JP3865679B2 - スターリング冷凍機 - Google Patents
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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し、特にスターリング冷凍機の制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍機は一般に冷媒の凝縮及び蒸発を利用した蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。しかし、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの冷媒として用いられるフロンは、オゾン層破壊による環境への悪影響が指摘され、近年、使用及び生産が規制されてきている。
【０００３】
このため、フロンを用いた冷凍サイクルに替えて、逆スターリング冷凍サイクルによるスターリング機関を用いたスターリング冷凍機が提案されている。逆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、窒素ガス等の自然媒体を使用するため、環境への悪影響を防止することができる。
【０００４】
スターリング冷凍機は、圧縮空間を介してピストンとディスプレーサとが軸方向に並設され、圧縮空間と再生器を介して連通する膨張空間がディスプレーサの先端に設けられている。ピストンとディスプレーサとが所定の位相差で往復運動することにより、作動媒体が圧縮空間で圧縮されるとともに膨張空間で膨張して膨張空間側を低温にできるようになっている。
【０００５】
ピストンは一般にリニアモータにより駆動される。リニアモータの駆動電圧を増減してピストンのストロークを可変することによって冷凍能力をコントロールすることができる。即ち、リニアモータの駆動電圧を小さくすると、ピストンのストロークが短くなるため冷凍能力が低下する。リニアモータの駆動電圧を大きくすると、ピストンのストロークが長くなり冷凍能力が向上する。
【０００６】
このような関係を利用して、従来、ピストンとディスレーサの駆動用のリニアモータを１台ずつ備え、ピストンとディスプレーサの各変位を測定してそれぞれの中立位置を一定に維持するように、リニアモータへの入力電流を制御していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、駆動コイルへの入力電力に基づいてピストンのストロークを導出し、このストロークに基づいて入力電力をオフセットすることによりピストンの上死点を一定に保ち、圧縮空間の死容積を一定に維持する技術も知られていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平２−２１７７５７号公報
【特許文献２】
特開平１１−３０４２７０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来のスターリング冷凍機によると、運転開始時の低温側の温度が常温に近い状態では、内部ガス圧が定常運転状態に至っていないので、この時に定常状態の駆動電圧をリニアモータに印加すると、ピストンとディスプレーサとの位相がずれて両者が衝突する危険があった。また、冷却負荷が変化してピストンとディスプレーサとの位相がずれたり、冷凍能力を最大に引き出しているときに外部要因（スターリング冷凍機の電源電圧や雰囲気温度）が変化したりしたとき、あるいはスターリング冷凍機の内部要因（組立て誤差や部品精度等の個体差）があるときにも衝突する危険があった。この衝突する危険を回避するために、リニアモータの駆動電圧は理想駆動電圧よりも低く設定せざるを得ず、スターリング冷凍機の冷凍能力を最大限に引き出せないという課題があった。
【００１０】
本発明は、冷凍能力を向上させたスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【００１１】
【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、作動ガスを封入したシリンダ内を往復運動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンを移動させるリニアモータとを具備してなるフリーピストン型の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状況に対応したピストンの目標ストロークを動作テーブルとして記憶し、該動作テーブルに基づいて前記リニアモータを駆動制御する制御手段を備え、前記動作テーブルは、スターリング冷凍機の起動開始からの経過時間を変数とする１次元テーブルであることを特徴としている。
【００１４】
この構成によると、リニアモータを駆動するとピストンとディスプレーサとが所定の位相差で往復運動して作動媒体を圧縮及び膨張して冷凍サイクルが運転される。制御手段は、スターリング冷凍機の運転状況に対応したピストンの目標ストロークを動作テーブルとして記憶しており、該動作テーブルに基づいてピストンのストロークを目標ストロークに設定する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態のスターリング冷凍機を示す断面図である。スターリング冷凍機４０は、軸方向に分割された略円筒形状のシリンダ３内に、円柱形のピストン１及びディスプレーサ２が内嵌されている。ピストン１とディスプレーサ２とは圧縮空間９（以下、「ウォームセクション」という場合がある）を介して同軸に配置されている。
【００２５】
シリンダ３の先端にはディスプレーサ２との間に膨張空間１０（以下、「コールドセクション」という場合がある）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により連通している。媒体流通路１１内には、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再生器１２が配されている。シリンダ３の略中間には鍔部３ａが突設されている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられ、内部を密閉してバウンス空間８が形成されている。
【００２６】
ピストン１は後端でピストン支持バネ５と一体化され、ディスプレーサ２はピストン２の中心孔１ａを貫通するロッド２ａを介してディスプレーサ支持バネ６と一体化されている。ピストン支持バネ５とディスプレーサ支持バネ６とはボルト２２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はその慣性力によってピストン２に対して所定の位相差を有して往復運動を行うようになっている。
【００２７】
バウンス空間８内のシリンダ３には内側ヨーク１８が外嵌されている。内側ヨーク１８には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対峙している。外側ヨーク１７には駆動用コイル１６が内装され、隙間１９には環状の永久磁石１５が移動可能に配されている。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。これにより、駆動用コイル１６に電圧を印加することによってピストン１を軸方向に移動させるリニアモータ１３が構成されている。
【００２８】
駆動用コイル１６には、リード線２０、２１が接続されている。リード線２０、２１は、耐圧容器４の壁面をハーメチックシール端子３７（図２参照）を介して貫通し、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の駆動電源が供給されるようになっている。
【００２９】
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、ディスプレーサ２の慣性力によってピストン１に対して所定の位相差でディスプレーサ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して逆スターリングサイクルが構成される。即ち、作動媒体が圧縮されることによって高温側となる圧縮空間９で発生した熱は媒体流通路１１を介して大気中へ放出され、更に作動媒体は再生器１２に熱を蓄積して膨張空間１０へ移動する。
【００３０】
再生器１２により冷却された作動媒体は低温側となる膨張空間１０で膨張されることによって更に冷える。そして、作動媒体が媒体流通路１１を通じて圧縮空間９へ移動する際に再生器１２に蓄えられた熱によって加熱される。この動作を繰り返して膨張空間１０（コールドセクション）の冷凍が行われるようになっている。
【００３１】
図２は、制御ボックス３０とスターリング冷凍機４０との接続状態を示す図である。スターリング冷凍機４０には膨張空間１０、圧縮空間９、バウンス空間８の温度Ｔｃ、Ｔｈ、Ｔｂをそれぞれ検知する温度センサ３４、３５、３６が取り付けられている。
【００３２】
制御ボックス３０には温度センサ３４、３５、３６の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換するＴｃＡ／Ｄ変換部１０８、ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、ＴｂＡ／Ｄ変換部１１０が設けられている。また、リード線２０、２１を介して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、リニアモータ１３の駆動電圧を出力する。
【００３３】
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。制御ボックス３０には、各種演算等を行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。
【００３４】
また、マイクロコンピュータ１０４には、電源部１０５の入力電圧を検出する電圧センサー（不図示）の検出値をＡ／Ｄ変換して入力する電圧値入力部１０２及びリニアモータ１３の消費電流を検出する電流センサ３３の検出値をＡ／Ｄ変換して入力する電流値入力部１０３が接続されている。更に、制御ボックス３０をリセットするリセット部１０６、ＰＷＭインバーター波形を生成する発振部１０７、書換可能な不揮発性記憶素子（ＥＥＰＲＯＭ）から成ってデータを記憶する記憶部１１１がマイクロコンピュータ１０４に接続されている。
【００３５】
後述するように、電圧値入力部１０２からの入力に応じてマイクロコンピュータ１０４から電源部１０５に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してリニアモータ１３に供給するようになっている。
【００３６】
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。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読出し専用のＲＯＭ１２１、演算の一時記憶を行うＲＡＭ１２２、運転時間等を計時するタイマー１２３、入出力用のＩ／Ｏポート１２５がＣＰＵ１２４に接続される。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の制御が行われる。
【００３７】
リニアモータ１３の駆動を制御する方法として、リニアモータ１３の駆動電圧を検知して目標ストロークに対応した駆動電圧に制御するステップ制御と、ピストン１のストロークを検知して所望のストロークに制御するストローク制御とが考えられる。
【００３８】
ステップ制御は、電圧値入力部１０２から入力された電圧値および電流値入力部１０３から入力された電流値に基づいて算出された、駆動中のリニアモータ１３の駆動電圧と、ピストン１の目標ストロークに対応した駆動電圧とをマイクロコンピュータ１０４により比較して、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力される駆動電圧をステップ状に調整して行われる。
【００３９】
ストローク制御は、マイクロコンピュータ１０４により駆動中のリニアモータ１３の駆動電圧、消費電流、インダクタンス、抵抗成分から演算することによりピストン１のストロークを検出し、記憶部１１１（図３参照）に記憶された目標ストロークと比較して、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力される駆動電圧を目標ストロークに対応した駆動電圧に調整して行われる。
【００４０】
ピストン１のストロークの検出方法を説明するため、図５にリニアモータ１３の等価回路を示す。リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から駆動電圧Ｖｔが与えられると、リニアモータ１３には電流Ｉが流れ、抵抗成分Ｒ及びインダクタンスＬにより電圧降下が生じて逆起電力Ｖｇが発生する。
【００４１】
電流Ｉは駆動電圧Ｖｔに対して位相のずれがあるため、位相差をθとすると、図６のベクトル図に示すように、抵抗成分Ｒ及びインダクタンスＬによる電圧降下はそれぞれＲＩｃｏｓθ、Ｌｓｉｎθ・ｄＩ／ｄｔとなる。従って、逆起電力Ｖｇは下記の式（１）で表される。また、逆起電力ＶｇはストロークＸｐの関数になるため、下記の式（２）によっても表される。
【００４２】
Ｖｇ＝Ｖｔ−ＲＩｃｏｓθ−Ｌｓｉｎθ・ｄＩ／ｄｔ ・・・（１）
Ｖｇ＝ｆ（Ｘｐ） ・・・（２）
【００４３】
図７は駆動電圧Ｖｔと電流Ｉの出力波形を示す図である。位相差θは以下のように求めることができる。即ち、駆動電圧Ｖｔの電圧のピーク位置（位相角９０゜）を位置Ａとして、位置Ａから所定角度、例えば１０゜、２０゜遅れた位置を位置Ｂ（位相角１００゜）、位置Ｃ（位相角１１０゜）とする。また、位置Ａ、Ｂ、Ｃの時の電流ＩをそれぞれＩＡ、ＩＢ、ＩＣとすると、位相差θは以下のようになる。
【００４４】
ＩＡ≧ＩＢ＞ＩＣ の時、θ≦５°
ＩＢ＞ＩＡ≧ＩＣ の時、５°＜θ≦１０°
ＩＢ≧ＩＣ＞ＩＡ の時、１０°＜θ≦１５°
ＩＣ＞ＩＢ＞ＩＡ の時、θ＞１５゜
【００４５】
上記のように、位置Ａ、Ｂ、Ｃの遅れ角度を１０゜にすると５°の分解能で位相差θを判定することが可能となる。遅れ角度をより小さくすれば分解能を高くすることができるとともに、測定ポイント数を増加させるとより広範囲の位相差を測定することが可能となる。
【００４６】
上記式（１）、（２）において、Ｌ、Ｒは既知であり、Ｖｔ、Ｉはそれぞれ電圧値入力部１０２及び電流値入力部１０３から与えられることにより位相差θが求められるので、マイクロコンピュータ１０４によりストロークＸｐを演算することができる。
【００４７】
また、位相差θ≒０の時、上記式（１）は下記の式（３）のように近似することができる。従って、スターリング冷凍機４０の負荷が軽い場合は位相差θ≒０となるため、式（３）を用いてストロークＸｐを求めてもよい。
【００４８】
Ｖｇ＝Ｖｔ−ＲＩ ・・・（３）
【００４９】
しかし、スターリング冷凍機４０の負荷が大きくなると位相差θは大きくなるため、位相差θの影響を完全に無視することはできない。そこで、上記の式（３）において、抵抗成分Ｒにスターリング冷凍機４０の負荷を考慮することが望ましい。スターリング冷凍機４０の負荷は、スターリング冷凍機４０の高温側の温度と低温側の温度との関数により表わすことができる。
【００５０】
高温側の温度として、ウォームセクション９の温度Ｔｈまたはバウンス空間８の温度Ｔｂを用いる。低温側の温度として、コールドセクション１０の温度Ｔｃを用いる。従って、上記の式（３）に替えて下記の式（４）または式（５）を用いることができる。そして、マイクロコンピュータ１０４は、式（４）または式（５）と式（２）との関係からピストン１のストロークＸｐを求めることができる。
【００５１】
Ｖｇ＝Ｖｔ−Ｒ(Ｔｈ、Ｔｃ)Ｉ ・・・（４）
Ｖｇ＝Ｖｔ−Ｒ(Ｔｂ、Ｔｃ)Ｉ ・・・（５）
【００５２】
記憶部１１１（図３参照）にはスターリング冷凍機４０の運転状況に応じたピストン１の目標ストロークが記憶されている。表１は、記憶部１１１に記憶された目標ストロークのテーブルを示している。
【００５３】
【表１】
【００５４】
同表によると、目標ストロークはスターリング冷凍機４０の低温側の温度及び高温側の温度の２次元（マトリックス）テーブルになっており、これらの温度帯に応じて異なる値になっている。
【００５５】
コールドセクション１０の温度Ｔｃは、１０℃〜２０℃、０℃〜１０℃、−１０℃〜０℃、−２０℃〜−１０℃、−３０℃〜−２０℃、の５つの範囲に区分けされている。ウォームセクション９の温度Ｔｈまたはバウンス空間８の温度Ｔｂは、〜３０℃、３０℃〜４０℃、４０℃〜５０℃、５０℃〜６０℃、の４つの範囲に区分けされている。これらの温度範囲や温度の区切りは一例であって上記に限定されるものではない。
【００５６】
図８は、この温度を変数とする目標ストロークのテーブルを参照するプログラムのフローチャートである。まず、ウォームセクション温度ＴｈをＴｈ温度センサ３５・ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９で検知・デジタル変換して測定する（ステップ＃５１）。その温度が、６０℃未満３０℃以上の範囲にあるか確認する（ステップ＃５２，５３）。６０℃以上の場合は５９℃に、３０℃以下の場合は２９℃に整える（ステップ＃５４，５５）。その値を１０で割って小数点以下を切り捨てて整数化し、さらにその値から２を引いて、ＦＴｈを求める（ステップ＃５６）。
【００５７】
次に、Ｔｃの温度をＴｃ温度センサ３４・ＴｈＡ／Ｄ変換部１０８で検知・デジタル変換して測定し、３０を加える（ステップ＃５７）。その温度が、５０℃未満０℃以上の範囲にあるか確認する（ステップ＃５８，５９）。５０℃以上の場合は４９℃に、０℃以下の場合は０℃に整える（ステップ＃６１）。その値を１０で割って小数点以下を切り捨てて整数化し、ＦＴｃを求める（ステップ＃６２）。ＲＯＭ上のテーブルが存在する先頭アドレスＴＡ／Ｄに４（４−ＦＴｃ）とＦＴｈとを加えて、ターゲットアドレスを算出する（ステップ＃６３）。そのアドレスのデータをＡｃとして取り込み（ステップ＃６４） 、目標ストロークとする（ステップ＃６５）。
【００５８】
なお、ウォームセクション温度Ｔｈのかわりに、バウンス空間の温度Ｔｂを用いても同様の効果が得られる。
【００５９】
スターリング冷凍機４０は低温側の温度が低いほど作動媒体のガス圧が安定して駆動されており、同様に高温側の温度が高いほど作動媒体のガス圧が安定して駆動されている。従って、起動直後等の作動媒体のガス圧が不安定なときはリニアモータ１３によりピストン１が小さいストロークで駆動される。これにより、ピストン１とディスプレーサ２との衝突が低減される。そして、起動後の時間経過によって作動媒体のガス圧が安定すると徐々にストロークを大きくして、高い冷凍能力で運転する。
【００６０】
また、起動直後にはストロークを小さくしリニアモータ１３の往復運動の速度を速くしてガス圧を早く安定させるとともに、ストロークを大きくすると往復運動の速度を遅くして行き過ぎによる衝突を回避すると良い。
【００６１】
尚、ピストン１とディスプレーサ２とが所定距離以内に接近した際や衝突の発生を検知した場合には、前述のステップ制御に切り換える。これにより、直前の駆動電圧よりも低い駆動電圧でリニアモータ１３を駆動して衝突を回避した駆動に復帰できるようになっている。
【００６２】
目標ストロークはテーブルから抽出するのではなく演算により求めてもよい。例えば、目標ストロークＸｂを式（６）或いは式（７）のように温度Ｔｃ、Ｔｈの関数により表わすことができる。式（６）または式（７）により目標ストロークを演算すると、よりなめらかにストロークを調整することができるとともに、記憶部１１１のデータ量を削減することができる。
【００６３】
Ｘｂ＝(α1Ｔｃ＋α2)(α3Ｔｈ＋α4) ・・・（６）
Ｘｂ＝(β1Ｔｃ2＋β2Ｔｃ＋β3)(β4Ｔｈ2＋β5Ｔｈ＋β6) ・・・（７）
（α1〜α4，β1〜β6は定数）
【００６４】
次に、本発明の第２の実施形態のスターリング冷凍機について説明する。この実施形態は、後述する衝突検知手段を用いることにより、ストローク制御に加え、ピストン１とディスプレーサ２の衝突による危険な状態の回避が行えるようにしたものである。
【００６５】
上記第１の実施形態において、マイクロコンピュータ１０４はリニアモータ１３の駆動電圧を徐々に上昇させ、ピストン１とディスプレーサ２の衝突の危険があるストローク付近になると、目標ストロークが得られるまでゆっくりと上昇させる。このように駆動電圧を上昇させているときは、ピストン１とディスプレーサ２のストロークのバランスがうまく取れていないため、比較的衝突が起こりやすくなる。したがって、もし衝突が検知されれば、直ちにピストン１のストロークを小さくすることにより、衝突による危険な状態を回避することが必要である。
【００６６】
この場合の衝突を検知する具体的方法について説明する。この方法は、駆動電圧を上昇させれば、リニアモータ１３の消費電流が増加することを利用している。リニアモータ１３の等価回路における駆動電圧Ｖｔと消費電流Ｉの関係を予測演算し、駆動電圧を所定値上昇させたとき、予測演算して得られた消費電流値に数パーセント上乗せした衝突検知電流値Ａを演算記憶する。そして、実際の消費電流値を電流センサ３３により測定し、上記衝突検知電流値Ａと比較する。測定値が衝突検知電流値Ａを越えた場合は衝突と判断し、危険回避を行う。危険回避の具体的方法については後述する。
【００６７】
また、ピストン１の目標ストロークが得られ、一定の駆動電圧でリニアモータ１３を制御しているときは、ピストン１とディスプレーサ２の接近時の間隔が非常に小さくなっているため、負荷や入力電圧の少しの変動でも衝突する危険がある。
【００６８】
この場合の衝突検知の具体的方法について説明する。この方法は、ピストン１とディスプレーサ２が衝突すれば、リニアモータ１３の消費電流が周期的に変動することを利用している。すなわち、ピストン１の運動が目標ストロークに到達し、一定の駆動電圧でリニアモータ１３を制御している場合、通常、消費電流値も一定になるはずであるが、ピストン１とディスプレーサ２の衝突が起こると、衝突のたびに周期的に電流値が大きく変動する。そのとき、衝突と判断できることを利用している。
【００６９】
まず、目標ストロークが得られた時点で、消費電流値を検出して記憶する。そして、その値に数パーセントを掛けて衝突検知電流変動値Ｂを演算記憶する。そして、安定時の電流を０．１秒単位で繰り返し測定・記憶し、１秒毎にその変動値を下記の式で演算する。
変動値＝１秒中の電流の最大値−１秒中の電流の最小値
【００７０】
この変動値と衝突検知電流変動値Ｂと比較する。変動値が衝突検知電流変動値Ｂを越えた場合は、衝突と判断し回避処理を行う。ここで、上記記載の時間０．１秒、１秒は、一例であり、これに限定されるものではない。ちなみに、この衝突検知方法は、駆動電圧Ｖｔが所定電圧を越えている場合に働かせると良い。
【００７１】
上記のように２種類の衝突検知方法を用いて、ピストン１とディスプレーサ２の衝突の検知を行なっている。そして、実際衝突が検知されれば、ストローク制御から、ステップ制御に移行し、ストローク制御でコントロールしていた駆動電圧からステップで減らし、所定電圧低めの駆動電圧でリニアモータ１３を駆動制御することになる。
【００７２】
この減らす駆動電圧のステップ数は、ウォームセクションの温度Ｔｈとコールドセクションの温度Ｔｃによる関数となっており、基本的に、ウォームセクションの温度Ｔｈ、コールドセクションの温度Ｔｃが高くなるとステップ数は大きくなるように設定されている。表２にその一例を示す。
【００７３】
【表２】
【００７４】
なお、ウォームセクション温度Ｔｈの代わりにバウンス空間温度Ｔｂでも代用可能であり、また、ステップ数をＴｈまたはＴｃについての一次関数や二次関数に変換することも可能である。
【００７５】
このようにして衝突を検知すると、ストローク制御からステップ制御に移行し、リニアモータ１３の駆動電圧をステップ数で下げることにより、ピストン１のストロークが瞬時に小さくなり、衝突による危険な状態を回避して安全に駆動制御することが可能となる。
【００７６】
さらに、衝突を検知した場合にストローク制御からステップ制御に移行したが、逆にステップ制御からストローク制御に戻ることが必要になる。これには、時間による方法を取っていて、ステップ制御に移行した時点から所定時間経過後（例えば２０秒後）、ストローク制御に復帰するように設計している。そして、ステップ制御を行なっている間は衝突検知を停止している。
【００７７】
この場合、上記所定時間も負荷の変動にリンクさせることが可能で、ウォームセクションの温度Ｔｈとコールドセクションの温度Ｔｃを変数とする２次元テーブルを利用するとよい。表３にその一例を示す。基本的には、ウォームセクションの温度Ｔｈが高く、コールドセクションの温度Ｔｃが低いと時間が長くなるように設計されている。
【００７８】
【表３】
【００７９】
また、ウォームセクション温度Ｔｈの代わりにバウンス空間温度Ｔｂでも代用可能であり、また、衝突検知の停止時間（上記所定時間）をウォームセクション温度Ｔｈまたはコールドセクション温度Ｔｃについての一次関数や二次関数に変換することも可能である。
【００８０】
次に、本発明の第３の実施形態のスターリング冷凍機について説明する。本実施形態は、スターリング冷凍機４０の組立誤差や部品精度等の寸法に応じてマイクロコンピュータ１０４により目標ストロークを補正するようになっている。
【００８１】
また、スターリング冷凍機４０の組立誤差や部品精度によってピストン１とディスプレーサ２との間隔等の寸法に個体差が生じる。この時、全製品のスターリング冷凍機４０を表１と同じテーブルの目標ストロークを用いてストローク制御を行うと、ピストン１とディスプレーサ２との衝突が発生する場合がある。
【００８２】
このため、記憶部１１１には目標ストロークを補正する補正データが格納されている。例えば、記憶部１１１にはピストン１とディスプレーサ２との間隔に対応した係数ｋ1のテーブルが記憶される。製造工程では、スターリング冷凍機４０の各個体に対してのピストン１とディスプレーサ２との間隔を計測し記憶部１１１に格納する。したがって、スターリング冷凍機４０の各個体に対応する係数ｋ1がテーブルから定まることになる。
【００８３】
スターリング冷凍機４０の駆動時にマイクロコンピュータ１０４によって、記憶部１１１に格納された表１から目標ストロークＸｂが、ピストン１とディスプレーサ２との間隔に応じた係数ｋ1のテーブルから係数ｋ1がそれぞれ読出され、式（８）に示すように目標ストロークＸｂが補正される。そして、補正された目標ストロークＸｂ’を基にストローク制御が行われるようになっている。
【００８４】
Ｘｂ’＝ｋ1Ｘｂ ・・・（８）
【００８５】
スターリング冷凍機４０に供給される電圧が変動すると、電源部１０５の出力電圧も変動する。これにより、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１からリニアモータ１３に出力される駆動電圧が目標ストロークに対応しない電圧になる場合がある。このため、記憶部１１１には電源部１０５の出力電圧を補正する補正データが格納されている。例えば、記憶部１１１には電源部１０５の入力電圧に対応した係数ｋ2のテーブルが記憶される。
【００８６】
スターリング冷凍機４０の駆動時にマイクロコンピュータ１０４によって表１の目標ストロークが読出され、該目標ストロークに応じた駆動電圧が求められる。同時に記憶部１１１から電源部１０５の入力電圧に応じた係数ｋ2が読出され、式（９）に示すように電源部１０５の出力電圧Ｖｂが補正される。そして、補正された出力電圧Ｖｂ’がリニアモータ駆動用電源出力部１０１に供給され、目標ストロークに対応した駆動電圧がリニアモータ１３に供給されるようになっている。
【００８７】
Ｖｂ’＝ｋ2Ｖｂ ・・・（９）
【００８８】
また、リニアモータ１３の消費電流Ｉが変動すると、インダクタンスＬ及び抵抗成分Ｒ（図５参照）の電圧降下の変化によりリニアモータ１３に加わる電圧が変動する。これにより、所望のストロークが得られない場合がある。このため、記憶部１１１にはリニアモータ１３の駆動電圧を補正する補正データが格納されている。例えば、記憶部１１１には消費電流に対応した係数ｋ3のテーブルが記憶される。
【００８９】
スターリング冷凍機４０の駆動時にマイクロコンピュータ１０４によって表１の目標ストロークが読出され、目標ストロークに応じた駆動電圧Ｖｃが求められる。同時に電流入力部１０３の入力に基づいて記憶部１１１から係数ｋ3が読出され、式（１０）に示すように駆動電圧Ｖｃが補正される。そして、補正された駆動電圧Ｖｃ’によりリニアモータ１３が駆動されるようになっている。
【００９０】
Ｖｃ’＝ｋ3Ｖｃ ・・・（１０）
【００９１】
上記の係数ｋ1、ｋ2、ｋ3はテーブルとして複数の値が格納されるが、係数ｋ1、ｋ2、ｋ3を演算により求める式を記憶部１１１またはＲＯＭ１２１に格納してもよい。
【００９２】
上記構成のスターリング冷凍機４０の動作を図９のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップ＃１０ではコールドセクションの温度Ｔｃ及びウォームセクションの温度Ｔｈを温度センサ３４、３５により検知し、ＴｃＡ／Ｄ変換部１０８及びＴｈＡ／Ｄ変換部１０９を介してマイクロコンピュータ１０４に送信する。
【００９３】
ステップ＃１１では、マイクロコンピュータ１０４によって記憶部１１１に記憶された目標ストロークのテーブルから、温度Ｔｃ、Ｔｈに対応する目標ストロークＸｂを抽出する。ステップ＃１２では、記憶部１１１に記憶された補正係数のテーブルから、ピストン１とディスプレーサ２との間隔に応じた補正係数ｋ1を抽出する。ステップ＃１３では、目標ストロークを式（８）に基づいて補正し、目標の目標ストロークＸｂ’を得る。
【００９４】
ステップ＃１４ではスターリング冷凍機４０の入力電圧（電源部１０５の入力電圧）を検出する。ステップ＃１５では記憶部１１１に記憶された補正係数ｋ2のテーブルから、入力電圧に対応した補正係数ｋ2を抽出する。ステップ＃１６では、電源部１０５の出力電圧を式（９）に基づいて補正し、安定した出力電圧Ｖｂ’を得る。
【００９５】
ステップ＃１７では目標ストロークで駆動するための駆動電圧Ｖｃをマイクロコンピュータ１０４により演算する。ステップ＃１８ではリニアモータ１３の消費電流Ｉを電流センサ３３で検知し、電流値入力部１０３を介してマイクロコンピュータ１０４に入力する。
【００９６】
ステップ＃１９では、記憶部１１１に記憶された補正係数ｋ3のテーブルから、消費電流Ｉに対応した補正係数ｋ3を抽出する。ステップ＃２０では、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力する駆動電圧を式（１０）に基づいて補正し、目標ストロークに狂いが生じない駆動電圧Ｖｃ’を得る。
【００９７】
ステップ＃２１ではリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から駆動電圧Ｖｃ’を出力してリニアモータ１３に印加する。ステップ＃２２では、上記式（１）（２）に基づいてピストン１のストロークＸｐを検出する。ステップ＃２３では検出したストロークＸｐが目標ストロークＸｂ’に一致しているかを判別する。
【００９８】
ストロークＸｐと目標ストロークＸｂ’とが一致していない場合は、ステップ＃１４〜＃２３を繰り返し、検出したストロークＸｐに基づいて駆動電圧Ｖｃを再度演算する（ステップ＃１７）。ストロークＸｐと目標ストロークＸｂ’とが一致すると、ステップ＃１０に戻り、スターリング冷凍機４０の運転状況の変化に対応して目標ストロークを調整する動作が繰り返し行われる。
【００９９】
本実施形態によると、ピストン１のストロークを検出して目標ストロークに制御するところのストローク制御を行うことにより、ピストン１とディスプレーサ２との衝突を回避するとともに、スターリング冷凍機４０の冷凍能力を向上させることができる。
【０１００】
また、記憶部１１１にスターリング冷凍機４０の運転状況に応じた目標ストロークのテーブルが記憶されるので、運転状況に応じた目標ストロークでリニアモータ１３を駆動することができる。従って、ピストン１とディスプレーサ２との衝突を回避するとともに、スターリング冷凍機４０の冷凍能力をより向上させることができる。
【０１０１】
また、記憶部１１１をマイクロコンピュータ１０４内臓のＲＯＭ１２１とは別に設けているため、マイクロコンピュータ１０４の負荷を軽減するとともに、大容量のデータを格納することができる。これにより、種々の運転状況に応じた目標ストロークを記憶してきめ細かい制御を行うことができる。
【０１０２】
更に、スターリング冷凍機４０の組立誤差や部品精度等による寸法バラツキに応じて目標ストロークを補正するので、スターリング冷凍機４０の個体差によるピストン１とディスプレーサ２との衝突を回避することができる。
【０１０３】
加えて、スターリング冷凍機４０に供給される電圧の変動やリニアモータ１３の消費電流の変動に応じてマイクロコンピュータ１０４により電源部１０５の出力電圧或いはリニアモータ１３の駆動電圧を補正するので、より安定した目標ストロークでリニアモータ１３を駆動できる。
【０１０４】
次に、第４の実施形態のスターリング冷凍機について説明する。本実施形態の構成は前述の図１〜図９に示す第１〜第３実施形態と同様であり、表４に示すように、記憶部１１１に記憶された目標ストロークのテーブルが異なっている。
【０１０５】
【表４】
【０１０６】
同表によると、目標ストロークは、スターリング冷凍機４０の起動後の時間経過を変数とする１次元（リニア）テーブルとなっており、時間経過に従って増加している。時間経過はタイマー１２３（図４参照）により計測し、経過時間に対応した目標ストロークになるようにピストン１のストロークが調整される。前述の図９に示すフローチャートのステップ＃１０において、タイマー１２３によって起動後の時間を検出することにより第１実施形態と同様に制御することができる。
【０１０７】
これにより、起動直後の不安定な時期は、目標ストロークを小さくしてピストン１とディスプレーサ２との衝突を回避するとともに、安定状態になるほど目標ストロークを大きくして冷却能力を高くできるようになっている。尚、起動直後は経過時間によって表４に示すテーブルから目標ストロークを抽出し、所定時間経過後（例えば１２０秒後）に、低温側と高温側の温度によって表１に示すテーブルから目標ストロークを抽出するとよりきめ細かい制御が可能になる。
【０１０８】
次に本発明の第５の実施形態について説明する。図１０は、第５の実施形態のスターリング冷凍機の動作を示すフローチャートである。本実施形態は、スターリング冷凍機４０の入力電圧Ｖ及びリニアモータ１３の消費電流Ｉに基づいて目標ストロークのテーブル（表１参照）を補正して作成し、このテーブルを随時更新するようになっている。
【０１０９】
まず、ステップ＃３０ではスターリング冷凍機４０の入力電圧Ｖを検出する。ステップ＃３１ではリニアモータ１３の消費電流Ｉを電流センサ３３で検知し、電流値入力部１０３を介してマイクロコンピュータ１０４に入力する。ステップ＃３２では、記憶部１１１に格納された表５に示す補正テーブルから、入力電圧Ｖ及び消費電流Ｉに基づいて基準時の目標ストロークＸｂ’（Ｉm、Ｖn）を抽出する。表５において、列方向には入力電圧Ｖに応じて４段階に区分けされ、行方向には消費電流Ｉに応じて４段階に区分けされている。例えば、Ｉ＝Ｉ4、Ｖ＝Ｖ4であったとすると、抽出される基準時の目標ストロークＸｂ’（Ｉ4、Ｖ4）は、５．７ｍｍとなる。
【０１１０】
【表５】
【０１１１】
基準時の目標ストロークＸｂ’（Ｉ、Ｖ）は、例えばコールドセクションの温度Ｔｃが−１５℃、ウォームセクションの温度Ｔｈが４５℃のときの目標ストロークＸｂ’（Ｉ、Ｖ）が記憶されている。
【０１１２】
スターリング冷凍機４０の入力電圧Ｖ及びリニアモータ１３の消費電流Ｉが変動すると、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１（図３参照）から所定の目標ストロークＸｂに応じた駆動電圧を出力してもピストン１が目標ストロークＸｂで駆動されない。そのため、入力電圧Ｖ及び消費電流Ｉに応じて目標ストロークＸｂの補正が必要となる。
【０１１３】
ステップ＃３３では、基準時の目標ストロークＸｂ’（Ｉ、Ｖ）に基づいて、前述の表１と同様の目標ストロークＸｂ’のテーブルが作成され、記憶部１１１に記憶される。すなわち、表１におけるＴｃ＝−１５℃、Ｔｈ＝４５℃での目標ストロークの値が６．０ｍｍから５．７ｍｍに補正されるため、表６のようなテーブルが作成されることになる。表６では、表１に示す目標ストロークＸｂに対して各条件下の目標ストロークＸｂ’が同じ比率（９５％）になっている。
【０１１４】
【表６】
【０１１５】
ステップ＃３４ではコールドセクションの温度Ｔｃ及びウォームセクションの温度Ｔｈを温度センサ３４、３５により検知し、ＴｃＡ／Ｄ変換部１０８及びＴｈＡ／Ｄ変換部１０９を介してマイクロコンピュータ１０４に入力する。ステップ＃３５では、マイクロコンピュータ１０４によって記憶部１１１に記憶された目標ストロークＸｂ’のテーブル（表６参照）から、温度Ｔｃ、Ｔｈに対応する目標ストロークＸｂ’を抽出する。
【０１１６】
ステップ＃３６では、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力する駆動電圧Ｖｃを目標ストロークＸｂ’に基づいて演算する。ステップ＃３７ではリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から駆動電圧Ｖｃを出力してリニアモータ１３に印加する。ステップ＃３８では、上記式（１）（２）に基づいてピストン１のストロークＸｐを検出する。
【０１１７】
ステップ＃３９では、マイクロコンピュータ１０４によって記憶部１１１に記憶された目標ストロークＸｂのテーブル（表１参照）から、温度Ｔｃ、Ｔｈに対応する目標ストロークＸｂを抽出する。ステップ＃４０では検出したストロークＸｐが目標ストロークＸｂに一致しているかを判別する。
【０１１８】
ストロークＸｐと目標ストロークＸｂとが一致していない場合は、ステップ＃３６〜＃４０を繰り返し、検出したストロークＸｐに基づいて駆動電圧Ｖｃを再度演算してリニアモータ１３を駆動する。ストロークＸｐと目標ストロークＸｂとが一致するとステップ＃３０に戻り、スターリング冷凍機４０の運転状況の変化に対応して目標ストロークＸｂ’のテーブルを書換えて同じ動作が繰り返し行われる。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明によると、ピストンのストロークを検出して目標ストロークに制御するストローク制御を行うことにより、ピストンとディスプレーサとの衝突を回避するとともに、スターリング冷凍機の冷凍能力を向上させることができる。また、記憶部にスターリング冷凍機の運転状況に応じた目標ストロークが記憶されるので、運転状況に応じた目標ストロークでリニアモータを駆動することができる。従って、ピストンとディスプレーサとの衝突を回避するとともに、スターリング冷凍機の冷凍能力をより向上させることができる。
【０１２０】
また、記憶部をマイクロコンピュータ内臓のＲＯＭ等とは別に設けているためマイクロコンピュータの負荷を軽減することができるとともに、大容量のデータを格納することができる。これにより、種々の運転状況に応じた目標ストロークを記憶してきめ細かい制御を行うことができる。
【０１２１】
また、本発明によると、スターリング冷凍機の起動後の時間に応じた目標ストロークや、スターリング冷凍機の低温側及び高温側の温度に応じた目標ストロークを記憶するので、例えば、起動直後の作動媒体のガス圧が不安定なときはリニアモータを小さいストロークで駆動し、起動後の時間経過によって作動媒体のガス圧が安定すると徐々にストロークを大きくすることができる。従って、スターリング冷凍機起動時におけるピストンとディスプレーサとの衝突が低減されるとともに、高い冷凍能力で運転することができる。
【０１２２】
また、本発明によると、スターリング冷凍機の寸法バラツキに基づいて目標ストロークを補正する補正データを記憶部に記憶するので、スターリング冷凍機の個体差によるピストンとディスプレーサとの衝突を回避することができる。
【０１２３】
また、本発明によると、スターリング冷凍機の入力電圧や、リニアモータの消費電流に基づいてリニアモータの駆動電圧を補正するので、より安定した目標ストロークでのピストン駆動を実現できる。
【０１２４】
また、本発明によると、スターリング冷凍機の入力電圧や、リニアモータの消費電流に基づいてリニアモータの駆動電圧を補正する補正データを書換えるので、より高精度に目標ストロークでのピストン駆動を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機を示す断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機の接続状態を示す図である。
【図３】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機の制御ボックスの構成を示すブロック図である。
【図４】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機のマイクロコンピュータの構成を示すブロック図である。
【図５】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機のリニアモータの等価回路図である。
【図６】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機のリニアモータの入力電圧Ｖｔと逆起電力Ｖｇの関係を示すベクトル図である。
【図７】 本発明の第１の実施形態の駆動電圧と電流の出力波形を示す図である。
【図８】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機のストローク制御のプログラムの一例を示すフローチャートである。
【図９】 本発明の第３の実施形態のスターリング冷凍機の動作を示すフローチャートである。
【図１０】 本発明の第５の実施形態のスターリング冷凍機の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ピストン
２ ディスプレーサ
３ シリンダ
８ バウンス空間（背圧空間）
９ 圧縮空間（ウォームセクション）
１０ 膨張空間（コールドセクション）
１２ 再生器
１３ リニアモータ
３０ 制御ボックス
３３ 電流センサ
３４ Ｔｃ温度センサ
３５ Ｔｈ温度センサ
３６ Ｔｂ温度センサ
【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し、特にスターリング冷凍機の制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍機は一般に冷媒の凝縮及び蒸発を利用した蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。しかし、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの冷媒として用いられるフロンは、オゾン層破壊による環境への悪影響が指摘され、近年、使用及び生産が規制されてきている。
【０００３】
このため、フロンを用いた冷凍サイクルに替えて、逆スターリング冷凍サイクルによるスターリング機関を用いたスターリング冷凍機が提案されている。逆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、窒素ガス等の自然媒体を使用するため、環境への悪影響を防止することができる。
【０００４】
スターリング冷凍機は、圧縮空間を介してピストンとディスプレーサとが軸方向に並設され、圧縮空間と再生器を介して連通する膨張空間がディスプレーサの先端に設けられている。ピストンとディスプレーサとが所定の位相差で往復運動することにより、作動媒体が圧縮空間で圧縮されるとともに膨張空間で膨張して膨張空間側を低温にできるようになっている。
【０００５】
ピストンは一般にリニアモータにより駆動される。リニアモータの駆動電圧を増減してピストンのストロークを可変することによって冷凍能力をコントロールすることができる。即ち、リニアモータの駆動電圧を小さくすると、ピストンのストロークが短くなるため冷凍能力が低下する。リニアモータの駆動電圧を大きくすると、ピストンのストロークが長くなり冷凍能力が向上する。
【０００６】
このような関係を利用して、従来、ピストンとディスレーサの駆動用のリニアモータを１台ずつ備え、ピストンとディスプレーサの各変位を測定してそれぞれの中立位置を一定に維持するように、リニアモータへの入力電流を制御していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、駆動コイルへの入力電力に基づいてピストンのストロークを導出し、このストロークに基づいて入力電力をオフセットすることによりピストンの上死点を一定に保ち、圧縮空間の死容積を一定に維持する技術も知られていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平２−２１７７５７号公報
【特許文献２】
特開平１１−３０４２７０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来のスターリング冷凍機によると、運転開始時の低温側の温度が常温に近い状態では、内部ガス圧が定常運転状態に至っていないので、この時に定常状態の駆動電圧をリニアモータに印加すると、ピストンとディスプレーサとの位相がずれて両者が衝突する危険があった。また、冷却負荷が変化してピストンとディスプレーサとの位相がずれたり、冷凍能力を最大に引き出しているときに外部要因（スターリング冷凍機の電源電圧や雰囲気温度）が変化したりしたとき、あるいはスターリング冷凍機の内部要因（組立て誤差や部品精度等の個体差）があるときにも衝突する危険があった。この衝突する危険を回避するために、リニアモータの駆動電圧は理想駆動電圧よりも低く設定せざるを得ず、スターリング冷凍機の冷凍能力を最大限に引き出せないという課題があった。
【００１０】
本発明は、冷凍能力を向上させたスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【００１１】
【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、作動ガスを封入したシリンダ内を往復運動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンを移動させるリニアモータとを具備してなるフリーピストン型の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状況に対応したピストンの目標ストロークを動作テーブルとして記憶し、該動作テーブルに基づいて前記リニアモータを駆動制御する制御手段を備え、前記動作テーブルは、スターリング冷凍機の起動開始からの経過時間を変数とする１次元テーブルであることを特徴としている。
【００１４】
この構成によると、リニアモータを駆動するとピストンとディスプレーサとが所定の位相差で往復運動して作動媒体を圧縮及び膨張して冷凍サイクルが運転される。制御手段は、スターリング冷凍機の運転状況に対応したピストンの目標ストロークを動作テーブルとして記憶しており、該動作テーブルに基づいてピストンのストロークを目標ストロークに設定する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態のスターリング冷凍機を示す断面図である。スターリング冷凍機４０は、軸方向に分割された略円筒形状のシリンダ３内に、円柱形のピストン１及びディスプレーサ２が内嵌されている。ピストン１とディスプレーサ２とは圧縮空間９（以下、「ウォームセクション」という場合がある）を介して同軸に配置されている。
【００２５】
シリンダ３の先端にはディスプレーサ２との間に膨張空間１０（以下、「コールドセクション」という場合がある）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により連通している。媒体流通路１１内には、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再生器１２が配されている。シリンダ３の略中間には鍔部３ａが突設されている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられ、内部を密閉してバウンス空間８が形成されている。
【００２６】
ピストン１は後端でピストン支持バネ５と一体化され、ディスプレーサ２はピストン２の中心孔１ａを貫通するロッド２ａを介してディスプレーサ支持バネ６と一体化されている。ピストン支持バネ５とディスプレーサ支持バネ６とはボルト２２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はその慣性力によってピストン２に対して所定の位相差を有して往復運動を行うようになっている。
【００２７】
バウンス空間８内のシリンダ３には内側ヨーク１８が外嵌されている。内側ヨーク１８には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対峙している。外側ヨーク１７には駆動用コイル１６が内装され、隙間１９には環状の永久磁石１５が移動可能に配されている。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。これにより、駆動用コイル１６に電圧を印加することによってピストン１を軸方向に移動させるリニアモータ１３が構成されている。
【００２８】
駆動用コイル１６には、リード線２０、２１が接続されている。リード線２０、２１は、耐圧容器４の壁面をハーメチックシール端子３７（図２参照）を介して貫通し、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の駆動電源が供給されるようになっている。
【００２９】
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、ディスプレーサ２の慣性力によってピストン１に対して所定の位相差でディスプレーサ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して逆スターリングサイクルが構成される。即ち、作動媒体が圧縮されることによって高温側となる圧縮空間９で発生した熱は媒体流通路１１を介して大気中へ放出され、更に作動媒体は再生器１２に熱を蓄積して膨張空間１０へ移動する。
【００３０】
再生器１２により冷却された作動媒体は低温側となる膨張空間１０で膨張されることによって更に冷える。そして、作動媒体が媒体流通路１１を通じて圧縮空間９へ移動する際に再生器１２に蓄えられた熱によって加熱される。この動作を繰り返して膨張空間１０（コールドセクション）の冷凍が行われるようになっている。
【００３１】
図２は、制御ボックス３０とスターリング冷凍機４０との接続状態を示す図である。スターリング冷凍機４０には膨張空間１０、圧縮空間９、バウンス空間８の温度Ｔｃ、Ｔｈ、Ｔｂをそれぞれ検知する温度センサ３４、３５、３６が取り付けられている。
【００３２】
制御ボックス３０には温度センサ３４、３５、３６の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換するＴｃＡ／Ｄ変換部１０８、ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、ＴｂＡ／Ｄ変換部１１０が設けられている。また、リード線２０、２１を介して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、リニアモータ１３の駆動電圧を出力する。
【００３３】
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。制御ボックス３０には、各種演算等を行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。
【００３４】
また、マイクロコンピュータ１０４には、電源部１０５の入力電圧を検出する電圧センサー（不図示）の検出値をＡ／Ｄ変換して入力する電圧値入力部１０２及びリニアモータ１３の消費電流を検出する電流センサ３３の検出値をＡ／Ｄ変換して入力する電流値入力部１０３が接続されている。更に、制御ボックス３０をリセットするリセット部１０６、ＰＷＭインバーター波形を生成する発振部１０７、書換可能な不揮発性記憶素子（ＥＥＰＲＯＭ）から成ってデータを記憶する記憶部１１１がマイクロコンピュータ１０４に接続されている。
【００３５】
後述するように、電圧値入力部１０２からの入力に応じてマイクロコンピュータ１０４から電源部１０５に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してリニアモータ１３に供給するようになっている。
【００３６】
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。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読出し専用のＲＯＭ１２１、演算の一時記憶を行うＲＡＭ１２２、運転時間等を計時するタイマー１２３、入出力用のＩ／Ｏポート１２５がＣＰＵ１２４に接続される。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の制御が行われる。
【００３７】
リニアモータ１３の駆動を制御する方法として、リニアモータ１３の駆動電圧を検知して目標ストロークに対応した駆動電圧に制御するステップ制御と、ピストン１のストロークを検知して所望のストロークに制御するストローク制御とが考えられる。
【００３８】
ステップ制御は、電圧値入力部１０２から入力された電圧値および電流値入力部１０３から入力された電流値に基づいて算出された、駆動中のリニアモータ１３の駆動電圧と、ピストン１の目標ストロークに対応した駆動電圧とをマイクロコンピュータ１０４により比較して、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力される駆動電圧をステップ状に調整して行われる。
【００３９】
ストローク制御は、マイクロコンピュータ１０４により駆動中のリニアモータ１３の駆動電圧、消費電流、インダクタンス、抵抗成分から演算することによりピストン１のストロークを検出し、記憶部１１１（図３参照）に記憶された目標ストロークと比較して、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力される駆動電圧を目標ストロークに対応した駆動電圧に調整して行われる。
【００４０】
ピストン１のストロークの検出方法を説明するため、図５にリニアモータ１３の等価回路を示す。リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から駆動電圧Ｖｔが与えられると、リニアモータ１３には電流Ｉが流れ、抵抗成分Ｒ及びインダクタンスＬにより電圧降下が生じて逆起電力Ｖｇが発生する。
【００４１】
電流Ｉは駆動電圧Ｖｔに対して位相のずれがあるため、位相差をθとすると、図６のベクトル図に示すように、抵抗成分Ｒ及びインダクタンスＬによる電圧降下はそれぞれＲＩｃｏｓθ、Ｌｓｉｎθ・ｄＩ／ｄｔとなる。従って、逆起電力Ｖｇは下記の式（１）で表される。また、逆起電力ＶｇはストロークＸｐの関数になるため、下記の式（２）によっても表される。
【００４２】
Ｖｇ＝Ｖｔ−ＲＩｃｏｓθ−Ｌｓｉｎθ・ｄＩ／ｄｔ ・・・（１）
Ｖｇ＝ｆ（Ｘｐ） ・・・（２）
【００４３】
図７は駆動電圧Ｖｔと電流Ｉの出力波形を示す図である。位相差θは以下のように求めることができる。即ち、駆動電圧Ｖｔの電圧のピーク位置（位相角９０゜）を位置Ａとして、位置Ａから所定角度、例えば１０゜、２０゜遅れた位置を位置Ｂ（位相角１００゜）、位置Ｃ（位相角１１０゜）とする。また、位置Ａ、Ｂ、Ｃの時の電流ＩをそれぞれＩＡ、ＩＢ、ＩＣとすると、位相差θは以下のようになる。
【００４４】
ＩＡ≧ＩＢ＞ＩＣ の時、θ≦５°
ＩＢ＞ＩＡ≧ＩＣ の時、５°＜θ≦１０°
ＩＢ≧ＩＣ＞ＩＡ の時、１０°＜θ≦１５°
ＩＣ＞ＩＢ＞ＩＡ の時、θ＞１５゜
【００４５】
上記のように、位置Ａ、Ｂ、Ｃの遅れ角度を１０゜にすると５°の分解能で位相差θを判定することが可能となる。遅れ角度をより小さくすれば分解能を高くすることができるとともに、測定ポイント数を増加させるとより広範囲の位相差を測定することが可能となる。
【００４６】
上記式（１）、（２）において、Ｌ、Ｒは既知であり、Ｖｔ、Ｉはそれぞれ電圧値入力部１０２及び電流値入力部１０３から与えられることにより位相差θが求められるので、マイクロコンピュータ１０４によりストロークＸｐを演算することができる。
【００４７】
また、位相差θ≒０の時、上記式（１）は下記の式（３）のように近似することができる。従って、スターリング冷凍機４０の負荷が軽い場合は位相差θ≒０となるため、式（３）を用いてストロークＸｐを求めてもよい。
【００４８】
Ｖｇ＝Ｖｔ−ＲＩ ・・・（３）
【００４９】
しかし、スターリング冷凍機４０の負荷が大きくなると位相差θは大きくなるため、位相差θの影響を完全に無視することはできない。そこで、上記の式（３）において、抵抗成分Ｒにスターリング冷凍機４０の負荷を考慮することが望ましい。スターリング冷凍機４０の負荷は、スターリング冷凍機４０の高温側の温度と低温側の温度との関数により表わすことができる。
【００５０】
高温側の温度として、ウォームセクション９の温度Ｔｈまたはバウンス空間８の温度Ｔｂを用いる。低温側の温度として、コールドセクション１０の温度Ｔｃを用いる。従って、上記の式（３）に替えて下記の式（４）または式（５）を用いることができる。そして、マイクロコンピュータ１０４は、式（４）または式（５）と式（２）との関係からピストン１のストロークＸｐを求めることができる。
【００５１】
Ｖｇ＝Ｖｔ−Ｒ(Ｔｈ、Ｔｃ)Ｉ ・・・（４）
Ｖｇ＝Ｖｔ−Ｒ(Ｔｂ、Ｔｃ)Ｉ ・・・（５）
【００５２】
記憶部１１１（図３参照）にはスターリング冷凍機４０の運転状況に応じたピストン１の目標ストロークが記憶されている。表１は、記憶部１１１に記憶された目標ストロークのテーブルを示している。
【００５３】
【表１】
同表によると、目標ストロークはスターリング冷凍機４０の低温側の温度及び高温側の温度の２次元（マトリックス）テーブルになっており、これらの温度帯に応じて異なる値になっている。
【００５５】
コールドセクション１０の温度Ｔｃは、１０℃〜２０℃、０℃〜１０℃、−１０℃〜０℃、−２０℃〜−１０℃、−３０℃〜−２０℃、の５つの範囲に区分けされている。ウォームセクション９の温度Ｔｈまたはバウンス空間８の温度Ｔｂは、〜３０℃、３０℃〜４０℃、４０℃〜５０℃、５０℃〜６０℃、の４つの範囲に区分けされている。これらの温度範囲や温度の区切りは一例であって上記に限定されるものではない。
【００５６】
図８は、この温度を変数とする目標ストロークのテーブルを参照するプログラムのフローチャートである。まず、ウォームセクション温度ＴｈをＴｈ温度センサ３５・ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９で検知・デジタル変換して測定する（ステップ＃５１）。その温度が、６０℃未満３０℃以上の範囲にあるか確認する（ステップ＃５２，５３）。６０℃以上の場合は５９℃に、３０℃以下の場合は２９℃に整える（ステップ＃５４，５５）。その値を１０で割って小数点以下を切り捨てて整数化し、さらにその値から２を引いて、ＦＴｈを求める（ステップ＃５６）。
【００５７】
次に、Ｔｃの温度をＴｃ温度センサ３４・ＴｈＡ／Ｄ変換部１０８で検知・デジタル変換して測定し、３０を加える（ステップ＃５７）。その温度が、５０℃未満０℃以上の範囲にあるか確認する（ステップ＃５８，５９）。５０℃以上の場合は４９℃に、０℃以下の場合は０℃に整える（ステップ＃６１）。その値を１０で割って小数点以下を切り捨てて整数化し、ＦＴｃを求める（ステップ＃６２）。ＲＯＭ上のテーブルが存在する先頭アドレスＴＡ／Ｄに４（４−ＦＴｃ）とＦＴｈとを加えて、ターゲットアドレスを算出する（ステップ＃６３）。そのアドレスのデータをＡｃとして取り込み（ステップ＃６４） 、目標ストロークとする（ステップ＃６５）。
【００５８】
なお、ウォームセクション温度Ｔｈのかわりに、バウンス空間の温度Ｔｂを用いても同様の効果が得られる。
【００５９】
スターリング冷凍機４０は低温側の温度が低いほど作動媒体のガス圧が安定して駆動されており、同様に高温側の温度が高いほど作動媒体のガス圧が安定して駆動されている。従って、起動直後等の作動媒体のガス圧が不安定なときはリニアモータ１３によりピストン１が小さいストロークで駆動される。これにより、ピストン１とディスプレーサ２との衝突が低減される。そして、起動後の時間経過によって作動媒体のガス圧が安定すると徐々にストロークを大きくして、高い冷凍能力で運転する。
【００６０】
また、起動直後にはストロークを小さくしリニアモータ１３の往復運動の速度を速くしてガス圧を早く安定させるとともに、ストロークを大きくすると往復運動の速度を遅くして行き過ぎによる衝突を回避すると良い。
【００６１】
尚、ピストン１とディスプレーサ２とが所定距離以内に接近した際や衝突の発生を検知した場合には、前述のステップ制御に切り換える。これにより、直前の駆動電圧よりも低い駆動電圧でリニアモータ１３を駆動して衝突を回避した駆動に復帰できるようになっている。
【００６２】
目標ストロークはテーブルから抽出するのではなく演算により求めてもよい。例えば、目標ストロークＸｂを式（６）或いは式（７）のように温度Ｔｃ、Ｔｈの関数により表わすことができる。式（６）または式（７）により目標ストロークを演算すると、よりなめらかにストロークを調整することができるとともに、記憶部１１１のデータ量を削減することができる。
【００６３】
Ｘｂ＝(α1Ｔｃ＋α2)(α3Ｔｈ＋α4) ・・・（６）
Ｘｂ＝(β1Ｔｃ2＋β2Ｔｃ＋β3)(β4Ｔｈ2＋β5Ｔｈ＋β6) ・・・（７）
（α1〜α4，β1〜β6は定数）
【００６４】
次に、本発明の第２の実施形態のスターリング冷凍機について説明する。この実施形態は、後述する衝突検知手段を用いることにより、ストローク制御に加え、ピストン１とディスプレーサ２の衝突による危険な状態の回避が行えるようにしたものである。
【００６５】
上記第１の実施形態において、マイクロコンピュータ１０４はリニアモータ１３の駆動電圧を徐々に上昇させ、ピストン１とディスプレーサ２の衝突の危険があるストローク付近になると、目標ストロークが得られるまでゆっくりと上昇させる。このように駆動電圧を上昇させているときは、ピストン１とディスプレーサ２のストロークのバランスがうまく取れていないため、比較的衝突が起こりやすくなる。したがって、もし衝突が検知されれば、直ちにピストン１のストロークを小さくすることにより、衝突による危険な状態を回避することが必要である。
【００６６】
この場合の衝突を検知する具体的方法について説明する。この方法は、駆動電圧を上昇させれば、リニアモータ１３の消費電流が増加することを利用している。リニアモータ１３の等価回路における駆動電圧Ｖｔと消費電流Ｉの関係を予測演算し、駆動電圧を所定値上昇させたとき、予測演算して得られた消費電流値に数パーセント上乗せした衝突検知電流値Ａを演算記憶する。そして、実際の消費電流値を電流センサ３３により測定し、上記衝突検知電流値Ａと比較する。測定値が衝突検知電流値Ａを越えた場合は衝突と判断し、危険回避を行う。危険回避の具体的方法については後述する。
【００６７】
また、ピストン１の目標ストロークが得られ、一定の駆動電圧でリニアモータ１３を制御しているときは、ピストン１とディスプレーサ２の接近時の間隔が非常に小さくなっているため、負荷や入力電圧の少しの変動でも衝突する危険がある。
【００６８】
この場合の衝突検知の具体的方法について説明する。この方法は、ピストン１とディスプレーサ２が衝突すれば、リニアモータ１３の消費電流が周期的に変動することを利用している。すなわち、ピストン１の運動が目標ストロークに到達し、一定の駆動電圧でリニアモータ１３を制御している場合、通常、消費電流値も一定になるはずであるが、ピストン１とディスプレーサ２の衝突が起こると、衝突のたびに周期的に電流値が大きく変動する。そのとき、衝突と判断できることを利用している。
【００６９】
まず、目標ストロークが得られた時点で、消費電流値を検出して記憶する。そして、その値に数パーセントを掛けて衝突検知電流変動値Ｂを演算記憶する。そして、安定時の電流を０．１秒単位で繰り返し測定・記憶し、１秒毎にその変動値を下記の式で演算する。
変動値＝１秒中の電流の最大値−１秒中の電流の最小値
【００７０】
この変動値と衝突検知電流変動値Ｂと比較する。変動値が衝突検知電流変動値Ｂを越えた場合は、衝突と判断し回避処理を行う。ここで、上記記載の時間０．１秒、１秒は、一例であり、これに限定されるものではない。ちなみに、この衝突検知方法は、駆動電圧Ｖｔが所定電圧を越えている場合に働かせると良い。
【００７１】
上記のように２種類の衝突検知方法を用いて、ピストン１とディスプレーサ２の衝突の検知を行なっている。そして、実際衝突が検知されれば、ストローク制御から、ステップ制御に移行し、ストローク制御でコントロールしていた駆動電圧からステップで減らし、所定電圧低めの駆動電圧でリニアモータ１３を駆動制御することになる。
【００７２】
この減らす駆動電圧のステップ数は、ウォームセクションの温度Ｔｈとコールドセクションの温度Ｔｃによる関数となっており、基本的に、ウォームセクションの温度Ｔｈ、コールドセクションの温度Ｔｃが高くなるとステップ数は大きくなるように設定されている。表２にその一例を示す。
【００７３】
【表２】
なお、ウォームセクション温度Ｔｈの代わりにバウンス空間温度Ｔｂでも代用可能であり、また、ステップ数をＴｈまたはＴｃについての一次関数や二次関数に変換することも可能である。
【００７５】
このようにして衝突を検知すると、ストローク制御からステップ制御に移行し、リニアモータ１３の駆動電圧をステップ数で下げることにより、ピストン１のストロークが瞬時に小さくなり、衝突による危険な状態を回避して安全に駆動制御することが可能となる。
【００７６】
さらに、衝突を検知した場合にストローク制御からステップ制御に移行したが、逆にステップ制御からストローク制御に戻ることが必要になる。これには、時間による方法を取っていて、ステップ制御に移行した時点から所定時間経過後（例えば２０秒後）、ストローク制御に復帰するように設計している。そして、ステップ制御を行なっている間は衝突検知を停止している。
【００７７】
この場合、上記所定時間も負荷の変動にリンクさせることが可能で、ウォームセクションの温度Ｔｈとコールドセクションの温度Ｔｃを変数とする２次元テーブルを利用するとよい。表３にその一例を示す。基本的には、ウォームセクションの温度Ｔｈが高く、コールドセクションの温度Ｔｃが低いと時間が長くなるように設計されている。
【００７８】
【表３】
また、ウォームセクション温度Ｔｈの代わりにバウンス空間温度Ｔｂでも代用可能であり、また、衝突検知の停止時間（上記所定時間）をウォームセクション温度Ｔｈまたはコールドセクション温度Ｔｃについての一次関数や二次関数に変換することも可能である。
【００８０】
次に、本発明の第３の実施形態のスターリング冷凍機について説明する。本実施形態は、スターリング冷凍機４０の組立誤差や部品精度等の寸法に応じてマイクロコンピュータ１０４により目標ストロークを補正するようになっている。
【００８１】
また、スターリング冷凍機４０の組立誤差や部品精度によってピストン１とディスプレーサ２との間隔等の寸法に個体差が生じる。この時、全製品のスターリング冷凍機４０を表１と同じテーブルの目標ストロークを用いてストローク制御を行うと、ピストン１とディスプレーサ２との衝突が発生する場合がある。
【００８２】
このため、記憶部１１１には目標ストロークを補正する補正データが格納されている。例えば、記憶部１１１にはピストン１とディスプレーサ２との間隔に対応した係数ｋ1のテーブルが記憶される。製造工程では、スターリング冷凍機４０の各個体に対してのピストン１とディスプレーサ２との間隔を計測し記憶部１１１に格納する。したがって、スターリング冷凍機４０の各個体に対応する係数ｋ1がテーブルから定まることになる。
【００８３】
スターリング冷凍機４０の駆動時にマイクロコンピュータ１０４によって、記憶部１１１に格納された表１から目標ストロークＸｂが、ピストン１とディスプレーサ２との間隔に応じた係数ｋ1のテーブルから係数ｋ1がそれぞれ読出され、式（８）に示すように目標ストロークＸｂが補正される。そして、補正された目標ストロークＸｂ’を基にストローク制御が行われるようになっている。
【００８４】
Ｘｂ’＝ｋ1Ｘｂ ・・・（８）
【００８５】
スターリング冷凍機４０に供給される電圧が変動すると、電源部１０５の出力電圧も変動する。これにより、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１からリニアモータ１３に出力される駆動電圧が目標ストロークに対応しない電圧になる場合がある。このため、記憶部１１１には電源部１０５の出力電圧を補正する補正データが格納されている。例えば、記憶部１１１には電源部１０５の入力電圧に対応した係数ｋ2のテーブルが記憶される。
【００８６】
スターリング冷凍機４０の駆動時にマイクロコンピュータ１０４によって表１の目標ストロークが読出され、該目標ストロークに応じた駆動電圧が求められる。同時に記憶部１１１から電源部１０５の入力電圧に応じた係数ｋ2が読出され、式（９）に示すように電源部１０５の出力電圧Ｖｂが補正される。そして、補正された出力電圧Ｖｂ’がリニアモータ駆動用電源出力部１０１に供給され、目標ストロークに対応した駆動電圧がリニアモータ１３に供給されるようになっている。
【００８７】
Ｖｂ’＝ｋ2Ｖｂ ・・・（９）
【００８８】
また、リニアモータ１３の消費電流Ｉが変動すると、インダクタンスＬ及び抵抗成分Ｒ（図５参照）の電圧降下の変化によりリニアモータ１３に加わる電圧が変動する。これにより、所望のストロークが得られない場合がある。このため、記憶部１１１にはリニアモータ１３の駆動電圧を補正する補正データが格納されている。例えば、記憶部１１１には消費電流に対応した係数ｋ3のテーブルが記憶される。
【００８９】
スターリング冷凍機４０の駆動時にマイクロコンピュータ１０４によって表１の目標ストロークが読出され、目標ストロークに応じた駆動電圧Ｖｃが求められる。同時に電流入力部１０３の入力に基づいて記憶部１１１から係数ｋ3が読出され、式（１０）に示すように駆動電圧Ｖｃが補正される。そして、補正された駆動電圧Ｖｃ’によりリニアモータ１３が駆動されるようになっている。
【００９０】
Ｖｃ’＝ｋ3Ｖｃ ・・・（１０）
【００９１】
上記の係数ｋ1、ｋ2、ｋ3はテーブルとして複数の値が格納されるが、係数ｋ1、ｋ2、ｋ3を演算により求める式を記憶部１１１またはＲＯＭ１２１に格納してもよい。
【００９２】
上記構成のスターリング冷凍機４０の動作を図９のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップ＃１０ではコールドセクションの温度Ｔｃ及びウォームセクションの温度Ｔｈを温度センサ３４、３５により検知し、ＴｃＡ／Ｄ変換部１０８及びＴｈＡ／Ｄ変換部１０９を介してマイクロコンピュータ１０４に送信する。
【００９３】
ステップ＃１１では、マイクロコンピュータ１０４によって記憶部１１１に記憶された目標ストロークのテーブルから、温度Ｔｃ、Ｔｈに対応する目標ストロークＸｂを抽出する。ステップ＃１２では、記憶部１１１に記憶された補正係数のテーブルから、ピストン１とディスプレーサ２との間隔に応じた補正係数ｋ1を抽出する。ステップ＃１３では、目標ストロークを式（８）に基づいて補正し、目標の目標ストロークＸｂ’を得る。
【００９４】
ステップ＃１４ではスターリング冷凍機４０の入力電圧（電源部１０５の入力電圧）を検出する。ステップ＃１５では記憶部１１１に記憶された補正係数ｋ2のテーブルから、入力電圧に対応した補正係数ｋ2を抽出する。ステップ＃１６では、電源部１０５の出力電圧を式（９）に基づいて補正し、安定した出力電圧Ｖｂ’を得る。
【００９５】
ステップ＃１７では目標ストロークで駆動するための駆動電圧Ｖｃをマイクロコンピュータ１０４により演算する。ステップ＃１８ではリニアモータ１３の消費電流Ｉを電流センサ３３で検知し、電流値入力部１０３を介してマイクロコンピュータ１０４に入力する。
【００９６】
ステップ＃１９では、記憶部１１１に記憶された補正係数ｋ3のテーブルから、消費電流Ｉに対応した補正係数ｋ3を抽出する。ステップ＃２０では、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力する駆動電圧を式（１０）に基づいて補正し、目標ストロークに狂いが生じない駆動電圧Ｖｃ’を得る。
【００９７】
ステップ＃２１ではリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から駆動電圧Ｖｃ’を出力してリニアモータ１３に印加する。ステップ＃２２では、上記式（１）（２）に基づいてピストン１のストロークＸｐを検出する。ステップ＃２３では検出したストロークＸｐが目標ストロークＸｂ’に一致しているかを判別する。
【００９８】
ストロークＸｐと目標ストロークＸｂ’とが一致していない場合は、ステップ＃１４〜＃２３を繰り返し、検出したストロークＸｐに基づいて駆動電圧Ｖｃを再度演算する（ステップ＃１７）。ストロークＸｐと目標ストロークＸｂ’とが一致すると、ステップ＃１０に戻り、スターリング冷凍機４０の運転状況の変化に対応して目標ストロークを調整する動作が繰り返し行われる。
【００９９】
本実施形態によると、ピストン１のストロークを検出して目標ストロークに制御するところのストローク制御を行うことにより、ピストン１とディスプレーサ２との衝突を回避するとともに、スターリング冷凍機４０の冷凍能力を向上させることができる。
【０１００】
また、記憶部１１１にスターリング冷凍機４０の運転状況に応じた目標ストロークのテーブルが記憶されるので、運転状況に応じた目標ストロークでリニアモータ１３を駆動することができる。従って、ピストン１とディスプレーサ２との衝突を回避するとともに、スターリング冷凍機４０の冷凍能力をより向上させることができる。
【０１０１】
また、記憶部１１１をマイクロコンピュータ１０４内臓のＲＯＭ１２１とは別に設けているため、マイクロコンピュータ１０４の負荷を軽減するとともに、大容量のデータを格納することができる。これにより、種々の運転状況に応じた目標ストロークを記憶してきめ細かい制御を行うことができる。
【０１０２】
更に、スターリング冷凍機４０の組立誤差や部品精度等による寸法バラツキに応じて目標ストロークを補正するので、スターリング冷凍機４０の個体差によるピストン１とディスプレーサ２との衝突を回避することができる。
【０１０３】
加えて、スターリング冷凍機４０に供給される電圧の変動やリニアモータ１３の消費電流の変動に応じてマイクロコンピュータ１０４により電源部１０５の出力電圧或いはリニアモータ１３の駆動電圧を補正するので、より安定した目標ストロークでリニアモータ１３を駆動できる。
【０１０４】
次に、第４の実施形態のスターリング冷凍機について説明する。本実施形態の構成は前述の図１〜図９に示す第１〜第３実施形態と同様であり、表４に示すように、記憶部１１１に記憶された目標ストロークのテーブルが異なっている。
【０１０５】
【表４】
同表によると、目標ストロークは、スターリング冷凍機４０の起動後の時間経過を変数とする１次元（リニア）テーブルとなっており、時間経過に従って増加している。時間経過はタイマー１２３（図４参照）により計測し、経過時間に対応した目標ストロークになるようにピストン１のストロークが調整される。前述の図９に示すフローチャートのステップ＃１０において、タイマー１２３によって起動後の時間を検出することにより第１実施形態と同様に制御することができる。
【０１０７】
これにより、起動直後の不安定な時期は、目標ストロークを小さくしてピストン１とディスプレーサ２との衝突を回避するとともに、安定状態になるほど目標ストロークを大きくして冷却能力を高くできるようになっている。尚、起動直後は経過時間によって表４に示すテーブルから目標ストロークを抽出し、所定時間経過後（例えば１２０秒後）に、低温側と高温側の温度によって表１に示すテーブルから目標ストロークを抽出するとよりきめ細かい制御が可能になる。
【０１０８】
次に本発明の第５の実施形態について説明する。図１０は、第５の実施形態のスターリング冷凍機の動作を示すフローチャートである。本実施形態は、スターリング冷凍機４０の入力電圧Ｖ及びリニアモータ１３の消費電流Ｉに基づいて目標ストロークのテーブル（表１参照）を補正して作成し、このテーブルを随時更新するようになっている。
【０１０９】
まず、ステップ＃３０ではスターリング冷凍機４０の入力電圧Ｖを検出する。ステップ＃３１ではリニアモータ１３の消費電流Ｉを電流センサ３３で検知し、電流値入力部１０３を介してマイクロコンピュータ１０４に入力する。ステップ＃３２では、記憶部１１１に格納された表５に示す補正テーブルから、入力電圧Ｖ及び消費電流Ｉに基づいて基準時の目標ストロークＸｂ’（Ｉm、Ｖn）を抽出する。表５において、列方向には入力電圧Ｖに応じて４段階に区分けされ、行方向には消費電流Ｉに応じて４段階に区分けされている。例えば、Ｉ＝Ｉ4、Ｖ＝Ｖ4であったとすると、抽出される基準時の目標ストロークＸｂ’（Ｉ4、Ｖ4）は、５．７ｍｍとなる。
【０１１０】
【表５】
基準時の目標ストロークＸｂ’（Ｉ、Ｖ）は、例えばコールドセクションの温度Ｔｃが−１５℃、ウォームセクションの温度Ｔｈが４５℃のときの目標ストロークＸｂ’（Ｉ、Ｖ）が記憶されている。
【０１１２】
スターリング冷凍機４０の入力電圧Ｖ及びリニアモータ１３の消費電流Ｉが変動すると、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１（図３参照）から所定の目標ストロークＸｂに応じた駆動電圧を出力してもピストン１が目標ストロークＸｂで駆動されない。そのため、入力電圧Ｖ及び消費電流Ｉに応じて目標ストロークＸｂの補正が必要となる。
【０１１３】
ステップ＃３３では、基準時の目標ストロークＸｂ’（Ｉ、Ｖ）に基づいて、前述の表１と同様の目標ストロークＸｂ’のテーブルが作成され、記憶部１１１に記憶される。すなわち、表１におけるＴｃ＝−１５℃、Ｔｈ＝４５℃での目標ストロークの値が６．０ｍｍから５．７ｍｍに補正されるため、表６のようなテーブルが作成されることになる。表６では、表１に示す目標ストロークＸｂに対して各条件下の目標ストロークＸｂ’が同じ比率（９５％）になっている。
【０１１４】
【表６】
ステップ＃３４ではコールドセクションの温度Ｔｃ及びウォームセクションの温度Ｔｈを温度センサ３４、３５により検知し、ＴｃＡ／Ｄ変換部１０８及びＴｈＡ／Ｄ変換部１０９を介してマイクロコンピュータ１０４に入力する。ステップ＃３５では、マイクロコンピュータ１０４によって記憶部１１１に記憶された目標ストロークＸｂ’のテーブル（表６参照）から、温度Ｔｃ、Ｔｈに対応する目標ストロークＸｂ’を抽出する。
【０１１６】
ステップ＃３６では、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力する駆動電圧Ｖｃを目標ストロークＸｂ’に基づいて演算する。ステップ＃３７ではリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から駆動電圧Ｖｃを出力してリニアモータ１３に印加する。ステップ＃３８では、上記式（１）（２）に基づいてピストン１のストロークＸｐを検出する。
【０１１７】
ステップ＃３９では、マイクロコンピュータ１０４によって記憶部１１１に記憶された目標ストロークＸｂのテーブル（表１参照）から、温度Ｔｃ、Ｔｈに対応する目標ストロークＸｂを抽出する。ステップ＃４０では検出したストロークＸｐが目標ストロークＸｂに一致しているかを判別する。
【０１１８】
ストロークＸｐと目標ストロークＸｂとが一致していない場合は、ステップ＃３６〜＃４０を繰り返し、検出したストロークＸｐに基づいて駆動電圧Ｖｃを再度演算してリニアモータ１３を駆動する。ストロークＸｐと目標ストロークＸｂとが一致するとステップ＃３０に戻り、スターリング冷凍機４０の運転状況の変化に対応して目標ストロークＸｂ’のテーブルを書換えて同じ動作が繰り返し行われる。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明によると、ピストンのストロークを検出して目標ストロークに制御するストローク制御を行うことにより、ピストンとディスプレーサとの衝突を回避するとともに、スターリング冷凍機の冷凍能力を向上させることができる。また、記憶部にスターリング冷凍機の運転状況に応じた目標ストロークが記憶されるので、運転状況に応じた目標ストロークでリニアモータを駆動することができる。従って、ピストンとディスプレーサとの衝突を回避するとともに、スターリング冷凍機の冷凍能力をより向上させることができる。
【０１２０】
また、記憶部をマイクロコンピュータ内臓のＲＯＭ等とは別に設けているためマイクロコンピュータの負荷を軽減することができるとともに、大容量のデータを格納することができる。これにより、種々の運転状況に応じた目標ストロークを記憶してきめ細かい制御を行うことができる。
【０１２１】
また、本発明によると、スターリング冷凍機の起動後の時間に応じた目標ストロークや、スターリング冷凍機の低温側及び高温側の温度に応じた目標ストロークを記憶するので、例えば、起動直後の作動媒体のガス圧が不安定なときはリニアモータを小さいストロークで駆動し、起動後の時間経過によって作動媒体のガス圧が安定すると徐々にストロークを大きくすることができる。従って、スターリング冷凍機起動時におけるピストンとディスプレーサとの衝突が低減されるとともに、高い冷凍能力で運転することができる。
【０１２２】
また、本発明によると、スターリング冷凍機の寸法バラツキに基づいて目標ストロークを補正する補正データを記憶部に記憶するので、スターリング冷凍機の個体差によるピストンとディスプレーサとの衝突を回避することができる。
【０１２３】
また、本発明によると、スターリング冷凍機の入力電圧や、リニアモータの消費電流に基づいてリニアモータの駆動電圧を補正するので、より安定した目標ストロークでのピストン駆動を実現できる。
【０１２４】
また、本発明によると、スターリング冷凍機の入力電圧や、リニアモータの消費電流に基づいてリニアモータの駆動電圧を補正する補正データを書換えるので、より高精度に目標ストロークでのピストン駆動を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機を示す断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機の接続状態を示す図である。
【図３】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機の制御ボックスの構成を示すブロック図である。
【図４】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機のマイクロコンピュータの構成を示すブロック図である。
【図５】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機のリニアモータの等価回路図である。
【図６】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機のリニアモータの入力電圧Ｖｔと逆起電力Ｖｇの関係を示すベクトル図である。
【図７】 本発明の第１の実施形態の駆動電圧と電流の出力波形を示す図である。
【図８】 本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機のストローク制御のプログラムの一例を示すフローチャートである。
【図９】 本発明の第３の実施形態のスターリング冷凍機の動作を示すフローチャートである。
【図１０】 本発明の第５の実施形態のスターリング冷凍機の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ピストン
２ ディスプレーサ
３ シリンダ
８ バウンス空間（背圧空間）
９ 圧縮空間（ウォームセクション）
１０ 膨張空間（コールドセクション）
１２ 再生器
１３ リニアモータ
３０ 制御ボックス
３３ 電流センサ
３４ Ｔｃ温度センサ
３５ Ｔｈ温度センサ
３６ Ｔｂ温度センサ
Claims (1)
- 作動ガスを封入したシリンダ内を往復運動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンを移動させるリニアモータとを具備してなるフリーピストン型の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状況に対応したピストンの目標ストロークを動作テーブルとして記憶し、該動作テーブルに基づいて前記リニアモータを駆動制御する制御手段を備え、前記動作テーブルは、スターリング冷凍機の起動開始からの経過時間を変数とする１次元テーブルであることを特徴とするスターリング冷凍機。
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