンとディスプレーサの位相差は判定手段により予め記憶した正規の位相差と比較し、比較した位相差のずれが予め定めた所定の値より大きい場合は冷媒ガスのガス漏れが生じていたものと判定することができる。
【００１０】
また、請求項２のスターリング冷凍機は、請求項１記載のスターリング冷凍機において、スターリング冷凍機本体の振動を検知する振動センサと、スターリング冷凍機を駆動制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記判定手段が冷媒ガスのガス漏れを判定したとき、上記振動センサによる検知振動が最小になるように上記スターリング冷凍機の電源周波数を調整することを特徴とする。
【００１１】
従って、判定手段で、冷媒ガスのガス漏れが生じていると判定したとき制御手段でスターリング冷凍機の電源周波数の調整を行い、振動センサで検知するスターリング冷凍機本体の振動が最小になるようにする。その結果、冷媒ガスのガス漏れが生じ、内部ガス圧が低下したときでもスターリング冷凍機を最適の電源周波数で運転することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面とともに説明する。
（実施形態１）
図１、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全体構成図である。図１を用いて先ず本発明の動作原理を説明する。なお、図１に示す本発明の全体構成図では共振用ガスバネの代わりに共振用コイルバネを用いている。
【００１９】
図１において、ピストン２はリニアモータ６により駆動され、共振用バネ５により正弦運動する。ピストン２の動きにより圧縮空間８内の冷媒ガスは正弦状の圧力変化を示す。圧縮された冷媒ガスは放熱部１０で圧縮熱を放出し、ディスプレーサ１内にある再生器３で予冷され膨張空間７に入る。膨張空間７の作動ガスはディスプレーサ１の動きにより膨張し温度は低下する。膨張空間７内の冷媒ガスの圧力は、圧縮空間８内の圧力とある位相差を持って正弦変化する。すなわちディスプレーサ１はピストン２に対しある位相差を持って摺動することになる。
【００２０】
膨張空間７での冷凍能力はディスプレーサ１の振動の仕方に大きく影響を受けるが、この振幅はピストン２とディスプレーサ１の位相差、すなわち膨張空間７と圧縮空間８との時間変化する圧力差によって生じるディスプレーサ１とピストン２の動きの差に影響を受ける。一般に９０度程度が最適位相差といわれている。一般的にピストン２とディスプレーサ１の位相差はガス圧あるいはバネに依存し、運転条件が同一であればディスプレーサ１の質量及び共振用バネ４のバネ定数及び動作周波数により決まるものである。ディスプレーサ１の質量は設計時に決まるものでこれを運転時に変えることは不可能である。
【００２１】
このとき、ピストン内部に封入されている冷媒ガスの充填圧力が正規の圧力より低下すると（ガスのリークを生じた場合）、ピストン２とディスプレーサ１との位相差は正規の圧力の場合の位相差より低下する傾向がある。図２はこの状態を示すグラフである。例えばガス圧が２４ｋｇ／ｃｍ２から１４ｋｇ／ｃｍ２まで変化した場合、位相差が６５度から４８度まで変化することが読みとれる。従って、振動センサを冷凍機内部のピストン及びディスプレーサ部にそれぞれ取り付け両者の位相差の検知を行うことによってガス圧の変化すなわち冷媒ガスの充填圧力の低下を検出することが可能になる。
【００２２】
図３はこの場合の制御回路のブロック図であり、図４は制御のフローチャートである。図３において、ピストン２の内部に組み込まれた振動センサ１１からのピストン２の位置信号はアンプ１４で増幅して制御マイコン１６に入力し、ディスプレーサ１の内部に組み込まれた振動センサ１２からのディスプレーサ１の位置信号はアンプ１５で増幅して制御マイコン１６に入力する。また、冷却面の温度を検出する温度センサ１３からの温度情報も制御マイコン１６に入力する。
【００２３】
制御マイコン１６では上記の各入力信号に基づきスターリング冷凍機１８を制御するための制御信号を導出し、この制御信号はＰＷＭ出力部１７でパルス幅変調されてスターリング冷凍機１８を制御する。
【００２４】
図４は上記の制御マイコン１６によりスターリング冷凍機１８の動作制御を行う場合のフローチャートである。ステップＳ１でスターリング冷凍機１８の運転が開始されると温度センサ１３より入力される冷却面の温度情報より初期運転開始後冷凍機の冷却面の表面温度を監視し、ステップＳ２でこの表面温度が一定状態になるのを待つ。これは冷凍機の運転が安定化するまでの時間を確保するためである。
【００２５】
冷却面の温度が一定状態になるとステップＳ３でピストン２及びディスプレーサ１に取り付けた振動センサ１１及び１２から制御マイコン１６に入力される位置信号の振動波形よりピストン２とディスプレーサ１との位相差を検出し、これを初期位相差として記憶する。その後、ステップＳ４で一定時間運転を行わせ、一定時間経過後にステップＳ５で再度ピストン２とディスプレーサ１との位相差を検出する。そして、この再度検出した位相差をステップＳ６で上記の初期位相差と比較し、位相差のずれが予め定めた値より大きくなっている場合には、ガス圧が低下したことになりステップＳ７でガス漏れと判断しステップＳ８で冷凍機の運転を停止させる。この場合、位相差の低下度合がどの程度であればガス漏れと判断するかは冷凍機の能力や使用温度帯の違い等により相違するので一定ではなく予め試行により定め設定するようにする。
【００２６】
なお、実施形態では共振用コイルバネを用いた場合で説明したが、共振用ガスバネを用いた場合であってもガス圧の変化とピストン・ディスプレーサの位相差を振動センサにより検出が可能なので図４に示す制御を行うことが可能である。
【００２７】
（実施形態２）
図５は本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図であり、図６はそのフローチャートである。図５において２０はスターリング冷凍機１８の本体の外郭部に取り付けられた振動センサであり、該振動センサ２０の出力はアンプ２２で増幅して制御マイコン２３に入力する。１３はスターリング冷凍機１８の冷却面に取り付けた温度センサであって、その出力は上記制御マイコン２３に入力する。
【００２８】
制御マイコン２３では上記の各入力信号に基づきスターリング冷凍機１８を制御するための制御信号を導出し、この制御信号はＰＷＭ出力部１７でパルス幅変調されてスターリング冷凍機１８を制御する。
【００２９】
図６は上記制御マイコン２３によりスターリング冷凍機１８の動作制御を行う場合のフローチャートである。ステップＳ１０でスターリング冷凍機１８の運転を開始すると、冷却部は温度が低下し、放熱部１０は温度が上昇する。このとき、スターリング冷凍機１８の冷却面に取り付けた温度センサ１３により冷却面の温度を検出し、この温度情報を制御マイコン２３に入力する。ステップＳ１１で冷却面の外表面の温度が安定した状態になったことを制御マイコン２３が判断すると、ステップＳ１２でスターリング冷凍機１８の本体に取り付けられている振動センサ２０からの冷凍機の振動情報を制御マイコン２３が検知しこれを初期値として記憶する。スターリング冷凍機１８はピストン・ディスプレーサの振動により、本体のケーシング自体が振動するので、振動センサ２０はその振動を検知する。
【００３０】
その後スターリング冷凍機１８は運転を継続し、ステップＳ１３で予め定めた一定時間が経過すると、ステップＳ１４でその時点におけるスターリング冷凍機１８の本体の振動を上記振動センサ２０で再度検知する。次にステップＳ１５において上記ステップＳ１２で検出した振動と上記ステップＳ１４で検出した振動を比較し、ステップＳ１４で検出した振動の方が大きい場合はステップＳ１６でスターリング冷凍機１８の電源周波数の調整を行う。そして、上記ステップＳ１５とＳ１６でスターリング冷凍機１８の電源周波数を上記振動センサ２０で検出する振動レベルが最小になるように調整する。
【００３１】
上記のように本実施形態２によるとスターリング冷凍機１８が運転開始後冷媒ガスのガス漏れが生じた場合、共振用バネの共振点が移動するがスターリング冷凍機１８の振動を最小にするように該スターリング冷凍機１８の電源駆動回路により電源周波数を調整するので、運転開始後ガス圧低下時点での最適制御を行わせることができる。
【００３２】
（実施形態３）
本発明の第３の実施形態を図７を用いて説明する。本実施形態３は、上述する実施形態１のスターリング冷凍機において高温部の温度上昇を抑制し冷凍機の破損を防止するようにしたものである。図７においてステップＳ２０でスターリング冷凍機１８が運転を開始すると、冷却部は温度が低下し、放熱部１０は温度が上昇する。スターリング冷凍機１８の放熱部１０には温度センサ２１が取り付けられており、この温度センサ２１によりスターリング冷凍機１８の放熱部１０の放熱温度をそれぞれ検知する。そして、ステップＳ２１で放熱部１０の温度が予め定めた所定の温度Ｔを超えるか否かを検出し、所定の温度Ｔを超えるとステップＳ２２でスターリング冷凍機の電源電圧を抑制する。その結果スターリング冷凍機１８の出力が低下し、放熱部１０等の高温部の温度上昇を防止して、温度上昇による高温部の破損を防ぐことができる。
【００３３】
（実施形態４）
本発明の第４の実施形態を図８に示すフローチャートを用いて説明する。本実施形態４は上述する実施形態１のスターリング冷凍機において、膨張空間７と圧縮空間８の内部ガス圧をそれぞれ検知する圧力検知センサを設け、これらの圧力検知センサで運転中の内部ガス圧を検知し、ガス漏れを起こした場合の圧力検知センサで検知する内部ガス圧の変化よりディスプレーサ１とピストン２の衝突あるいは衝突の可能性を事前に検出してこの衝突を防止するようにしたものである。
【００３４】
図８に示すフローチャートにおいてステップＳ３０でスターリング冷凍機１８が運転を開始すると、このスターリング冷凍機のフリーピストン型スターリングサイクルでは、ディスプレーサ１はピストン２に対してある位相差を持って摺動する。運転開始後スターリング冷凍機１８が定常運転に達したときステップＳ３１で上記圧力検知センサにより内部ガス圧を検知すると、ある一定の正弦波の圧力変動が検出される。この初期データのガス圧波形を制御マイコンに正常データとして記憶する。
【００３５】
その後運転を継続してステップＳ３２で圧力検知センサにより内部ガス圧の現在値を検出するが、ディスプレーサ１とピストン２が衝突するか衝突を起こしそうになると、圧力波形のピーク値が上昇したり、波形歪が生じ圧力波形が変化する。ステップＳ３３では、ステップＳ３１とステップＳ３２で検出した内部ガス圧波形を制御マイコンで比較する。そして、ステップＳ３２で検出した現在値の内部ガス圧波形がステップＳ３１で初期値として記憶した正規の正常な内部ガス圧波形より予め定めた一定値以上ずれている場合は、制御マイコンはディスプレーサ１とピストン２が衝突あるいは衝突のおそれありと判断し、スターリング冷凍機１８の入力を低下させる。この場合、ディスプレーサ１とピストン２が衝突あるいは衝突のおそれありと判断する場合の判断基準は内部ガス圧の正常値に比べて現在値のピーク値と波形歪の上昇が予め定めた所定の値を超えるか否かにおくようにする。
【００３６】
（実施形態５）
本発明の第５の実施形態を図５及び図９を用いて説明する。本実施形態５は上述する実施形態１のスターリング冷凍機において、スターリング冷凍機１８の本体の外郭部に振動センサ２０を取り付け、図５に示すように上記振動センサ２０の出力をアンプ２２で増幅して制御マイコン２３に入力する。また１３はスターリング冷凍機１８の冷却面に取り付けた温度センサであり、この温度センサ１３で検出した冷却面の温度情報も制御マイコン２３に入力する。制御マイコン２３は上記振動センサ２０及び温度センサ１３からの信号に基づき制御信号を出力しＰＷＭ出力部１７でパルス幅変調を施し、スターリング冷凍機１８を制御する。
【００３７】
図９は上記制御マイコン２３によりスターリング冷凍機１８の動作制御を行う場合のフローチャートである。ステップＳ４０でスターリング冷凍機１８の運転を開始すると、このスターリング冷凍機のフリーピストン型スターリングサイクルではディスプレーサ１はピストン２に対してある位相差を持って摺動する。運転開始後、温度センサ１３により冷却面の温度を監視し、この温度が制御マイコン２３によりステップＳ４１で安定したことを検出すると、ステップＳ４２でスターリング冷凍機１８の本体に取り付けられた振動センサ２０で振動を検知し、この振動情報を制御マイコン２３は初期値の正常データとして記憶する。
【００３８】
その後、スターリング冷凍機１８は運転を継続し、振動センサ２０はステップＳ４３で本体の振動を検出し続けるが、ピストン２とディスプレーサ１が衝突を起こすと衝撃が生じ、これを振動センサ２０が検出して制御マイコン２３が検知する。そして、ステップＳ４４で振動センサ２０が検出した本体のその時点における振動をステップＳ４２で初期値として記憶した正常データと比較し、上記のその時点の振動が初期値として記憶した正常データより予め定めた値以上に大きいと、制御マイコン２３はピストン２とディスプレーサ１が衝突をしたものと判断し、ステップＳ４５でスターリング冷凍機１８への入力を低下させ、衝突を回避するようにする。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１によると、位相差検出手段でピストンとディスプレーサの位相差検出を行い、検出した位相差と正規状態の位相差とを比較するだけの簡単な構成でスターリング冷凍機の冷媒ガスの漏れを確実に検出することが可能になる。
【００４０】
また、請求項２によると、請求項１の効果に加え、冷媒ガスのガス漏れを検出した場合でも、スターリング冷凍機の電源周波数を振動センサの出力が最低になるように調整するだけの簡単な構成で最適制御を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フリーピストン型スターリング冷凍機の断面図。
【図２】本発明の実施形態１における、スターリング冷凍機のピストン・ディスプレーサの位相差と冷媒ガスのガス圧の関係を示す図。
【図３】本発明の実施形態１における、制御回路のブロック図。
【図４】本発明の実施形態１における、制御動作のフローチャート。
【図５】本発明の実施形態２及び５における、制御回路のブロック図。
【図６】本発明の実施形態２における、制御動作のフローチャート。
【図７】本発明の実施形態３における、制御動作のフローチャート。
【図８】本発明の実施形態４における、制御動作のフローチャート。
【図９】本発明の実施形態５における、制御動作のフローチャート。
【符号の説明】
１…ディスプレーサ
２…ピストン
３…再生器
４、５…共振用バネ
６…リニアモータ
７…膨張空間
８…圧縮空間
９…冷凍機本体
１０…放熱部
１１、１２、２０…振動センサ
１３、２１…温度センサ
１４、１５、２２…アンプ
１６、２３…制御マイコン
１７…ＰＷＭ出力部
１８…スターリング冷凍機本体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling refrigerator using a free piston type Stirling engine.
[0002]
[Prior art]
In general, a vapor compression refrigeration cycle is adopted as the refrigeration cycle. In the vapor compression refrigeration cycle, chlorofluorocarbon is used as a refrigerant as a working medium, and required cooling performance is obtained by utilizing condensation and evaporation of chlorofluorocarbon. However, it is pointed out that chlorofluorocarbons used as refrigerants have very high chemical stability, and when they are released into the atmosphere, they reach the stratosphere and destroy the ozone layer. For this reason, in recent years, the use and production of CFCs for specific CFCs have been regulated.
[0003]
Therefore, the reverse Stirling refrigeration cycle has attracted attention as an alternative to the refrigeration cycle using Freon. The Stirling refrigeration cycle employs a gas that does not adversely affect the global environment such as helium gas, hydrogen gas, and nitrogen gas as a working medium, and obtains a low temperature by a reverse Stirling cycle. This Stirling refrigerator is known as a kind of small refrigerator that generates a cryogenic cold.
[0004]
This refrigerator is a combination of a compressor that compresses refrigerant gas and an expander that expands refrigerant gas discharged from the compressor, and the compressor has a gas pressure such as a sine curve or the like. What compresses so that it may change with time in a predetermined period may be used. On the other hand, the expander includes a cylinder closed at the tip, a free displacer that is reciprocally fitted in the cylinder, and that defines the inside of the cylinder into a tip-side expansion chamber and a base-end working chamber, And a spring that elastically supports the reciprocating motion of the free displacer. The working chamber is connected to the compressor, and the displacer is reciprocated by the refrigerant gas pressure from the compressor to expand the refrigerant gas. Thus, cold is generated in the cold head at the tip of the cylinder. This type of Stirling refrigerator is generally called a free piston type Stirling refrigerator.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in this type of Stirling refrigerator, the spring constant of the spring is such that the movable part resonates at an optimum tuning frequency at which the maximum refrigeration capacity can be obtained according to the mass of the movable part including the displacer. Is set to a constant value. However, there is a variation from the initial design frequency due to variations in the production of the spring, and this variation causes the refrigeration capacity to be lower than the design refrigeration capacity. Further, as the temperature of the cold head portion at the tip of the cylinder decreases due to the start of operation, the optimum tuning frequency changes, and the refrigeration capacity is lower than the designed refrigeration capacity due to this frequency deviation. As a result, there was a limit to shortening the cooling speed.
[0006]
Also, when the internal gas pressure is lower than the steady operation state, such as at the start of operation (when the temperature of the cooling surface is close to room temperature), if excessive input is applied to the Stirling refrigerator, the piston and displacer cause mutual interference. There was a danger of a collision.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to construct an internal gas leakage detection method and to provide an optimum tuning frequency by adopting means for varying the optimum frequency at which the maximum refrigeration capacity can be obtained. lies in carrying out the settings.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems, the Stirling refrigerating machine according to claim 1 is provided with a piston and a de Isupuresa into the cylinder, compressing the refrigerant gas in the compression space by the reciprocating motion of the piston, the compressed refrigerant gas the displacer gas pressure is reciprocated with a predetermined phase difference with respect to the piston, the Stirling refrigerator for cooling by expanding the refrigerant gas in the expansion space by the reciprocating motion of the displacer, in OPERATION phase difference detection means for detecting a phase difference between the piston and the displacer, the phase difference has detected compared with the phase difference of the normalized stored in advance of the piston and displacer in a given deviation of the phase difference comparison is predetermined And determining means for determining that the refrigerant gas has leaked when the value is larger than the value of.
[0009]
Thus, during operation of the Stirling refrigerator phase difference at each reciprocation of the lipid piston and the displacer by the phase difference detecting means it is detected. The phase difference and the gas pressure of the refrigerant gas have a relationship that the phase difference decreases as the gas pressure decreases. Accordingly, the phase difference between the piston and the displacer which is detected as described above is compared with the phase difference between the previously stored normalized by determining means compares the phase difference shift preset predetermined value than the size have refrigerant gas when It can be determined that the gas leak occurred.
[0010]
Further, Stirling refrigerating machine according to claim 2, in Stirling refrigerator according to claim 1, further comprising a vibration sensor for detecting vibration of a star ring refrigerator body, and control means for driving and controlling the Stirling refrigerator, the control means, when the determination hand stage determines the gas leakage of the refrigerant gas, and Turkey adjust the power frequency of the Stirling refrigerating machine as test known vibration that by the above vibration sensor is minimized It is characterized by.
[0011]
Therefore, the determination means, adjusts the power supply frequency of the Stirling refrigerator in the control unit when it is determined that gas leakage of the refrigerant gas occurs, so that the vibration of the Stirling refrigerator body for detecting vibration sensor is minimized To. This results in gas leakage of the refrigerant gas, the Stirling refrigerator, even when the internal gas pressure is lowered can be operated at optimum power frequency.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a free piston type Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention. First, the operation principle of the present invention will be described with reference to FIG. In the overall configuration diagram of the present invention shown in FIG. 1, a resonance coil spring is used instead of the resonance gas spring.
[0019]
In FIG. 1, the piston 2 is driven by a linear motor 6 and sine-moves by a resonance spring 5. The refrigerant gas in the compression space 8 exhibits a sinusoidal pressure change due to the movement of the piston 2. The compressed refrigerant gas releases heat of compression at the heat radiating portion 10, and is precooled by the regenerator 3 in the displacer 1 and enters the expansion space 7. The working gas in the expansion space 7 expands due to the movement of the displacer 1 and the temperature decreases. The pressure of the refrigerant gas in the expansion space 7 changes sinusoidally with a certain phase difference from the pressure in the compression space 8. That is, the displacer 1 slides with respect to the piston 2 with a certain phase difference.
[0020]
Refrigerating capacity in the expansion space 7 greatly affected by the manner of the vibration displacer 1, but the phase difference between the amplitude piston 2 and the displacer 1, i.e. by the pressure differential that time variation of the expansion space 7 and the compression space 8 It is influenced by the difference in movement between the displacer 1 and the piston 2 that occurs. Generally, about 90 degrees is said to be the optimum phase difference. Phase difference generally piston 2 and the displacer 1 are those dependent on the gas pressure or spring, determined by the spring constant and the operating frequency of the displacer first mass and the resonance spring 4 as long OPERATION conditions are the same. The mass of the displacer 1 is determined at the time of design and cannot be changed during operation.
[0021]
At this time, if the charging pressure of the refrigerant gas sealed in the piston is lower than the normal pressure (when a gas leak occurs), the phase difference between the piston 2 and the displacer 1 is the phase difference in the case of the normal pressure. There is a tendency to lower. FIG. 2 is a graph showing this state. For example, it can be read that when the gas pressure changes from 24 kg / cm 2 to 14 kg / cm 2 , the phase difference changes from 65 degrees to 48 degrees. Therefore, it is possible to detect a change in the gas pressure, that is, a decrease in the charging pressure of the refrigerant gas, by attaching a vibration sensor to the piston and the displacer part inside the refrigerator and detecting the phase difference between them.
[0022]
FIG. 3 is a block diagram of the control circuit in this case, and FIG. 4 is a control flowchart. In FIG. 3, the position signal of the piston 2 from the vibration sensor 11 incorporated in the piston 2 is amplified by an amplifier 14 and input to the control microcomputer 16, and the displacer from the vibration sensor 12 incorporated in the displacer 1. The position signal 1 is amplified by the amplifier 15 and input to the control microcomputer 16. Further, temperature information from a temperature sensor 13 that detects the temperature of the cooling surface is also input to the control microcomputer 16.
[0023]
The control microcomputer 16 derives a control signal for controlling the Stirling refrigerator 18 based on each input signal described above, and this control signal is pulse width modulated by the PWM output unit 17 to control the Stirling refrigerator 18.
[0024]
FIG. 4 is a flowchart when the operation control of the Stirling refrigerator 18 is performed by the control microcomputer 16. When the operation of the Stirling refrigerator 18 is started in step S1, the surface temperature of the cooling surface of the refrigerator is monitored after the initial operation is started based on the temperature information of the cooling surface input from the temperature sensor 13, and this surface temperature is determined in step S2. Wait for it to reach a certain state. This is to secure time until the operation of the refrigerator is stabilized.
[0025]
When the temperature of the cooling surface becomes constant, the phase difference between the piston 2 and the displacer 1 is detected from the vibration waveform of the position signal input to the control microcomputer 16 from the vibration sensors 11 and 12 attached to the piston 2 and the displacer 1 in step S3. This is stored as an initial phase difference. Thereafter, the operation is performed for a certain time in step S4, and after the certain time elapses, the phase difference between the piston 2 and the displacer 1 is detected again in step S5. Then, the phase difference detected this again compared with the initial phase difference at the step S6, when the deviation of the phase difference is large Kuna' than the predetermined value, step S7 will be the gas pressure drops In step S8, the operation of the refrigerator is stopped. In this case, the degree of decrease in the phase difference is determined depending on the capacity of the refrigerator and the operating temperature range, etc., so that it is determined that the gas leak is determined.
[0026]
In the embodiment, the case where the resonance coil spring is used has been described. However, even when the resonance gas spring is used, the change in gas pressure and the phase difference between the piston and the displacer can be detected by the vibration sensor. It is possible to perform the control shown.
[0027]
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a flowchart thereof. In FIG. 5, reference numeral 20 denotes a vibration sensor attached to the outer portion of the main body of the Stirling refrigerator 18. The output of the vibration sensor 20 is amplified by an amplifier 22 and input to the control microcomputer 23. A temperature sensor 13 is attached to the cooling surface of the Stirling refrigerator 18 and its output is input to the control microcomputer 23.
[0028]
The control microcomputer 23 derives a control signal for controlling the Stirling refrigerator 18 based on the above input signals, and this control signal is pulse width modulated by the PWM output unit 17 to control the Stirling refrigerator 18.
[0029]
FIG. 6 is a flowchart for controlling the operation of the Stirling refrigerator 18 by the control microcomputer 23. When the operation of the Stirling refrigerator 18 is started in step S10, the temperature of the cooling unit decreases and the temperature of the heat dissipation unit 10 increases. At this time, the temperature of the cooling surface is detected by the temperature sensor 13 attached to the cooling surface of the Stirling refrigerator 18, and this temperature information is input to the control microcomputer 23. When the control microcomputer 23 determines that the temperature of the outer surface of the cooling surface has become stable in step S11, the vibration information of the refrigerator from the vibration sensor 20 attached to the main body of the Stirling refrigerator 18 in step S12. Is detected by the control microcomputer 23 and stored as an initial value. In the Stirling refrigerator 18, the casing itself of the main body vibrates due to the vibration of the piston displacer, and therefore the vibration sensor 20 detects the vibration.
[0030]
Thereafter, the Stirling refrigerator 18 continues to operate, and when a predetermined time has passed in step S13, the vibration sensor 20 detects again the vibration of the main body of the Stirling refrigerator 18 at that time in step S14. Next, in step S15, the vibration detected in step S12 is compared with the vibration detected in step S14. If the vibration detected in step S14 is larger, the power frequency of the Stirling refrigerator 18 is adjusted in step S16. . In steps S15 and S16, the power frequency of the Stirling refrigerator 18 is adjusted so that the vibration level detected by the vibration sensor 20 is minimized.
[0031]
As described above, according to the second embodiment, when the refrigerant gas leaks after the Stirling refrigerator 18 starts operation, the resonance point of the resonance spring moves, but the vibration of the Stirling refrigerator 18 is minimized. Since the power supply frequency is adjusted by the power supply drive circuit of the Stirling refrigerator 18, optimum control can be performed when the gas pressure is reduced after the operation is started.
[0032]
(Embodiment 3)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, in the Stirling refrigerator of the first embodiment described above, the temperature rise in the high temperature part is suppressed to prevent breakage of the refrigerator. In FIG. 7, when the Stirling refrigerator 18 starts operation in step S20, the temperature of the cooling unit decreases and the temperature of the heat dissipation unit 10 increases. The heat radiating portion 10 of the Stirling cooler 18 and temperature sensor 21 is attached, for detecting each heat temperature release of the heat radiating portion 10 of the Stirling cooler 18 by the temperature sensor 21. In step S21, it is detected whether or not the temperature of the heat radiating unit 10 exceeds a predetermined temperature T. If the temperature exceeds the predetermined temperature T, the power supply voltage of the Stirling refrigerator is suppressed in step S22. As a result, the output of the Stirling refrigerator 18 is reduced, the temperature rise of the high temperature part such as the heat radiating part 10 can be prevented, and the high temperature part can be prevented from being damaged due to the temperature rise.
[0033]
(Embodiment 4)
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In the Stirling refrigerator of the first embodiment described above, the fourth embodiment is provided with pressure detection sensors for detecting the internal gas pressures in the expansion space 7 and the compression space 8 respectively, and the internal gas pressure during operation is detected by these pressure detection sensors. The collision of the displacer 1 and the piston 2 or the possibility of the collision is detected in advance from the change in the internal gas pressure detected by the pressure detection sensor when a gas leak is detected, and this collision is prevented. is there.
[0034]
When the Stirling refrigerator 18 starts operation in step S30 in the flowchart shown in FIG. 8, the displacer 1 slides with a certain phase difference with respect to the piston 2 in the free piston type Stirling cycle of this Stirling refrigerator. When the internal gas pressure is detected by the pressure detection sensor in step S31 when the Stirling refrigerator 18 reaches the steady operation after the operation is started, a certain sine wave pressure fluctuation is detected. The gas pressure waveform of the initial data is stored as normal data in the control microcomputer.
[0035]
Thereafter, the operation is continued, and the current value of the internal gas pressure is detected by the pressure detection sensor in step S32. Waveform distortion occurs and the pressure waveform changes. In step S33, the internal gas pressure waveforms detected in steps S31 and S32 are compared by the control microcomputer. If the internal gas pressure waveform of the current value detected in step S32 deviates from the normal normal internal gas pressure waveform stored as the initial value in step S31 by a predetermined value or more, the control microcomputer is connected to the displacer 1. It is determined that the piston 2 has a collision or a collision, and the input of the Stirling refrigerator 18 is reduced. In this case, the criterion for determining that the displacer 1 and the piston 2 collide or that there is a risk of collision is that the peak value of the current value and the increase in waveform distortion are predetermined values compared to the normal value of the internal gas pressure. Try to leave it over.
[0036]
(Embodiment 5)
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fifth embodiment is the Stirling refrigerator of the first embodiment described above, wherein a vibration sensor 20 is attached to the outer portion of the main body of the Stirling refrigerator 18, and the output of the vibration sensor 20 is amplified by an amplifier 22 as shown in FIG. To the control microcomputer 23. Reference numeral 13 denotes a temperature sensor attached to the cooling surface of the Stirling refrigerator 18. The temperature information of the cooling surface detected by the temperature sensor 13 is also input to the control microcomputer 23. The control microcomputer 23 outputs a control signal based on the signals from the vibration sensor 20 and the temperature sensor 13, performs pulse width modulation at the PWM output unit 17, and controls the Stirling refrigerator 18.
[0037]
FIG. 9 is a flowchart when the control microcomputer 23 controls the operation of the Stirling refrigerator 18. When the operation of the Stirling refrigerator 18 is started in step S40, the displacer 1 slides with a certain phase difference with respect to the piston 2 in the free piston type Stirling cycle of this Stirling refrigerator. After the start of operation, the temperature of the cooling surface is monitored by the temperature sensor 13, and when the control microcomputer 23 detects that the temperature has stabilized in step S41, the vibration sensor 20 attached to the main body of the Stirling refrigerator 18 in step S42. Vibration is detected, and the control microcomputer 23 stores the vibration information as normal data of initial values.
[0038]
Thereafter, the Stirling refrigerating machine 18 continues to operate, a vibration sensor 20 continues to detect the vibration of the body at step S43, the impact occurs when the piston 2 and the displacer 1 causes a collision, the vibration sensor 20 detects this Then, the control microcomputer 23 detects. Then, the vibration of the main body detected by the vibration sensor 20 at step S44 is compared with the normal data stored as the initial value at step S42, and the vibration at that time is determined in advance from the normal data stored as the initial value. If greater than the value, the control microcomputer 23 judges that the piston 2 and the displacer 1 is a collision of ash reduces the input to Stirling refrigerating machine 18 in step S45, so as to avoid collisions.
[0039]
【The invention's effect】
According to claim 1, performs phase difference detection of the piston and displacer in the phase difference detecting means, leakage of the refrigerant gas of the Stirling refrigerating machine with a simple configuration in which only compares the phase difference between the detected phase difference and the normal state It becomes possible to detect reliably.
[0040]
Further, according to claim 2, in addition to the effect of claim 1, even when a gas leak of the refrigerant gas is detected, the power frequency of the Stirling refrigerator can be simply adjusted so that the output of the vibration sensor is minimized. Optimal control can be performed with the configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a free piston type Stirling refrigerator.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a phase difference of a piston displacer of a Stirling refrigerator and a gas pressure of a refrigerant gas in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a control circuit in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart of a control operation in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram of a control circuit in Embodiments 2 and 5 of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart of a control operation in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart of a control operation in Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart of a control operation in Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 9 is a flowchart of a control operation in Embodiment 5 of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Displacer 2 ... Piston 3 ... Regenerator 4, 5 ... Resonant spring 6 ... Linear motor 7 ... Expansion space 8 ... Compression space 9 ... Refrigerator main body 10 ... Radiation part 11, 12, 20 ... Vibration sensor 13, 21 ... Temperature sensors 14, 15, 22 ... amplifiers 16, 23 ... control microcomputer 17 ... PWM output unit 18 ... Stirling refrigerator main body

Claims (2)

シリンダ内にピストンとディスプレーサを設け、上記ピストンの往復運動によって圧縮空間内で冷媒ガスを圧縮し、圧縮された冷媒ガスのガス圧で上記ディスプレーサを上記ピストンに対して所定の位相差を持って往復運動させ、上記ディスプレーサの往復運動により上記膨張空間内で冷媒ガスを膨張させて冷却を行うスターリング冷凍機において、運転中における上記ピストンとディスプレーサの位相差を検出する位相差検出手段と、検出した位相差を上記ピストンとディスプレーサの予め記憶した正規の位相差と比較し、比較した位相差のずれが予め定めた所定の値より大きいとき上記冷媒ガスのガス漏れがあったものと判定する判定手段とを設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。Provided piston and de Isupuresa into the cylinder, compressing the refrigerant gas in the compression space by the reciprocating motion of the piston, with a predetermined phase difference said displacer against said piston by gas pressure of the compressed refrigerant gas is reciprocated Te, the Stirling refrigerator for cooling by expanding the refrigerant gas in the expansion space by the reciprocating motion of the displacer, a phase difference detecting means for detecting a phase difference between the pistons and the displacer in the OPERATION, the phase difference has detected compared with the phase difference of the normalized stored in advance of the piston and the displacer, determined that when there is gas leakage of the refrigerant gas shift the phase difference comparison is greater than a predetermined value a predetermined A Stirling refrigerator characterized by comprising determination means for performing. スターリング冷凍機本体の振動を検知する振動センサと、スターリング冷凍機を駆動制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記判定手段が冷媒ガスのガス漏れを判定したとき、上記振動センサによる検知振動が最小になるように上記スターリング冷凍機の電源周波数を調整することを特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機。 A vibration sensor for detecting vibration of a star ring refrigerator body, and control means for driving and controlling the Stirling refrigerator, the control means, when the determination hand stage determines the gas leakage of the refrigerant gas, the Stirling refrigerator according to claim 1, wherein the vibration by that test known to the vibration sensor movement is characterized by the Turkey adjust the power frequency of the Stirling refrigerator so as to minimize.
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