JPH0577943B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は極低温用冷凍機として用いられるフリ
ーピストン形スターリング冷凍機に係り、特にそ
の長寿化や最適性能の維持に好適な振動制御に関
する。

［従来の技術］ 従来、フリーピストン形スターリング冷凍機の
デイスプレーサやピストンに対して備えられるば
ねとして、磁気ばねを用いることが知られてい
る。この磁気ばねについては、アイ・イー・イ
ー・イー、トランザクシヨン オン マグネチツ
クス、エム エー ジー21（1985年）第1759頁か
ら第1761頁（IEEE，Trans.Magnetecs，
MAG21（1985）PP1759−1761）において論じら
れている。磁気ばねは永久磁石の同極を近接する
ことにより生じる反発力をばね力として利用した
ものであり、コイルばねや板ばねに代表される機
械ばねに対し、疲労等の問題がないため、冷凍機
の高寿命化の観点から言えば非常に効果的であ
る。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような磁気ばねでは、永久
磁石により形成される磁界は一定であるため、ば
ねの主特性であるばね定数は、機械ばねと同様一
定であり、変えることはできなかつた。したがつ
て、フリーピストン形スターリング冷凍機の熱負
荷や圧縮熱冷却の状態が常に一定である場合は良
いが、これらが変動する場合には、ばね定数が一
定であるため、性能に大きな影響を及ぼすピスト
ンとデイスプレーサの最適振動位相差が変化し、
最適効率点での運転を維持できないという問題点
があつた。

本発明の目的は上記問題点に鑑み、疲労等の寿
命に影響を及ぼす因子を排除し、さらには運転状
況に応じばね定数を変え振動系を制御することに
より最適効率点での運転を維持できるフリーピス
トン形スターリング冷凍機を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的は、振動系のばねを機械ばねや磁気ば
ねから電気ばねに変えることにより達成される。

すなわち、本発明の特徴とするところは、ピス
トン、デイスプレーサ、これらを囲むシリンダよ
り構成され、該ピストンおよびデイスプレーサが
コイル固定−永久磁石可動形リニアモータにより
駆動されるフリーピストン形スターリング冷凍機
において、前記デイスプレーサを駆動するコイル
固定−永久磁石可動形リニアモータがモータ用コ
イルと電気ばね作用をさせるための電気ばね用コ
イルを備えるものであつて、該電気ばね用コイル
の推力特性を該デイスプレーサの変位特性と180
度位相がずれた推力特性にするように電気ばね用
コイルへの供給電流を制御する手段を備えた構成
としたことにより、これにより、電流力により推
力が得られるリニアモータの原理を逆に働かせて
電気ばねを構成し、電流値を調節するとことによ
り、ばね定数を可変とするものである。

［作用］ コイル固定−永久磁石可動形リニアモータはデ
イスプレーサに取り付けられた永久磁石により形
成される磁界の中に、ヨーク部に固定されている
コイルがおかれる。コイルに電流を流すことによ
り、磁界中を流れる電流に基づくフレミングの左
手則より導かれる力がコイルに作用する。コイル
がヨーク部に固定されていれば反力として永久磁
石側に力が作用するから永久磁石が移動する。

いま、デイスプレーサに取り付けられている永
久磁石部に外力（デイスプレーサに作用する圧力
差）が作用し振動している場合、変位に比例する
ような振動とは逆方向の力をヨーク部に固定した
コイルに作用するよう電流を流してやればばね効
果が得られ、また電流値を制御することにより永
久磁石に作用する力を変えることができるからば
ね定数を容易に変えることができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図により説明す
る。本図はフリーピストン形スターリング冷凍機
のデイスプレーサ２に接続されたコイル固定−永
久磁石可動形リニアモータ１の構造を示したもの
である。図中、３は電気ばね用コイル、４はモー
タ用コイル、５は永久磁石、７はポールピースで
あり、永久磁石５はデイスプレーサ２に直接取り
付けられており、これを囲んでいるコイル３，４
はヨーク１６に取り付けられている。デイスプレ
ーサ２には変位測定手段６が取り付けられてい
る。永久磁石５からの磁束はポールピース７から
放射状に外側に拡がり、コイル３，４が置かれた
ギヤツプを通り、さらにモータ１のヨーク部１６
を通つた後、再び永久磁石５に戻る。

フリーピストン形スターリング冷凍機のデイス
プレーサ２にはピストンにより圧縮された気体が
上下に作用するが、流路での損失や温度差により
上下にはサイクリツクな圧力差ができ、これによ
り上下に加振される。このとき可動部の振動は加
振力のみならず質量やばね定数に大きく影響を受
ける。

いまデイスプレーサ２が図に示すような正弦振
動をしたとする。このとき本発明実施例において
は、この波形に対し位相が180°ずれた正弦波状の
電流を磁界の中におかれたコイル３に流す。すな
わちデイスプレーサ２が中立点より下がつた時に
コイル３には正方向、すなわち上向きに推力が作
用する方向に電流を流し、中立点より上がつた時
にはコイル３に負方向、すなわち下向きに推力が
作用する方向に電流を流す。推力は前記した通り
変位に比例した絶対値を持つからばね力として作
用する。したがつて、電流の大きさを制御するこ
とによつてばね定数を変えることが可能である。

本実施例はコイルに流す電流と推力の間には位
相差がないという前提での構成となつているが、
コイルの構造によつては当然ながら位相差が出
る。このときは、振動波形に対し該位相差を考慮
して電流位相を変えてやれば良く、基本的には特
に問題はない。

本発明の実施例の作用を解析的に検証してみ
る。フレミングの左手則を数式化すると式(1)で表
される。

Ｆ＝Ｎ・ｌ・Ｉ・Bg …(1) ここで Ｆ：コイルに作用する力（Ｎ） Ｎ：コイル巻数 ｌ：コイル円周長（ｍ） Ｉ：電流（Ａ） Bg：コイル部分の磁束密度（Ｔ） (1)式でＮ×ｌはコイル形状により決まる値、
Bgは永久磁石の仕様や電気ばね部の幾何学的形
状により決まる値であるから定数として扱つて良
い。すなわちコイルに作用する力、言い換えるな
ら可動部である永久磁石に反力として作用する力
はコイルに供給される電流により決まる。

いま、デイスプレーサの永久磁石部５が外力に
より式(2)に示すように振動をしているとする。

ｘ＝x^cos ωt …(2) ここで ｘ：永久磁石の変位（ｍ） x^：永久磁石の振幅（ｍ） ω：角速度（rad／ｓ） ｔ：時間（Ｓ） このときコイルに式(2)で示した変位に比例する電
流を流したとすると永久磁石に作用する力は式(3)
で表される。

Fmg＝（Ｎ・ｌ・Bg）I^cos ωt …(3) ここで Fmg：永久磁石に作用する力（Ｎ） I^：電流振幅（Ａ） 式(3)に式(2)を代入し、変位ｘで微分してやればば
ね定数keが得られる。

ke＝dFmg／dx＝ｄ／dx（NlBgI^／ｘｘ）＝
NlBgI^／ｘ…(4) すなわち電流振幅と変位振幅によりばね定数
keを変えることができるから、コイルへ供給す
る電流値により電気ばねのばね定数を制御するこ
とが可能である。

他方、デイスプレーサの運転方程式は式(5)で与
えられる。

Mdx¨＋（Pe−Pc）Ad＋keX＝０…(5) ここで Md：デイスプレーサ質量 ｘ：デイスプレーサ変位 Pe−Pc：デイスプレーサ前後の圧力差 Ad：デイスプレーサ断面積 ke：支持ばねのばね定数（電気ばね） 圧力差Pe−Pcは、デイスプレーサとピストン
との相対速度、および蓄冷器内等の流路損失によ
り決まるから、 Pe−Pc＝Cddｘ・＋Cppｙ・ …(6) ここで Cdd：蓄冷器内の圧力損失を示す係数 Cpp：蓄冷器内の圧力損失を示す係数 ｙ：ピストン変位 となる。なお(5)(6)式でダンビングによる損失分は
考慮していない。式(6)を式(5)に代入してピスト
ン、デイスプレーサが位相差αをもつて正弦振動
するものとすれば、 （Mdω²x^＋Cppω・y^・Ad・sin α−kex^）cos
ω ｔ＝−（Cddω・x^・Ad＋Cpp・ω・y^・Ad
cos α）sinω ｔ …(7) なお、ピストンとデイスプレーサとの正弦振動
は式(8)(9)であるものとした。

ｘ＝ｘ cosω ｔ …(8) ｙ＝ｙ cos（ω ｔ−α） …(9) ここでωは角周波数、x^、y^は振動振幅、ｔは
時間である。

式(7)が任意の時間ｔに対して成り立つとすれ
ば、式(10)(11)となる。

α＝tan^-1｛Md（ω²−ωd²）／（CddωAd） …(10) ωd²＝ke／Md …(11) 式(10)な式(7)に代入すれば x^＝−Cpp／Cddy^ cosα …(12) 冷凍能力Qeは式(13)で表される。

Qe＝Ｚ・x^y^ sinα …(13) ここで Ｚ：圧力変化等による係数 以上説明したように、電気ばね定数keにより
ピストンとデイスプレーサの位相差αは影響を受
け、結果的には冷凍能力に対しても影響を与え
る。したがつて、圧力損失の変動等、ke以外の
位相差αの影響因子が変化しても電気ばね定数
keを制御することにより位相差αを最適値に維
持することができる。

なお、電気ばねの他に、デイスプレーサに駆動
力を与えるためのリニアモータとしての機能を併
用することも可能であり、以下これについて述べ
る。

すなわち、本発明の対象とするフリーピストン
形スターリング冷凍機においては、デイスプレー
サはその両端に作用する圧力の差により駆動力が
与えられる。すなわち、デイスプレーサの両端を
蓄冷器を介して接続し構成される作動媒体の流路
中を作動媒体が往復流動する際に生じる圧力損
失、両端の温度差に起因する圧力差などが駆動力
となる。したがつて、作動媒体を圧縮、膨張させ
るピストンと作動媒体を移動させるためのデイス
プレーサとの相対運動により前述した圧力差はサ
イクリツクに変動し、それに伴い駆動力も変動す
ることになる。いま、往復流動する作動媒体の流
量が何等かの理由、例えばピストンの振動数低
下、蓄冷器の破損等により低下した場合を想定す
ると、デイスプレーサ両端に作用する圧力差（圧
力差変動の最大値と最小値の幅）が小さくなるか
ら駆動力も低下する。このため、デイスプレーサ
の振動振幅が小さくなり冷凍能力の低下を招くこ
とがある。この場合には、デイスプレーサに電気
ばねの機能を作用させる他に、駆動力を与えるた
めのリニアモータとしての機能を併せ作用させる
ことが可能である。具体的には、変位に比例し振
動速度方向に逆向きの力を与えるのが電気ばねで
あるのに対し、リニアモータの場合、サイクリツ
クに変動する圧力差と位相が合致した力が出るよ
うな特性にしてやれば良いことになる。これは図
中のモータ用コイル４に通電することによつて行
うことができる。

振動学によれば駆動力と変位の間には位相差が
存在し、振動系の固有値と駆動周波数との関係に
より0°から180°の位相差を有することになる。こ
のうち、固有値と駆動周波数が一致する点、すな
わち共振点であれば位相差は90°となり、固有値
の方が高い場合は90°より小さく、駆動周波数の
方が高い場合は90°より大きくなる。フリーピス
トン形スターリング冷凍機の場合、通常、デイス
プレーサ振動系の固有値は駆動振動数より高い所
に設定するから、変位に対して０〜90°の位相差
を持つ力をリニアモータとして作用させれば良
い。

第２図は他の実施例を示す。本実施例ではデイ
スプレーサ２だけでなくピストン１１の振動系を
も考慮してある。以下、本実施例について説明す
る。フリーピストン形スターリング冷凍機の特性
を第３図、第４図に線図として示す。ピストンと
デイスプレーサの振動位相差αにより冷凍機の冷
却能力はピークを持つた特性を示す。一方、ばね
定数の平方根により決まるデイスプレーサの固有
振動数により振動位相差αは影響を受けるから、
冷却能力は固有振動数に対してもピークを持つた
特性となる。さらにデイスプレーサの振幅x^は固
有振動数が増加するに従い、減小する傾向にあ
る。以上示したフリーピストン形スターリング冷
凍機の特性から、デイスプレーサの固有振動数、
すなわち振動系を構成するばねのばね定数を振動
位相差を制御対象として調整することにより、最
適効率点で駆動することが可能となる。第２図に
示した実施例は上記内容を実現するように発明し
たものである。ピストン１１およびデイスプレー
サ２に接続された変位測定手段６および１２から
の測定信号に基づき位相差演算器１４にて演算し
た振動位相差情報を用い、最適値演算回路１７よ
りデイスプレーサ２用のモータ１に内蔵された電
気ばね用コイル３への供給電流を増幅器１３によ
り制御しようというものである。この制御は前も
つて最適振動位相差に関する情報を最適値演算回
路１７中のROM等に記憶させておくことによつ
て容易に実現できる。

以上ではデイスプレーサ２部分にのみ言及して
いたが、本実施例ではピストン１１部分にも同様
の考えを適用してある。ピストン１２の場合、作
動媒体を圧縮、膨張させるためリニアモータ８に
より往復動力を与えるが、慣性力に伴うモータ入
力を減らすため、ばね−質量で構成させる振動系
を共振点近傍で駆動させる方法が良くとられる。
しかしながら、系のばねをガスばねや機械ばねで
構成する場合、ばね定数は一義的に決まつてしま
うから、運転中、圧力や温度の変化によりダンピ
ング状態が変動すると系の固有値が変わり振動振
幅が変わつてしまう。このような場合でもピスト
ン１１用モータ８に内蔵された電気ばね用コイル
９に反転増幅器１５から得られた変位信号とは逆
位相の電流を供給することにより駆動周波数近傍
の固有周波数状態に設定し、入力低減を図ること
は可能である。さらにデイスプレーサ２の変位を
調整する場合、変位測定手段６からの変位信号に
よりモータ用コイル４への供給電流を電源１６に
より制御しデイスプレーサ加振力を増減すれば良
い。なお、電源１６からの電流は振動周波数と固
有振動数とに応じ、変位に対する位相差0°から
90°の間で制御してやれば良く、PLL回路を併設
することにより容易に実現できる。

以上示したようにリニアモータ部コイルへ供給
する電流を制御することにより電気ばねのばね定
数、ひいては振動位相差による冷却能力、効率の
向上、維持を図ることができる。制御する場合の
情報として何を用いるかに関していえば、本発明
ではピストンとデイスプレーサの振動位相差を電
気ばねのばね定数を変えることにより調整するこ
とを意図しているから、該振動位相差を直接制御
情報として用いることが望ましい。そのため、ピ
ストンとデイスプレーサの動的変位を検出し、そ
こから位相差を求める方法を採用した。また、動
的変位を検出することにより振動振幅を把握する
こともできるから、モータとしての機能を併用し
て振幅を安定させる場合の制御情報としてもこれ
を用いることができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、フリーピストン形スターリン
グ冷凍機のデイスプレーサ部やピストン部振動系
を構成するばねを機械ばねもしくは磁気ばねから
電気ばねに換えたことにより、電気ばねに供給す
る電流により振動系のばね定数を可変にできるか
ら、系の固有振動数を制御できるとともに、従
来、一定のばね定数すなわち固有振動数のもとで
決まつていたピストンとデイスプレーサの振動位
相差を可変することができるから、熱負荷や圧縮
ガス冷却部に変化がある場合でも、常に最適振動
位相差のともで駆動し、デイスプレーサを共振点
近傍で駆動することができ、したがつて、小さい
加振力でデイスプレーサの大きな振幅が得られ、
最適効率状態を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すデイスプレー
サ用リニアモータの断面図、第２図は別の実施例
を示すピストン及びデイスプレーサ用モータの断
面図と制御系の概略図、第３図、第４図はフリー
ピストン形スターリング冷凍機の特性図である。 １，８……永久磁石可動形リニアモータ、２…
…デイスプレーサ、３，９……電気ばね用コイ
ル、４，１０……モータ用コイル、５……永久磁
石、６，１２……変位測定手段、１１……ピスト
ン、１３……増幅器、１４……位相演算器、１５
……反転増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ピストン、デイスプレーサ、これらを囲むシ
   リンダより構成され、該ピストンおよびデイスプ
   レーサがコイル固定−永久磁石可動形リニアモー
   タにより駆動されるフリーピストン形スターリン
   グ冷凍機において、前記デイスプレーサを駆動す
   るコイル固定−永久磁石可動形リニアモータがモ
   ータ用コイルと電気ばね作用をさせるための電気
   ばね用コイルを備えるものであつて、該電気ばね
   用コイルの推力特性を該デイスプレーサの変位特
   性と180度位相がずれた推力特性にするように電
   気ばね用コイルへの供給電流を制御する手段を備
   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 前記電気ばね用コイルへの供給電流を制御す
   る手段は、前記デイスプレーサの固有振動数を制
   御することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のフリーピストン形スターリング冷凍機。 ３ 前記電気ばね用コイルへの供給電流を制御す
   る手段は、前記ピストンとデイスプレーサの振動
   位相差を制御することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のフリーピストン形スターリング冷
   凍機。