JP3788556B2

JP3788556B2 - スターリング冷凍機

Info

Publication number: JP3788556B2
Application number: JP37382798A
Authority: JP
Inventors: 克美清水
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000199653A

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。
こうした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、逆スク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（冷媒ガス）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、極低温の寒冷を発生させる小型冷凍機の一種として知られており、以下図５を参照して説明する。
【０００４】
この図５に示す冷凍機１は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機２と該圧縮機２から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張機３とを組み合わせたものであり、上記圧縮機２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。
【０００５】
圧縮機２は、後述する膨張機３の基端側に位置し、リニアモータ６によるピストン７の進退により膨張機３に連続する圧縮空間４を圧縮、及び吸引拡張を繰り返すことにより、圧縮空間４内の冷媒ガスを膨張機３（作動室３４）に吐出、及び吸引を行い、所定周期で経時変化する圧縮を実現している。
【０００６】
上記リニアモータ６は、箱型形状のフレーム５内にガイド部９Ａ，９Ｂにより固定して設けられており、進退自在のピストン７と、圧縮空間４を気密状態にピストン７の進退をガイドするピストンガイド９Ａと、ピストン７の進退方向中心と同心に、ピストンガイド９Ａと所定隙間１０を形成する円環状の永久磁石８と、前記永久磁石８と同心断面のガイド９Ｂと、ピストン７を支持しかつスプリング１２によりフレーム５に支持されるカップ形状の駆動体１１から構成されている。また、ピストンガイド９Ａは、内周部を摺動するピストン７のシリンダを形成している。
【０００７】
そして上記駆動体１１には、その筒状周壁部に所定範囲に亙ってコイル１３が設けられており、このコイル１３に所定周波数の交流を通電することにより、隙間１０内を通る磁界との作用により駆動体１１がかかる周波数により進退を繰り返す構成（ムービングコイル構造）としている。尚、駆動体１１の進退には、上記ムービングコイル構造とは逆に磁石が移動するようにするムービングマグネット構造によるものもある。
【０００８】
膨張機３は、先端が冷却ヘッド３０により閉塞し、他端を前記圧縮機２のフレ−ム５に連続する放熱部３４Ａに接続するシリンダ体３１と、該シリンダ体３１内には往復動自在に嵌装され、シリンダ体３１から放熱部３４Ａにわたって形成するシリンダ体３１内を先端側の膨張室３３と基端側の作動室３４に区画形成するフリーディスプレーサ３２と、作動室３４内にフリーディスプレーサ３２を往復動可能に弾性支持する共振用バネ３５とを備えてなるものである。上記作動室３４は、上記圧縮機２の圧縮空間４に連通口３６を介して接続され、かつほぼ放熱部３４Ａ内部に形成されている。
【０００９】
フリーディスプレーサ３２は、内部に蓄冷材を充填しており、かつ膨張室３３と作動室３４を連続するように構成されている。
【００１０】
以上の構成によれば、リニアモータ６の駆動によりピストン７がピストンガイド９Ａにガイドされながら進退を繰り返し、圧縮空間４中の冷媒ガスに所定周期でもって圧力変化を生じさせる。前記ピストン７を圧縮空間４が減少する方向に振動した場合には、圧縮空間４内のガス圧が膨張室３３内の冷媒ガス圧よりも高くなり、冷媒ガスは圧縮空間４から作動室３４に移動して圧縮熱を放出し、更にフリーディスプレーサ３２を介して冷却されて膨張室３３内に移動する。そして、膨張室３３と作動室３４が等圧となってフリーディスプレーサ３２が共振用バネ３５により作動室３４側に戻ると、膨張室３３内の冷媒ガスは膨張により冷却ヘッド３０に寒冷を発生させる。
【００１１】
更に連続して、前記ピストン７を圧縮空間４が増加する方向に振動した場合には、圧縮空間４内のガス圧が膨張室３３内の冷媒ガス圧よりも低くなり、冷媒ガスは膨張室３３からフリーディスプレーサ３２、作動室３４を介して圧縮空間４内に移動する。この時、冷媒ガスはフリーディスプレーサ３２通過時にフリーディスプレーサ３２内の蓄冷材（再生器）に冷熱を与えて作動室３４に流入し、両室３３、３４の差圧がなくなるとフリーディスプレーサ３２がスプリング３５により戻される。
【００１２】
以上を、リニアモータ６の駆動に併せて繰り返すことにより、冷却ヘッド３０が徐々に極低温まで冷却され、同時に作動室３４の壁面である放熱部３４Ａが発熱することとなる。なお、この方式のスターリング冷凍機１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。
【００１３】
【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、上記共振用バネ３４のバネ定数は、ディスプレーサ３２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、スプリングバネの製作バラツキによる初期設計周波数とのバラツキによる設計冷凍能力からの性能低下、あるいは運転によりシリンダ体３１先端の冷却ヘッド３０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て、この周波数のずれにより冷凍能力が低下し、その結果、冷却スピードの短縮に限界があった。
【００１４】
本発明は、前記の問題点を解消するためになされたものであって、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り、バネ定数が設計値からずれていてもそれに応じて最適チューニング周波数を維持できるようにして、単位電気入力当たりの冷凍能力の向上を図ることのできるスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、次の構成を有する。
【００１６】
本願発明は、作動ガスを封入したシリンダ内をリニアモータによって往復動するピストンと、作動ガスを封入したシリンダ内をバネにより往復動可能に弾性支持されたディスプレーサとを有したフリーピストン型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冷却部、及び／又は、放熱部の温度を検知する温度検知手段と、前記リニアモータの駆動電流を検知する電流検知手段と、前記リニアモータを駆動制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度検知手段による検知温度が安定した状態で、前記リニアモータの駆動周波数を変化させながら前記電流検知手段により検知された前記リニアモータの駆動電流を比較し、最も小さい駆動電流時の駆動周波数にて該リニアモータを駆動制御することを特徴とするスターリング冷凍機にある。
【００１７】
本願発明によれば、温度検知手段によりスターリング冷凍機の安定稼働状態を判断できる。そして、その安定可動状態において制御部がリニアモータの駆動周波数を変更し、その変更によるスターリング冷凍機の駆動電流の変化を把握する。引き続きリニアモータの駆動周波数を変更して電流の変化を把握することを繰り返すことで、最も小さい駆動電流時の駆動周波数、すなわち、最大冷凍能力を引き出す駆動周波数の設定を行うことができる。最大冷凍能力を得る駆動周波数にてリニアモータを駆動することで、単位電気入力当たりの冷凍能力の向上を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。尚、図５と同一構成部分には同一符号を付し、説明を省略する。
図１は、本発明の実施例に係るフリーピストン型スターリング冷凍機１の全体構成を示し、先ず動作原理から説明する。なお共振用バネ３５としてスプリングバネ（コイルバネ）を用いたが、その他の例えば、渦巻きバネ、板バネ、重ね板バネ、竹の子バネ等であって、後述する作用効果を得られるものであればよい。
【００１９】
上記したように、ピストン７はリニアモータ６により駆動され、バネ１２により支持されて正弦運動し、ピストン７の動きにより圧縮空間４内の作動ガス（冷媒ガス）は正弦状の圧力変化を示す。そして、圧縮された作動ガスは放熱部３４Ａで圧縮熱を放出し、ディスプレーサ３２内にある再生器で予冷され膨張室３３に入り、ディスプレーサ３２の動きによる断熱膨張により冷却ヘッド３０の温度は低下する。
【００２０】
膨張室３３内の作動ガスの圧力は、圧縮空間４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３２はピストン７に対しある位相差を持って振動することになる。
膨張室３３での冷凍能力はディスプレーサ３２の振幅に大きく影響を受けるが、ディスプレーサ３２の振幅はピストン７とディスプレーサ３２の位相差にも影響を受ける。
【００２１】
前記位相差は、運転条件が同一であればディスプレーサ３２の質量及び共振用バネ３５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３２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。
ところが、前記したようにバネの製作によるバネ定数のバラツキ、あるいはスターリング冷凍機１の長期間使用によるバネ劣化に伴うバネ定数が変化した場合、本来の設計値とは異なった動作となり冷凍機として異常振動が発生したり、冷凍能力が低下したりする可能性が高い。
【００２２】
図２は、フリーピストン型スターリング冷凍機１の電源（駆動）周波数を変化させた場合の実験結果を示す。これから、電源周波数が３Ｈｚ程度の変化で冷凍能力が１４％程度変化することがわかる。
したがって、電源周波数を変化させることにより、スターリング冷凍機の単位電気入力当たりの冷凍能力の向上を図ることができる。
【００２３】
以下、図１及び図３のフローチャートを参照しつつスターリング冷凍機１の構成及び動作説明を行う。
スターリング冷凍機１を運転させる（ステップＳ１）と、冷却ヘッド３０は温度が低下し、放熱部３４Ａは温度が上昇する。このときスクーリング冷凍機１の冷却ヘッド３０、放熱部３４Ａに取り付けた温度センサー４０Ａ，４０Ｂにて各冷却温度及び放熱温度をそれぞれ検知し（ステップＳ２）、冷却ヘッド３０、放熱部３４Ａの温度が安定した状態であると制御用マイコン４１が判断した場合（ステップＳ３）に、制御用マイコン４１でリニアモータ６の駆動周波数を所定の低周波数（ｆ０）から変化させて、リニアモータ６の入力電流検知部４６によりリニアモータ６の電流を検知していく（ステップＳ４〜ステップＳ７）。
【００２４】
そして、そのリニアモータ６の駆動電流が最小になるように、駆動周波数を電源駆動回路４３で設定する。すなわち、リニアモータ６の駆動電流が前回よりも大きくない場合には、駆動周波数（ｆ）を徐々に高くしながら駆動電流検知を繰り返す（ステップ６、７）。前回よりも駆動電流が大きくなった場合には、前回の駆動周波数が最も駆動電流の少ない駆動周波数（ｆ）となる（ステップＳ８，９）ので、かかる駆動周波数により冷凍機１を共振状態で稼働することにより、省エネ（電力消費）、低騒音、低振動等の最適な状態で冷蔵庫等を稼働できる（ステップＳ１０）。
【００２５】
以上説明したように、冷却ヘッド３０及び放熱部３４Ａに取り付けた温度センサー４０Ａ，４０Ｂとリニアモータ６の入力電流検知部４６とリニアモータ６の電源駆動回路４３を設け、該スクーリング冷凍機１のピストン６の駆動周波数を、ディスプレーサ３２の共振状態に応じた周波数に最適化することで、冷凍機１の単位電気入力当たりの冷凍能力の向上を図ることができる。
【００２６】
次に、第２実施形態について、図４のフローチャートを参照して説明する。
フリーピストン型スターリング冷凍機１では、長期間の運転をした場合、リニアモータ６の振動により共振用バネ３５のバネ定数が変化し、冷凍機としての特性が変化してしまう可能性がある。したがって、冷凍機としては本来の設計値からずれた動作となり、冷却不良や異常振動が発生して、ひいては冷凍機の破損に至る可能性がある。そこで、上記第１実施形態の制御を定期的に繰り返すことにより、冷凍機の性能劣化を防ぐことが可能となる。以下、図４のフローチャートに基づき説明する。
【００２７】
冷凍機１の駆動スタート（ステップＳ１１）後、図示しないタイムインターバル検知用のタイマをクリアさせた（ステップＳ１２）後、該タイマのカウントをスタートさせる。冷凍機１を一定期間運転経過後（経過前は、定常運転（ステップＳ１３））スターリング冷凍機１の冷却ヘッド３０、放熱部３４Ａに取り付けられている温度センサー４０Ａ，４０Ｂにて冷却温度及び放熱温度をそれぞれ検知する（ステップＳ１４、Ｓ１５）。
【００２８】
冷却ヘッド３０、放熱部３４Ａの温度、が安定した状態であると制御用マイコン４１が判断した場合（ステップＳ１６）、その時点の冷凍機１の駆動周波数を所定の低周波数（ｆ0 ）から変化させる運転を開始し（ステップＳ１７）、電流を検知（ステップＳ１８）しながらインバータにより駆動周波数を上げるように変化させていく（ステップＳ１９、Ｓ２０）。すなわち、その電流が最小になるように、駆動周波数を電源駆動回路４３で設定する。
冷凍機１の電流が前回と比較し大きくない場合には、電源周波数（ｆ）を徐々に高くしながら電流の検知を繰り返す（ステップＳ１９、Ｓ２０）。前回よりも電流が大きくなった場合には、前回の駆動周波数が最も電流が小さい駆動周波数（ｆ）となる（ステップＳ２１）ので、かかる駆動周波数により冷凍機１を共振状態で稼働する（ステップＳ２２）ことにより、省エネ（電力消費）、低騒音、低振動等の最適な状態で冷蔵庫等を稼働できる（ステップＳ１０）。
【００２９】
よって、駆動周波数を一定周期毎に調整（最適化）することで、長期間使用によるディスプレーサ３２の共振用バネ３５のバネ定数の変化に対応が可能となり、長期にわたって冷凍機１の単位電気入力当たりの冷凍能力の維持を図ることができる。
【００３０】
なお、前記の実施形態では本発明の好適例を説明したが、本発明はこれに限定されないことはもちろんである。例えば、圧縮機２の駆動源としてリニアモータ６を用いたが、圧縮空間４を圧縮可能な手段であればよい。
また、上記実施形態では、より安定的にスターリング冷凍機１の状態を判断するために、冷却ヘッド３０と放熱部３４Ａに取り付けた温度センサー４０Ａ，４０Ｂによる温度検知をおこなったが、何れか一方により判断してもよいことはいうまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、スターリング冷凍機の駆動電流に基づいて、制御部が最も大きい冷凍能力を得る駆動周波数にてピストンを駆動制御することで、冷凍機の単位電気入力当たりの冷凍能力（出力特性）の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスターリング冷凍機の説明図である。
【図２】スターリング冷凍機１の周波数−出力特性を示す説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るスターリング冷凍機の制御フローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態に係るスターリング冷凍機の制御フローチャートである。
【図５】従来のスターリング冷凍機の説明図である。
【符号の説明】
１スターリング冷凍機
４圧縮空間
６リニアモータ
７ピストン
９Ａガイド部
３０冷却ヘッド
３１シリンダ
３２ディスプレーサ
３３膨張室
３４作動室
３４Ａ放熱部
３５共振用スプリング
４０Ａ，４０Ｂ温度センサー
４１制御用マイコン
４３電源駆動回路
４６入力電流検知部

Claims

作動ガスを封入したシリンダ内をリニアモータによって往復動するピストンと、作動ガスを封入したシリンダ内をバネにより往復動可能に弾性支持されたディスプレーサとを有したフリーピストン型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冷却部、及び／又は、放熱部の温度を検知する温度検知手段と、
前記リニアモータの駆動電流を検知する電流検知手段と、
前記リニアモータを駆動制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記温度検知手段による検知温度が安定した状態で、前記リニアモータの駆動周波数を変化させながら前記電流検知手段により検知された前記リニアモータの駆動電流を比較し、最も小さい駆動電流時の駆動周波数にて該リニアモータを駆動制御することを特徴とするスターリング冷凍機。