JPH02217757A - フリーピストン形スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電子機器用素子の冷却などに用いられるフリー
ピストン形スターリング冷凍機に係り、特にピストン及
びディスプレーサの往復動を安定させるのに好適な振動
制御手段に関する。

［従来の技術］ （１）スターリング冷凍機の動作原理 第６図にスターリング冷凍機の模式図を示し。

第７図にその熱力学的サイクルを示す。これらの図を基
に動作原理を説明する。

スターリング冷凍機は、基本的にはディスプレーサ、ピ
ストン、蓄冷器及びこれらを囲むシリンダより構成され
ている。第６図では蓄冷器はディスプレーサ内部に収納
された構造になっているが。

圧縮空間と膨張空間を導通させる位置であればシリンダ
外部に設置しても良い。

■→■の行程は圧縮行程であり、ピストンが図中上方に
移動しガスを圧縮する。このとき発生する圧縮熱は水あ
るいは空気等の媒体を用いシリンダ外部に排出される。

したがって、圧縮は等温的に行なわれることになる。

■→■の行程は等容行程であり、ディスプレーサのみが
下方に移動し、ガスは蓄冷器を通り圧縮空間から膨張空
間に移動する。

■→■の行程は膨張行程であり、ディスプレーサとピス
トンの両者が下方に移動するため、膨張空間内のガスは
膨張し、温度が低下することになる。このとき、吸熱に
より熱負荷を冷却することができる。熱力学的サイクル
」二はこの変化は等温変化であり一定の熱負荷を外部か
らかけることにより実現することができるが、これが冷
却能力に相当する。

■→■の行程は等容行程であり、ディスプレーサが上方
に移動し、■→■の行程とは逆にガスは蓄冷器を通り、
膨張空間から圧縮空間に移動する。

このとき、未だ冷却能力を有するガスは、蓄冷器を冷却
し圧縮空間に移動することになる。それ故。

■→■の行程でガスが圧縮空間から膨張空間に移動する
時には蓄冷器部で予冷されることになる。

このようなサイクルを繰り返すことにより一定の冷却能
力を有する冷却機を実現することができる。上記した変
化は瞬時に起こるという前提でｊ″Ｘ理的碑成がされて
いるが、実際にはこのような変化は起こり得ず、ピスト
ン及びデイプレーサを位相差を持った正弦波形で動かす
ことにより本サイクルを形成しているのが実情である。

（２）フリービス１−ン形スターリング冷凍機ピストン
及びディスプレーサを位相差をもって動かす手段として
、一般的には、クランク−コネクティングロッド方式が
ある。現在、実用化されているスターリング冷凍機のほ
とんどは本方式を採用しているが、コネクティング部の
潤滑等に用いる潤滑油が冷却部で固まる等の問題がある
。それ故に、完全オイルフリーの状態で作動させること
が望ましく、このためフリーピストン形スターリング冷
凍機が開発されるようになってきた。

フリーピストン形とは、クランク−コネクティングロッ
ド方式を用いずに２つのピストン（ピストン及びディス
プレーサ）を動かす方式である。

すなわち、回転運動を往復動に変換するのではなく、往
復動力で直接２つのピストンを動かそうとするものであ
る。具体的な機器構成としては、往復動力部分に往復動
電動機（リニアモータ）を適用する訳であるが、駆動周
波数が高くなるとピストン及びディスプレーサに作用す
る慣性力が非゛５；ｔに高くなり過大な電動機が必要と
なる。そのため、通常は質量−ばね系の振動系を構成し
、慣性力を小さくするよう共振点近傍で駆動させ、電動
機容量を抑える工夫がなされている。上記質量は電動機
のアーマチャ及びビス１−ンに相当し、ばね要素として
はアーマチャにコイルばね等の機械ばねを取り付ける。

しかしながら、第５図に示したように、ピストンは密閉
空間内のガスを圧縮、膨クツ（させるため、ガスばね力
が作用することになる。したがって、線形ばねとしての
機械ばねと非線形ばねとしてのガスばねが並列的に結合
された非１線形ばね要素が有ることになるため、電動機
の交番力を与えてもピストンにその停止時の位置を中心
とする交番変位を与えることができるという保証はない
。変位波形は、非線形ばねの特性により大きく影響を受
けることになる。

一方、ディスプレーサに関しては、蓄冷器を介して圧縮
空間と膨張空間が導通しているため、捨冷器部での圧力
損失に起因するガスばね効果はあるものの、非常に小さ
い値であり、無視してもさほど問題はない。ディスプレ
ーサの駆動方法として、前記圧力損失による膨張空間と
圧縮空間の圧力差があり、先に述べた位相差はディスプ
レーサの質量と支持ばねで決まる固有値により決定付け
られる。したがって、支持ばねとして線形ばねを用いれ
ば、ディスプレーサを設計的に決めた中心位置を中心と
して振動させることは可能であり、ピストンを駆動する
モータ１台で冷凍機を構成することができる。しかしな
がら、冷却温度や冷却負荷量を変えるような使い方をす
る場合、駆動力となる圧力差の変動位相が変化するため
、ピストンとの振動位相差を最適状態に保持することが
非常に困難となる。そのため、デイプレーサをも往復動
電動機によりピストンとは独立に駆動する方法も従来採
られている。しかし、この場合には、ピストンと同様、
ディスプレーサの振動中心位置に関する問題が生じる。

前述のような従来のフリーピストン形スターリング冷凍
機は、クライオジエニツクス、ボリューム２７（１９８
７年）第１４８頁から第１５１頁（Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ
ｓＶｏＬ、２７（１９８７）　ｐｐ１４８−１５１）に
論じられ°ている。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のように従来のフリーピストン形スターリング冷凍
機には次の様な問題がある。

すなわち、ピストンの動作を考えると、閉じられた空間
内のガスを圧縮、膨張させるのでガスばねとしての作用
がピストンに加わる。周知の通り、ガスばねは非線形ば
ねであるため、ガスばねと機械ばねで構成される振動系
に交番加振力を与えても、停止時の位置を中心とする往
復動作をせず、ばねの特性に応じ往復動中心位置はシフ
トする。

さらに、ピストンとシリンダの隙間からのガス漏れ状態
により振動系の粘性減衰特性が変化するため、これも往
復動中心位置がずれる要因となる。

そのため、温度変化などによりガスばね特性が変化し、
往復動中心位置がずれ、ピストンとシリンダの衝突が生
じたり、圧縮室に対し反対側にピストン往復動中心がず
れれば死容積の増加となって冷却性能が低下する等の問
題があった。

ディスプレーサ側については、ガスはね作用による中心
位置変化よりも、一般に内部に収納される蓄冷器での流
路抵抗によるその両端での圧力差による加振力の変化に
起因する往復動中心位置のずれが生じる。

本発明の目的は、振動系のばね特性や粘性減衰特性が変
化しても、往復動中心位置が変動せず、更には、往復動
の振幅の！１３１整も可能なフリーピストン形スターリ
ング冷凍機を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的のため、本発明は特許請求の範囲の請求項１ま
たは２記載のフリーピストン形スターリング冷凍機を提
供するものである。

［作　　　用］ 本発明はよれば、振動系の非線形ばね特性や粘性減衰特
性、ばね特性の変化にかかわらず、リニア往復動電動機
への入力電流の直流成分の制御により振動（往復動）中
心位置を一定に保ち、又は所望位置へ移すことができる
。また該電動機への入力電流の交番成分の制御により振
動の振幅の制御が可能である。

［実　施　例］ 以下１本発明の実施例を図面により説明する。

本実施例はピストン、ディスプレーサの両者が夫々のり
ニアモータにより加振されるフリーピストン形スターリ
ング冷凍機に関するものである。第２図は本実施例にお
けるフリーピストン形スターリング冷凍機の断面図を示
しており、これは第６図、第７図で説明したフリーピス
トン形スターリング冷凍機の概念に基づいて構成されて
いる。各リニアモータはコイル可動形リニアモータもし
くは永久磁石可動形リニアモータであり、永久磁石によ
って形成される一定磁場内に電流を流しフレミングの左
手則に基づくところの力を利用するものであり、電流の
値、流す方向によりリニアモータによる力を制御するこ
とができ、結果的には冷凍機の振動系を制御できる。フ
リーピストン形スターリング冷凍機のピストンもしくは
ディスプレーサの振動系・は振動学で謂うところの粘性
減衰系強制振動系を成しており、ピストンもしくはディ
スプレーサ質量かばね支持され、且つ粘性減衰器が付設
されている状態の振動系である。

ピストン部を例にとり、前記の［発明が解決しようどす
る課題］に示した本発明の目的が本実施例で如何に達成
されるかについて次に詳しく説明する。

ピストンの質量をｍ、粘性減衰係数をＣ１はね定数をｋ
とし、この系に加振力Ｆを作用させた場合のピストン変
位Ｘは式（１）で示される。

ｍ”ｙ：、＋ｃ　Ｍ＋ｋ　ｘ＝Ｆ　　　　　−（１）加
振力Ｆが交番特性を有し、　Ｆ、ｓｉｎωｔ（ここでω
は加振力の角速度、ｔは時間）で表わされるとすれば、
式（２）となる。

１０″ｘ’　＋　ｃ　；ｃ　＋　ｋ　ｘ　＝　Ｆｏｓｉ
ｎωｔ　　　−（２）式（２）の解は１強制振動の周波
数（角速度ωに対応）成分のみをとれば、 ｘ＝ｘｌｓｉｎ（ωｔ、＋ψ）゛°直３）となり、Ｘは
加振力Ｆに対し位相ψを持った交番特性になる筈である
。ここで振動振幅Ｘは加振力振幅Ｆ０およびｃ、に、ｍ
により決まるが、特にＦｏに関しては線形関係を有する
。

さて、いま１式（３）で示される振動中心が仕様値に対
しΔＸだけずれている場合を考える。このとき望ましい
振動変位は、式（４）で表わされる。

ｘ＝ｘｓｉｎ（ωｔ＋ψ）＋ΔＸ　　・・・（４）式（
４）は式（３）が−ΔＸだけ仕様値からずれている場合
であり、子方向にずれている場合には式（４）でΔＸの
符号を変えればよい。

式（３）は式（２）の解であるから、式（３）を式（２
）に代入して得られる式（５）は時間の如何によらず、
恒等的に成立つ筈である。

＋ｋｘｓｉｎ（ｃｔ＋ｔ＋ψ）＝　Ｆ　ｏｓｉｎ　ｉ＆
＋し　　　　　−（５）一方、式（４）を式（２）に代
入し、式（５）を考慮すれば、 −ｍｘω２ｓｊ、ｎ　（ωｔ＋φ）＋ｃ　ｘωｃｏｓ　
（ωを十ψ）＋ｋｘｓｉｎ（ωｔ＋ψ）＋に一Δｘ＝Ｆ
ｏｓｉｎωｔ・−（６）となり、加振力Ｆ。ｓｉｎωｔ
に直流成分ｋ・ΔＸを付加してやれば振動中心位置をΔ
Ｘだけシフトすることが可能となる。さらに、振動振１
ｊｌｉｌｘを加減するにはＦｏを加減してやる、すなわ
ち加振力の交流成分を変えてやればよい。

一方、加振力Ｆ（すなわちリニアモータの推力）はフレ
ミングの左手則に従うから、これを数式化すれば式（７
）となる。

Ｆ　＝Ａ　Ｉ　＝＝Ａ　Ｉａｓｉｎωｔ　　　　　＝（
７）ここでＡ：コイル仕様、空隙磁束密度により決まる
定数 １：電流 ■。：電流振幅 式（７）の電流Ｉ　＝　Ｉ　ｏｇｉｎωＬに直流成分を
付加すると Ｉ　＝　Ｉ　、ｓｉｎωｔ＋Δ■　　　　・・・（８）
となり、これを式（７）に代入すると、Ｆ＝ΔＩ　ｏｓ
ｉｎωｔ　＋　　Ａ　・Δ工となり、リニアモータ推力
すなわち加振力にＡ・ΔＩなる直流成分を付加し、ΔＩ
＝ｋ・ΔＸ／Ａとすれば、振動中心位置をΔＸだけシフ
トすることができ、また、電流振１１１１゜の調節によ
り振動振幅Ｘを変えることもできる。

以上により、リニアモータの電流値の直流成分および交
流成分の制御により振動中心位置および振動振幅を制御
することができることが説明された。リニアモータのコ
イルに流す電流を、コイルに作用させる電圧に置き換え
ても同様の結果が得られることは言うまでもない。

本実施例は以上説明した原理に基づくものであり、次に
、その構成を詳細に説明する。

第２図に示す如く、本実施例においては、ディスプレー
サ用リニアモータ１にはディスプレーサ変位測定手段２
が、また、ピストン用リニアモータ３にはピストン変位
測定手段４が付設されている。変位測定手段２，４は差
動トランス形、静電容量形など、？ｌｌＩ！Ｉ定範囲や
周波数などに応じて形式が選定されるが、ここではその
形式は問わない。

本実施例における制御系を第１図に示す。第１図ではフ
リーピストン形スターリング冷凍機は略図的に示しであ
るが、これは第２図の構成のものであり、第２図と同じ
符号は同じ部分を示している。前記の変位測定手段２，
４夫々からの電圧出力（変位信号）は振動中心位置演算
器５および振幅演算器６の入力信号として取り込まれる
。演算器５．６内での動作は、演算方式により多数考え
られるが、−例をあげると、ある細かい時間間隔（振動
周期の数十等分〜数百等分が精度上、望ましい）で変位
信号を取り込み、取り込みタイミングの隣り同志の変位
信号の大小を逐次比較することにより、周期変動するピ
ストン変位信号およびディスプレーサ変位信号の夫々の
最大値と最小値を先ず求める。

次に、求めたこれら最大値と最小値を基に（最大植土最
小値）／２を求め、変位測定手段２，４の長さ、電圧変
換係数を掛けることにより、ピストンおよびディスプレ
ーサの夫々の振動中心位置を求め、他方、また、（最大
値−最小値）／２を求めてこれに変換計数を掛けるか、
もしくは、（最大値−振動中心位置の電圧）を求めてこ
れに変換係数を掛けることにより、ピストン及びディス
プレーサ夫々の振幅値が得られる。

振動中心位置演算器５で上記のように求めたピストン及
びディスプレーサ夫々の振動中心位置を制御器を兼ねた
比較器７で夫々の目標位置と比較し、振動中心位置が目
標位置から負側にずれている場合には、モータ電源８又
は１０からの電圧に対して直流電圧シフタ９又は１１で
正のオフセット（直流成分）を与えるように指令を出す
。逆に。

正側にずれている場合は負のオフセットを与える指令を
出す。

また、振幅演算器６で前記のように求めたピストンおよ
びディスプレーサ夫々の振幅を示す出力信号を比較器７
に取り込み、夫々の振幅目標値に比べて振幅が小さい場
合には、モータ電ｔＡ８又は１０の出力電圧振幅もしく
は出力電流振幅を増やし、大きい場合は減らすような指
令を出す。

以上のような制御系を植成することにより、ピストンお
よびディスプレーサ夫々の振動中心位置および振幅値を
適正な値に保つことができ、それ故に、冷凍機の性能安
定化を効果的に行うことができる。

第３図は第１図に示した制御系の制御フロー図を示す。

本図はピストン又はディスプレーサの一方のみに関する
制御フローを示しているが、他方に関する制御フローも
同様である。内容詳細は。

第１図に関する前記説明で既に述べた所から容易に理解
し得るであろうから、その説明は省略する。

ピストン用とディスプレーサ用の夫々の制御は独立に行
えるから、本図に示したフローを行う制御系を２つ用い
ることにより、両者の振動系の制御か可能となるが、変
位測定手段からの信号取り込みタイミングを、ピストン
用とディスプレーサ用とに分け、両者を交互の信号とし
てシリーズに取り込むことにすれば、１つの制御系でも
両者の制御が可能となる。

第４図にリニアモータの電圧もしくは電流オフセラ１〜
量（直流成分）に対する振動中心位置の変化を示す。本
特性は前記した通り、振動学およびＩＩ磁気学の理論よ
り得られるものであるが、実験的にも確認している。リ
ニアモータの推力定数（推力値と供給電流値との比）特
性と、振動中心位置シフト量と系のばね定数との積で決
まる加振力の直流成分値とから電流オフセット量が決ま
るから、リニアモータのインピーダンス特性を事前に把
握しておけば電圧又は電流オフセット量も一義的に決定
し得る。なお、電流もしくは電圧オフセット量に対し振
動中心位置は線形関係となるから、線形変化の傾きに関
する情報を制御系に入力しておくだけで、精度の高い制
御が実現できる。

他方、リニアモータ供給電流の振幅に対する振動振幅の
関係を第５図に示す。本図のように５これらも線形の関
係にあることがわかる。本特性も、同様に振動学と電磁
気学の理論から導かれたものであるが、実験的にも確認
している。ビス（〜ンおよびディスプレーサの振動振幅
は、冷凍機の冷却能力を決定する上で重要なパラメータ
となるが、モータ供給電流値に対し線形の関係にあるこ
とから、電流値に対する振動振幅の比例定数を事前に求
めておけば、振動中心位置と同様、容易に振動振幅を制
御することができる。

［発明の効果コ 本発明によれば、フリーピストン形スターリング冷凍機
を植成するピストンおよびディスプレーサの振動中心位
置を所定位置に設定できるから、振動中心位置の変化に
よる死容積の増加や、シリンダ端部との衝突を防止でき
、冷凍能力を維持できる効果がある。また、設定振動中
心位置に対し、振幅値の安定化あるいは任意の増減が可
能となるから、冷凍能力の維持のみならず、冷凍負荷に
応じた冷凍能力の制御を行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の制御系の図、第２図は本発明
実施例に係るフリーピストン形スターリング冷凍機の断
面図、第３図は同実施例の制御フロー図、第４図、第５
図はりニアモータ供給電流のオフセット量に対する振動
中心位置特性と、供＠電流の振幅値に対する振動変位特
性とを夫々示した図、第６図および第７図は夫々スター
リング冷凍機の原理を説明する構成模式図および熱力学
的サイクルの図である。 １・・・ピストン用リニアモータ ２・・・ピストン変位４１ｇ定手段 ３・・・ディスプレーサ用リニアモータ４・・・ディス
プレーサ変位測定手段 ５・・・振動中心位置演算器 ６・・・振幅演算器　　　　７・・・比較制御器８．１
０・・・リニアモータ電源 ９．１１・・・直流電圧シフタ 第１　図 餉３図 第４図 モータ伝給電流擢幅 艶６図 第７図 容 墳

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ディスプレーサ、ピストン、これらを囲み圧縮空間
   および膨張空間を形成するシリンダ、圧縮空間と膨張空
   間とを連絡する蓄冷器、ならびに、ピストンあるいはピ
   ストンおよびディスプレーサの両者を往復駆動するよう
   に交番電流で付勢されるリニア往復動電動機を具備した
   フリーピストン形スターリング冷凍機において、ピスト
   ンあるいはピストンおよびディスプレーサの両者の変位
   を測定する変位測定手段と、該変位測定手段の出力信号
   からピストンあるいはピストンおよびデイスプレーサの
   振動中心位置を算出する手段と、算出された該振動中心
   位置と目標振動中心位置との偏差を零あるいは所定の許
   容範囲内にするようにリニア往復動電動機への入力電流
   の直流成分を制御する手段とを備えたことを特徴とする
   フリーピストン形スターリング冷凍機。 ２　前記変位測定手段の出力信号からピストンおよびデ
   ィスプレーサの振幅を算出する手段と、算出された該振
   幅と目標振幅値との偏差を零あるいは所定の許容範囲内
   にするようにリニア往復動電動機への入力電流の交番成
   分を制御する手段とを設けた請求項１記載のフリーピス
   トン形スターリング冷凍機。 ３　前記リニア往復動電動機がコイル可動形リニア電動
   機もしくは永久磁石可動形リニア電動機である請求項１
   又は２記載のフリーピストン形スターリング冷凍機。