JP3885952B2 - 極低温冷凍機の制御装置 - Google Patents
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- Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、極低温レベルの寒冷を発生させるスターリング型の極低温冷凍機に関し、特に圧縮機のピストンを駆動制御する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の極低温冷凍機については、特許文献１に冷凍機の全体構成の一例が示され、本件出願人の出願に係る特願２００１−２５４１１６号明細書に圧縮機の構成が示されているが、図３に改めてスターリング型パルスチューブ冷凍機のシステム構成の一例を示す。図３において、冷凍機１は被冷却物２を極低温（例えば70Ｋ）の一定温度に冷却する。冷凍機１の圧縮機３は２個の向かい合ったピストン４を有し、これらのピストン４が往復運動することで圧縮空間５のガス（ヘリウムガス）に振動流を発生させる。この振動ガスは膨張部（パルスチューブ）６に送られて膨張し、被冷却物２に接する冷却端に上記した極低温を発生させる。被冷却物２及び冷却端は冷凍機１内の真空空間に置かれている。
【０００３】
ピストン４は、リニアモータを形成する駆動機構（リニア駆動機構）のコイル７に、冷凍機制御部８のインバータ回路９から所定周波数の交流電圧が印加されることにより駆動される。インバータ回路９では、入力直流電源がコントローラ１０からの指令により単相インバータＰＷＭ制御され、出力電圧及び周波数が制御されている。被冷却物２を一定の極低温に維持するために、冷凍機１の冷却端温度（＝Ｔc）を検出する冷却端温度センサ１１が設けられ、その出力は制御温度検出部１２でデジタル量に変換されてコントローラ１０にフィードバックされている。コントローラ１０は検出温度Ｔcと目標温度（上記70Ｋ）との偏差に基づき、基準周波数（例えば50Hz）の下で出力電圧を制御し、被冷却物２を一定温度に維持している。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２５２２４２４号公報（第１〜２頁，第４図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１の冷凍機制御において、従来はインバータ回路９の出力周波数を予め定めた周波数に固定し、出力電圧を制御して被冷却物２を一定温度に維持するようにしている。その場合、冷凍機１の消費電力は周囲温度や被冷却物収納空間への熱侵入変化により影響を受けるが、従来はこの消費電力の低減には特に注意が払われていなかった。この発明の課題は、極低温冷凍機において、被冷却物温度を一定温度に維持しながら、冷凍機消費電力を最小レベルに制御して省電力を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の発明者は、多くの運転データの蓄積から、極低温冷凍機の消費電力はインバータ回路の出力周波数の影響を受け、また消費電力が最小になる周波数は周囲温度により変化すること、さらに、この最適周波数は同一仕様の冷凍機においても特性のばらつきにより冷凍機間でずれが生じることを見出した。この発明は、この知見に基づいてなされたものである。
【０００７】
すなわち、この発明は、リニア駆動機構のコイルにインバータ回路から交流電圧を印加して圧縮機のピストンを往復運動させ、冷凍機の冷却端に極低温を発生させるとともに、前記冷却端の温度を検知して前記インバータ回路の出力電圧を制御し、前記極低温を目標値に維持する極低温冷凍機の制御装置において、
前記インバータ回路の出力電圧と出力電流とから前記リニア駆動機構の消費電力を演算する手段と、所定周波数の前記交流電圧の下で前記極低温が目標値に達したら、前記消費電力演算手段で演算した前記消費電力が最小になる前記交流電圧の周波数を求め、その後はこの最小電力周波数の下で前記インバータ回路の出力電圧を制御して前記極低温を目標値に維持する手段とを設けたことを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
上記した通り、極低温冷凍機の運転周波数には、消費電力を最小にする最適周波数が存在するが、この最適周波数は同一仕様の冷凍機においても特性のばらつきにより冷凍機間でずれが生じる。そこで、上記請求項１の発明では、複数の冷凍機の運転データから平均的に適切として定められた周波数で運転を開始した後、消費電力を実測して、この実測消費電力が最小となる周波数を探り、その後ははこの最小消費電力周波数に補正して運転するものである。
【０００９】
また、この発明は、リニア駆動機構のコイルにインバータ回路から交流電圧を印加して圧縮機のピストンを往復運動させ、冷凍機の冷却端に極低温を発生させるとともに、前記冷却端の温度を検知して前記インバータ回路の出力電圧を制御し、前記極低温を目標値に維持する極低温冷凍機の制御装置において、
前記インバータ回路の出力電圧と出力電流とから前記リニア駆動機構の消費電力を演算する手段と、前記冷凍機の周囲温度を検知する手段と、前記周囲温度に対応する前記交流電圧の最適周波数を設定する手段と、所定周波数の前記交流電圧の下で前記極低温が目標値に達したら、前記消費電力演算手段で演算した前記消費電力が最小になる前記交流電圧の周波数を求め、その後はこの前記最小電力周波数の下で前記インバータ回路の出力電圧を制御して前記極低温を目標値に維持する一方、前記周囲温度検知手段により検知した前記周囲温度が変化したら、この周囲温度に対応する前記最適周波数を前記所定周波数とする前記出力電圧の制御及びその後の前記最小電力周波数による前記出力電圧の制御を行なう手段とを設けたことを特徴とする（請求項２）。
【００１０】
前記請求項１又は請求項２記載の発明において、最小電力周波数を求めるには、前記所定周波数を中心に前記交流電圧の周波数を逐次高く、又は低く変化させて前記消費電力の演算を繰り返しながら、この変化の前後の演算値を比較し、前記周波数を高くしても低くしても変化前の方が前記演算値が小さくなる前記周波数を前記最小電力周波数と判断するようにするのがよい（請求項３）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施の形態を示すシステム構成図である。従来例と対応する部分には同一の符号を用い、同一構成部分については説明を省略する。図１において、冷凍機１の外部には、その周囲温度（＝Ｔa）を検出する周囲温度センサ１３が設けられ、その出力は周囲温度検出部１４でデジタル量に変換されてコントローラ１０にフィードバックされている。また、インバータ回路９の出力電圧と電流変換器１５を介して検出した出力電流とから冷凍機１の消費電力を演算する消費電力演算回路１６が設けられ、その出力信号はコントローラ１０に入力されている。その他の構成は図３の従来例と実質的に同じである。
【００１２】
図１において、コントローラ１０は、被冷却物２の温度Ｔｃが常温（例えば25℃）から目標温度（例えば70Ｋ）になるまで、基準周波数（例えば50Hz）でインバータ回路９の出力電圧を最大に制御し、ピストン４の振幅を最大にして目標温度までの到達時間を最小にする（クールダウン）。被冷却物２の温度が目標温度の70Ｋに近くなると、冷却端温度センサ１１からの検知信号に基づいて、目標温度70Ｋが得られるようにインバータ回路９の出力電圧を制御する。被冷却物温度が目標温度70Ｋに到達した後は、ほぼ一定電圧が供給される。このとき、消費電力演算回路１６により、インバータ回路９の出力電圧及び出力電流から冷凍機１の消費電力（ここではＷ0とする）を演算しておく。
【００１３】
次いで、インバータ回路９の出力周波数を基準周波数（50Hz）に対して少し高い周波数（例えば50.1Hz）に変更し、そのときの消費電力（ここではＷ1とする）を演算する。そして、その差（Ｗ1−Ｗ0）の値が負なら、同様にして更に周波数を高くする。もし正なら、もとの周波数（50Hz）より低くする（例えば49.9Hz）。この周波数変更を繰り返し、周波数を高くしても低くしても前回との差が正の周波数がその条件での最小の消費電力値であると判断する。
【００１４】
図２は、インバータ回路９の出力周波数（横軸Hz）と、冷凍機１の消費電力（縦軸Ｗ）との関係を示す特性図である。図２において、周囲温度Ｔa＝25℃（常温）での上記最小電力値は Ｗa、そのときの周波数はｆaである。ここで、冷凍機１の周囲温度Ｔaが変化すると、被冷却物２への外部からの熱浸入量が変り、被冷却物２を一定温度（70Ｋ）に維持するためのコイル７への印加電圧も変化する。周囲温度Ｔaが、例えば50℃になった場合、図２において、周波数ｆaが変化しないままでは消費電力はＡ点からＣ点に移りＷcとなる。
【００１５】
ここで、コントローラ１０には、例えば２〜５℃間隔の種々の周囲温度Ｔaに対応して、消費電力Ｗを最小にするために最適な周波数（Ｔa＝50℃ではｆb）が設定入力されている。そこで、コントローラ１０は周囲温度Ｔaを検出すると、インバータ回路９の出力周波数を検出温度（50℃）に対応する設定周波数ｆbに変更した後、被冷却物温度Ｔcが目標温度70Ｋになるように出力電圧を制御する。これにより、消費電力はＡ点からＢ点に移り最小消費電力Ｗbとなる。ただし、この最小消費電力Ｗbは平均的な温度特性から設定されたものであり、実機では特性のばらつきにより、消費電力が最小となる周波数ｆbは冷凍機間で若干相違する。そこで、変化後の周囲温度Ｔa（図２の場合は50℃）においても、上記したクールダウンの場合と同様に周波数を上げ下げして、最小電力周波数ｆbの補正を行なう。
【００１６】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、冷凍機周囲温度の変化に応じてインバータ回路の出力周波数を最適化することにより、冷凍機の消費電力を低減することができる。この場合、周波数を上げ下げして消費電力が最小となる周波数を探ることにより、冷凍機間の特性のばらつきを補正して、消費電力の一層の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図２】 図１の冷凍機における電源周波数と冷凍機消費電力との関係を示す特性図である。
【図３】 従来例を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
１ 冷凍機
２ 被冷却物
３ 圧縮機
４ ピストン
５ ガス圧縮空間
６ 膨張部
７ コイル
８ 制御部
９ インバータ回路
１０ コントローラ
１１ 冷却端温度センサ
１２ 制御温度検出部
１３ 周囲温度センサ
１４ 周囲温度検出部
１５ 電流変換器
１６ 消費電力演算回路
【発明の属する技術分野】
この発明は、極低温レベルの寒冷を発生させるスターリング型の極低温冷凍機に関し、特に圧縮機のピストンを駆動制御する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の極低温冷凍機については、特許文献１に冷凍機の全体構成の一例が示され、本件出願人の出願に係る特願２００１−２５４１１６号明細書に圧縮機の構成が示されているが、図３に改めてスターリング型パルスチューブ冷凍機のシステム構成の一例を示す。図３において、冷凍機１は被冷却物２を極低温（例えば70Ｋ）の一定温度に冷却する。冷凍機１の圧縮機３は２個の向かい合ったピストン４を有し、これらのピストン４が往復運動することで圧縮空間５のガス（ヘリウムガス）に振動流を発生させる。この振動ガスは膨張部（パルスチューブ）６に送られて膨張し、被冷却物２に接する冷却端に上記した極低温を発生させる。被冷却物２及び冷却端は冷凍機１内の真空空間に置かれている。
【０００３】
ピストン４は、リニアモータを形成する駆動機構（リニア駆動機構）のコイル７に、冷凍機制御部８のインバータ回路９から所定周波数の交流電圧が印加されることにより駆動される。インバータ回路９では、入力直流電源がコントローラ１０からの指令により単相インバータＰＷＭ制御され、出力電圧及び周波数が制御されている。被冷却物２を一定の極低温に維持するために、冷凍機１の冷却端温度（＝Ｔc）を検出する冷却端温度センサ１１が設けられ、その出力は制御温度検出部１２でデジタル量に変換されてコントローラ１０にフィードバックされている。コントローラ１０は検出温度Ｔcと目標温度（上記70Ｋ）との偏差に基づき、基準周波数（例えば50Hz）の下で出力電圧を制御し、被冷却物２を一定温度に維持している。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２５２２４２４号公報（第１〜２頁，第４図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１の冷凍機制御において、従来はインバータ回路９の出力周波数を予め定めた周波数に固定し、出力電圧を制御して被冷却物２を一定温度に維持するようにしている。その場合、冷凍機１の消費電力は周囲温度や被冷却物収納空間への熱侵入変化により影響を受けるが、従来はこの消費電力の低減には特に注意が払われていなかった。この発明の課題は、極低温冷凍機において、被冷却物温度を一定温度に維持しながら、冷凍機消費電力を最小レベルに制御して省電力を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の発明者は、多くの運転データの蓄積から、極低温冷凍機の消費電力はインバータ回路の出力周波数の影響を受け、また消費電力が最小になる周波数は周囲温度により変化すること、さらに、この最適周波数は同一仕様の冷凍機においても特性のばらつきにより冷凍機間でずれが生じることを見出した。この発明は、この知見に基づいてなされたものである。
【０００７】
すなわち、この発明は、リニア駆動機構のコイルにインバータ回路から交流電圧を印加して圧縮機のピストンを往復運動させ、冷凍機の冷却端に極低温を発生させるとともに、前記冷却端の温度を検知して前記インバータ回路の出力電圧を制御し、前記極低温を目標値に維持する極低温冷凍機の制御装置において、
前記インバータ回路の出力電圧と出力電流とから前記リニア駆動機構の消費電力を演算する手段と、所定周波数の前記交流電圧の下で前記極低温が目標値に達したら、前記消費電力演算手段で演算した前記消費電力が最小になる前記交流電圧の周波数を求め、その後はこの最小電力周波数の下で前記インバータ回路の出力電圧を制御して前記極低温を目標値に維持する手段とを設けたことを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
上記した通り、極低温冷凍機の運転周波数には、消費電力を最小にする最適周波数が存在するが、この最適周波数は同一仕様の冷凍機においても特性のばらつきにより冷凍機間でずれが生じる。そこで、上記請求項１の発明では、複数の冷凍機の運転データから平均的に適切として定められた周波数で運転を開始した後、消費電力を実測して、この実測消費電力が最小となる周波数を探り、その後ははこの最小消費電力周波数に補正して運転するものである。
【０００９】
また、この発明は、リニア駆動機構のコイルにインバータ回路から交流電圧を印加して圧縮機のピストンを往復運動させ、冷凍機の冷却端に極低温を発生させるとともに、前記冷却端の温度を検知して前記インバータ回路の出力電圧を制御し、前記極低温を目標値に維持する極低温冷凍機の制御装置において、
前記インバータ回路の出力電圧と出力電流とから前記リニア駆動機構の消費電力を演算する手段と、前記冷凍機の周囲温度を検知する手段と、前記周囲温度に対応する前記交流電圧の最適周波数を設定する手段と、所定周波数の前記交流電圧の下で前記極低温が目標値に達したら、前記消費電力演算手段で演算した前記消費電力が最小になる前記交流電圧の周波数を求め、その後はこの前記最小電力周波数の下で前記インバータ回路の出力電圧を制御して前記極低温を目標値に維持する一方、前記周囲温度検知手段により検知した前記周囲温度が変化したら、この周囲温度に対応する前記最適周波数を前記所定周波数とする前記出力電圧の制御及びその後の前記最小電力周波数による前記出力電圧の制御を行なう手段とを設けたことを特徴とする（請求項２）。
【００１０】
前記請求項１又は請求項２記載の発明において、最小電力周波数を求めるには、前記所定周波数を中心に前記交流電圧の周波数を逐次高く、又は低く変化させて前記消費電力の演算を繰り返しながら、この変化の前後の演算値を比較し、前記周波数を高くしても低くしても変化前の方が前記演算値が小さくなる前記周波数を前記最小電力周波数と判断するようにするのがよい（請求項３）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施の形態を示すシステム構成図である。従来例と対応する部分には同一の符号を用い、同一構成部分については説明を省略する。図１において、冷凍機１の外部には、その周囲温度（＝Ｔa）を検出する周囲温度センサ１３が設けられ、その出力は周囲温度検出部１４でデジタル量に変換されてコントローラ１０にフィードバックされている。また、インバータ回路９の出力電圧と電流変換器１５を介して検出した出力電流とから冷凍機１の消費電力を演算する消費電力演算回路１６が設けられ、その出力信号はコントローラ１０に入力されている。その他の構成は図３の従来例と実質的に同じである。
【００１２】
図１において、コントローラ１０は、被冷却物２の温度Ｔｃが常温（例えば25℃）から目標温度（例えば70Ｋ）になるまで、基準周波数（例えば50Hz）でインバータ回路９の出力電圧を最大に制御し、ピストン４の振幅を最大にして目標温度までの到達時間を最小にする（クールダウン）。被冷却物２の温度が目標温度の70Ｋに近くなると、冷却端温度センサ１１からの検知信号に基づいて、目標温度70Ｋが得られるようにインバータ回路９の出力電圧を制御する。被冷却物温度が目標温度70Ｋに到達した後は、ほぼ一定電圧が供給される。このとき、消費電力演算回路１６により、インバータ回路９の出力電圧及び出力電流から冷凍機１の消費電力（ここではＷ0とする）を演算しておく。
【００１３】
次いで、インバータ回路９の出力周波数を基準周波数（50Hz）に対して少し高い周波数（例えば50.1Hz）に変更し、そのときの消費電力（ここではＷ1とする）を演算する。そして、その差（Ｗ1−Ｗ0）の値が負なら、同様にして更に周波数を高くする。もし正なら、もとの周波数（50Hz）より低くする（例えば49.9Hz）。この周波数変更を繰り返し、周波数を高くしても低くしても前回との差が正の周波数がその条件での最小の消費電力値であると判断する。
【００１４】
図２は、インバータ回路９の出力周波数（横軸Hz）と、冷凍機１の消費電力（縦軸Ｗ）との関係を示す特性図である。図２において、周囲温度Ｔa＝25℃（常温）での上記最小電力値は Ｗa、そのときの周波数はｆaである。ここで、冷凍機１の周囲温度Ｔaが変化すると、被冷却物２への外部からの熱浸入量が変り、被冷却物２を一定温度（70Ｋ）に維持するためのコイル７への印加電圧も変化する。周囲温度Ｔaが、例えば50℃になった場合、図２において、周波数ｆaが変化しないままでは消費電力はＡ点からＣ点に移りＷcとなる。
【００１５】
ここで、コントローラ１０には、例えば２〜５℃間隔の種々の周囲温度Ｔaに対応して、消費電力Ｗを最小にするために最適な周波数（Ｔa＝50℃ではｆb）が設定入力されている。そこで、コントローラ１０は周囲温度Ｔaを検出すると、インバータ回路９の出力周波数を検出温度（50℃）に対応する設定周波数ｆbに変更した後、被冷却物温度Ｔcが目標温度70Ｋになるように出力電圧を制御する。これにより、消費電力はＡ点からＢ点に移り最小消費電力Ｗbとなる。ただし、この最小消費電力Ｗbは平均的な温度特性から設定されたものであり、実機では特性のばらつきにより、消費電力が最小となる周波数ｆbは冷凍機間で若干相違する。そこで、変化後の周囲温度Ｔa（図２の場合は50℃）においても、上記したクールダウンの場合と同様に周波数を上げ下げして、最小電力周波数ｆbの補正を行なう。
【００１６】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、冷凍機周囲温度の変化に応じてインバータ回路の出力周波数を最適化することにより、冷凍機の消費電力を低減することができる。この場合、周波数を上げ下げして消費電力が最小となる周波数を探ることにより、冷凍機間の特性のばらつきを補正して、消費電力の一層の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図２】 図１の冷凍機における電源周波数と冷凍機消費電力との関係を示す特性図である。
【図３】 従来例を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
１ 冷凍機
２ 被冷却物
３ 圧縮機
４ ピストン
５ ガス圧縮空間
６ 膨張部
７ コイル
８ 制御部
９ インバータ回路
１０ コントローラ
１１ 冷却端温度センサ
１２ 制御温度検出部
１３ 周囲温度センサ
１４ 周囲温度検出部
１５ 電流変換器
１６ 消費電力演算回路
Claims (3)
- リニア駆動機構のコイルにインバータ回路から交流電圧を印加して圧縮機のピストンを往復運動させ、冷凍機の冷却端に極低温を発生させるとともに、前記冷却端の温度を検知して前記インバータ回路の出力電圧を制御し、前記極低温を目標値に維持する極低温冷凍機の制御装置において、
前記インバータ回路の出力電圧と出力電流とから前記リニア駆動機構の消費電力を演算する手段と、所定周波数の前記交流電圧の下で前記極低温が目標値に達したら、前記消費電力演算手段で演算した前記消費電力が最小になる前記交流電圧の周波数を求め、その後はこの最小電力周波数の下で前記インバータ回路の出力電圧を制御して前記極低温を目標値に維持する手段とを設けたことを特徴とする極低温冷凍機の制御装置。 - リニア駆動機構のコイルにインバータ回路から交流電圧を印加して圧縮機のピストンを往復運動させ、冷凍機の冷却端に極低温を発生させるとともに、前記冷却端の温度を検知して前記インバータ回路の出力電圧を制御し、前記極低温を目標値に維持する極低温冷凍機の制御装置において、
前記インバータ回路の出力電圧と出力電流とから前記リニア駆動機構の消費電力を演算する手段と、前記冷凍機の周囲温度を検知する手段と、前記周囲温度に対応する前記交流電圧の最適周波数を設定する手段と、所定周波数の前記交流電圧の下で前記極低温が目標値に達したら、前記消費電力演算手段で演算した前記消費電力が最小になる前記交流電圧の周波数を求め、その後はこの前記最小電力周波数の下で前記インバータ回路の出力電圧を制御して前記極低温を目標値に維持する一方、前記周囲温度検知手段により検知した前記周囲温度が変化したら、この周囲温度に対応する前記最適周波数を前記所定周波数とする前記出力電圧の制御及びその後の前記最小電力周波数による前記出力電圧の制御を行なう手段とを設けたことを特徴とする極低温冷凍機の制御装置。 - 前記所定周波数を中心に前記交流電圧の周波数を逐次高く、又は低く変化させて前記消費電力の演算を繰り返しながら、この変化の前後の演算値を比較し、前記周波数を高くしても低くしても変化前の方が前記演算値が小さくなる前記周波数を前記最小電力周波数と判断するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の極低温冷凍機の制御装置。
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2002
- 2002-09-19 JP JP2002272736A patent/JP3885952B2/ja not_active Expired - Fee Related
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