JPH10253184A

JPH10253184A - 冷凍機

Info

Publication number: JPH10253184A
Application number: JP6070397A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kajitani; 淳梶谷; Nobuo Fujii; 信生藤井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 1998-09-25
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: JP3355985B2

Abstract

(57)【要約】【課題】冷凍機内部の作動ガス圧力や温度は、冷凍機
の外部環境温度や冷凍機の低温室の温度や冷凍機の冷却
性能によって変化するため最大冷熱量を必要とする場面
では、圧縮機ガス圧力によって圧縮抵抗が異なるので、
圧縮機動作を最大に制御することができず部品の衝突や
破損または発生冷熱量の低下が起こる。【解決手段】圧縮機または高温室の内部の作動ガスに
ついて温度または圧力を検出し、検出温度または圧力
と、低温室温度とに応じた電力操作を行う。最大冷熱量
を必要とする場面では圧縮機動作を最大に制御する電力
操作、低温室温度を目標値に保つ場面では冷却効率を反
映した電力操作を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば赤外線検
知素子を例えば８０Ｋ程度の低温に冷却する冷凍機に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】冷凍機の例として図７に特願昭６２−２
７０９９７に記載されている従来のスターリング冷凍機
の構成例を示す。図７においてスターリング冷凍機は、
大きく分けて圧縮機１と膨張機２と電源３５と電力量制
御器３６より構成される。圧縮機１は支持ばね１８によ
り位置決めされたピストン１６が第１のシリンダ１７内
部を往復運動する構造となっている。ピストン１６には
非磁性材料からなる軽量のスリーブ１９が連結されてい
る。またスリーブ１９には導電体が巻き付けられ、可動
コイル２０が形成されている。可動コイル２０はハウジ
ング２１の壁を通して外部に伸びる第１のリード線２２
及び第２のリード線２３と接続している。これらのリー
ド線２２，２３はハウジング２１の外側に第１の電気接
点２４及び第２の電気接点２５を持ち、電源３５と接続
している。ハウジング２１内には環状永久磁石２６及び
ヨーク２７が設けられており、これらは、閉磁気回路を
構成している。可動コイル２０は環状永久磁石２６及び
ヨーク２７からなる閉磁気回路に設けられた間隙２８内
でピストン１６の軸方向に往復運動できる構造になって
いる。間隙２８内には可動コイル２０の運動方向を横切
る半径方向に永久磁界が存在する。以上のスリーブ１
９、可動コイル２０、リード線２２，２３、環状永久磁
石２６、ヨーク２７は全体としてリニアモータ２９を構
成している。第１のシリンダ１７の内側のピストン１６
上部の内部空間を圧縮室３０と呼ぶ。圧縮室３０には例
えばヘリウムなどの高圧の作動ガスが封入されている。
圧縮室３０内の作動ガスが第１のシリンダ１７とピスト
ン１６の隙間を通過しないように第１のシリンダ１７と
ピストン１６の隙間にはシール３１，３２が設けられて
いる。以上が圧縮機１の構成である。

【０００３】膨張機２は円筒状の第２のシリンダ３及び
共振ばね４により係合され第２のシリンダ３内を摺動自
在に往復するディスプレーサ５を有している。第２のシ
リンダ３内部の空間はディスプレーサ５によって２分割
されており、ディスプレーサ５より上方の空間を低温室
６、下方の空間を高温室７と呼ぶ。ディスプレーサ５内
部には再生器８、ガス通過孔９，１０が設けられ、低温
室６と高温室７は再生器８とガス通過孔９，１０を介し
て連通しており、再生器８には例えば銅の金網などの蓄
冷材１１が充填されている。第２のシリンダ３とディス
プレーサ５の隙間を作動ガスが通過しないようにディス
プレーサ５と第２のシリンダ３の隙間にはシール１２，
１３が設けられている。膨張機２の各室には圧縮機１と
同様に例えばヘリウムなどの高圧の作動ガスが封入され
ている。以上が膨張機２の構成である。圧縮機１の圧縮
室３０と膨張機２の高温室７は、連結管１４を介して連
通している。また、圧縮室３０、高温室７、再生器８、
低温室６は互いに連通しており、これらの室全体を作動
室１５と呼ぶ。

【０００４】電力量制御器３６は、スイッチ４０、第１
の電力量補正モジュール４１、定温補償モジュール４
２、及び起動時電力量制御モジュール４３から構成され
る。膨張機２の低温室６の上部には温度検出器３７が設
けてあり低温室６の温度を検出する。低温室温度検出器
３７の検出信号はスイッチ４０、第１の電力量補正モジ
ュール４１、及び定温補償モジュール４２に接続されて
いる。スイッチ４０は低温室温度検出器３７の検出信号
により、第１の電力量補正モジュール４１の出力に従う
クールダウンモード、定温補償モジュール４２の出力に
従う定温制御モードを切り替える。第１の電力量補正モ
ジュール４１は温度検出器３７の検出信号を入力として
リニアモータ２９に供給する電力量を操作する。定温補
償モジュール４２は温度検出器３７の検出信号を入力と
して検出温度を一定値となるようリニアモータ２９に供
給する電力量を操作する。起動時電力量制御モジュール
４３は電源起動時にリニアモータ２９への電力量を徐々
に増加させるように操作する。電力量制御器３６は各モ
ジュールによる操作の積をとり電力量を決定する。電源
３５はこの決定に基づいてリニアモータ２９に出力す
る。

【０００５】上記のように構成された従来のスターリン
グ冷凍機の動作について説明する。電源３５より電気接
点２４，２５及びリード線２２，２３を介して可動コイ
ル２０に交流電流を供給すると、可動コイル２０には間
隙２８中の永久磁界との相互作用により軸方向にローレ
ンツ力が働く。その結果ピストン１６と可動コイル２０
からなる組立体はピストン１６の軸方向で上下に移動す
る。今、可動コイル２０に正弦波電流を印加すると、ピ
ストン１６はシリンダ１７の内部を往復運動し、圧縮室
３０から低温室６に至る作動室１５のガス圧力に正弦波
状の波動を与える。この正弦波状の圧力波動によりディ
スプレーサ５内の再生器８を通過する作動ガスの流量が
周期的に変化し、再生器８による圧力損失によってディ
スプレーサ５の両端には周期的な圧力差が生じる。この
圧力差と共振ばね４の共振によって再生器８を含むディ
スプレーサ５はピストン１６と同じ周波数かつ異なった
位相で膨張機２内を軸方向に往復する。ピストン１６及
びディスプレーサ５が適当な位相差を保って運動すると
き、作動室１５に封入された作動ガスは「逆スターリン
グサイクル」として既知の熱力学サイクルを構成し、主
として低温室６に冷熱を発生する。

【０００６】上記「逆スターリングサイクル」とその冷
熱発生の原理については、文献「Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ
ｓ」（Ｇ．Ｗａｌｋｅｒ，ＰｌｅｎｕｍＰｒｅｓｓ，
ＮｅｗＹｏｒｋ，１９８３，ＰＰ．１１７〜１２３）
に詳細に説明されている。以下にその原理について説明
する。ピストン１６により圧縮された圧縮室３０内の作
動ガスは高温室７、ガス通過孔９、再生器８に流れ込
む。作動ガスは、再生器８では半サイクル前に蓄えられ
た冷熱により予冷され、低温室６内に入る。そして、大
部分の作動ガスが低温室６内に入ると膨張が始まり、低
温室６内に冷熱を発生する。作動ガスは、次に逆の順序
で再生器８に冷熱を放出しながら流路を戻り圧縮室３０
に入る。この時、膨張機２先端部から熱を奪いその外部
を冷却する。このようにして、大部分の作動ガスが圧縮
室３０内に戻ると再び圧縮が始まり、次のサイクルに移
動する。以上のようなプロセスを繰返すことにより低温
室６の温度は徐々に低下し、例えば８０ケルビン程度の
低温を得ることができる。

【０００７】このようなスターリング冷凍機は、例えば
赤外線検出器に用いられ、例えば８０ケルビン程度の一
定温度を保つようにして自動制御により動作させる。そ
の場合、２つの動作モードに区別して動作させるのが普
通である。すなわち、低温室６の温度が目標の温度に対
しある程度以上高温の場合には、目標の温度近傍までの
冷却時間（クールダウンタイム）の短縮を目的として、
低温室６に発生する冷熱量が最大となるような動作モー
ド（クールダウンモード）で駆動し、目標の温度近傍と
なってからは目標値に収束させ維持するような動作モー
ド（定温制御モード）で駆動する。両モードの切換はス
イッチ４０により行われる。クールダウンモードにおい
ては、常にピストン１６の振幅を最大とすることで最大
の冷熱量を得ることができる。リニアモータ２９に供給
される電力量を一定とした場合、ピストン１６の振幅は
低温室６の温度により変動し、低温室６の温度が低下す
るにつれて小さくなる。これは低温室６の温度の低下に
ともない、低温室６内作動ガスの粘性が増大し圧縮機１
の圧縮負荷が増加することによる。そこで第１の電力量
補正モジュール４１は温度検出器３７により検出された
低温室６の温度信号を入力とし、低温室６の温度が低下
するにつれてリニアモータ２９への供給電力量を増大さ
せるよう操作する。一方、定温制御モードにおいては定
温補償モジュール４２が低温室６の温度信号を入力と
し、低温室６の温度変動が例えば０．１ケルビン以下と
なるように電源３５のリニアモータ２９への供給電力量
を制御する。低温補償モジュール４２の具体的な処理内
容としては、低温室温度と目標温度の差を算出し、算出
温度差を時間積分して電力操作量とするのが一般的であ
る。また、起動時電力量制御モジュール４３は、電源起
動時に可動コイル２０に供給される電力量が急激に増大
しないように徐々に電力量を増大するよう操作し、ピス
トン１３の振幅が可動範囲を越えて動作し部品が衝突し
破損することを防止する。電力量制御器３６は、第１の
電力量補正モジュール４１または定温補償モジュール４
２、及び起動時電力量制御モジュール４３によるそれぞ
れの操作を積算してリニアモータ２９に供給する電力量
を決定し、電源３５に指示する。リニアモータ２９に供
給する電源３５はこの決定に基づいてリニアモータ２９
に出力する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来装置
には以下に述べるような課題があった。クールダウンモ
ードにおいては、ピストン１６の振幅を常に最大振幅に
維持すればクールダウンタイムを最短にできる。しか
し、この振幅は実際には低温室６の温度だけでなく、圧
縮室３０内の作動ガス圧力によっても変化する。低温室
６の温度を一定とし、一定電力を供給したときの圧縮室
３０内の作動ガス圧力とピストン１６の振幅の関係を図
８に示す。図８において、Ｐ１０，Ｓ１０は、例えば圧
縮室３０内の作動ガス圧力が１０ｋｇ／ｃｍ²の時の供
給電力とピストン１６の振幅、Ｐ１５，Ｓ１５は、例え
ば圧縮室３０内の作動ガス圧力が１５ｋｇ／ｃｍ²の時
の供給電力とピストン１６の振幅である。図８からわか
るようにガス圧力が高いときほど、振幅が小さくなる。
これは、ガス圧力により圧縮抵抗が異なるためである。
圧縮室３０内の作動ガス圧力はガス温度にほぼ比例す
る。圧縮室３０内の作動ガス温度は冷凍機が起動してい
なければ冷凍機の外部環境温度と一致し、起動後は外部
環境温度より上昇する。したがって、圧縮室３０内の作
動ガス温度は、冷凍機の使用環境温度範囲よりも広い温
度範囲において変化する。これにより、前記のように低
温室６の温度だけで電力供給量を補正しても、圧縮室３
０のガス温度によってピストン１６の振幅が異なり、常
に最大振幅で動作させることができない。すなわち、ク
ールダウンモードにおいて、ガス温度が高い場合には圧
力振幅が小さくなるので冷却速度が低下しクールダウン
タイムが長くなり、逆に、ガス温度が低い場合にはピス
トン１６の振幅が大きくなり可動範囲を越えて動作し、
可動コイル２０がハウジング２１やヨーク２７と衝突し
て破損するという課題があった。

【０００９】一方、定温制御モードにおいては、高温室
７の内部の作動ガス温度によって、低温室６の温度安定
精度が変動するという課題があった。この課題の詳細に
ついて以下に説明する。冷凍機が生成し得る冷熱量は高
温室温度をＴＨ、低温室温度をＴＬとしたとき数１で表
されるカルノー効率ηによって決まる。数１は低温部の
温度を一定且つ冷凍機の冷却性能を一定としたとき、高
温室７の内部の作動ガスが高温であるほど、電力操作量
に対する発生冷熱量応答が小さくなることを示してい
る。つまり従来の冷凍機のように、高温室７の内部の作
動ガス温度に関係なく、低温室６の温度だけを検出して
低温室６の温度制御をした場合、高温室７の内部の作動
ガス温度が高ければ温度安定精度は良いが応答が遅くな
り、高温室７の内部の作動ガス温度が低ければ応答は速
いが温度安定精度が悪くなるという課題があった。ま
た、低温室温度に関して複数の目標温度を設定する場合
にも同様の課題があった。

【００１０】

【数１】

【００１１】また、冷凍機の寿命に関しては以下に説明
するような課題があった。一般に冷凍機は長期間使用を
続けていると次第に冷却性能が劣化し、目標の低温が得
られなくなる。上記のようなスターリング冷凍機の場合
は主に摺動部の摩耗によって次第に冷却性能が劣化し、
入力電力量に対する発生冷熱量が次第に減少する。定温
補償モジュール４２は低温室６の温度が一定の低温にな
るように電力量を操作するので、冷却性能の劣化にとも
ない次第に電力量は増加していき、遂には許容電力値に
達した後、冷凍機は目標の低温が得られなくなってその
機能を失う。ここで、従来の冷凍機では、前記許容入力
電力値すなわち定温補償モジュール４２の電力量操作範
囲の上限値は、圧縮機１の内部の作動ガス温度によらず
一定値に設定していた。しかしながら、上記のように、
ピストン１３の振幅及びカルノー効率は圧縮機１の内部
の作動ガス温度によって異なる。よって従来の冷凍機が
寿命に近づくと、圧縮機１の内部の作動ガス温度が低い
場合には供給電力量が設定上限値に達していないのに部
品衝突や破損が生じ、圧縮機１の内部の作動ガス温度が
高い場合にはピストン１３の動作振幅に余裕があるにも
かかわらず電力制限によって目標の低温まで冷却できな
くなる。これにより結果的に冷凍機としての寿命が短縮
するという課題があった。

【００１２】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、ガス温度の変化による、クール
ダウンタイムの延長、部品の衝突と破損、及び温度安定
性の変動を防止できる冷凍機を得ること、またこれによ
り冷凍機寿命の短縮を防止することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１の発明による冷凍機
は、従来の冷凍機に加え、圧縮機内部の作動ガス圧力を
検出し、圧力が高いほどリニアモータに印加する電力量
を大となるように操作する電力量制御により、圧縮抵抗
変動によらず常に可動部品を衝突や破損させることなく
可動範囲において最大動作をさせる手段を設けたことを
特徴とする。

【００１４】また、第２の発明による冷凍機は、従来の
冷凍機に加え、圧縮機内部の作動ガス圧力を検出し、圧
縮機内部の作動ガス圧力と低温室温度から近似的に求ま
るカルノー効率に反比例した電力操作により、圧縮機内
部の作動ガス圧力や目標とする低温室温度の値によらず
均一な低温室温度安定精度を得る手段を設けたことを特
徴とする。

【００１５】また、第３の発明による冷凍機は、従来の
冷凍機に加え、圧縮機内部に設置された温度検出器によ
って圧縮機内部の作動ガス温度を検出し、温度が高いほ
どリニアモータに印加する電力量を大となるように操作
する電力量制御により、圧縮抵抗変動によらず常に可動
部品を衝突や破損させることなく可動範囲において最大
動作をさせる手段を設けたことを特徴とする。

【００１６】また、第４の発明による冷凍機は、従来の
冷凍機に加え、圧縮機内部に設置された温度検出器によ
って圧縮機内部の作動ガス温度を検出し、圧縮機内部の
作動ガス温度と低温室温度から求まるカルノー効率に反
比例した電力操作により、圧縮機内部の作動ガス温度や
目標とする低温室温度の値によらず均一な低温室温度安
定精度を得る手段を設けたことを特徴とする。

【００１７】また、第５の発明による冷凍機は、従来の
冷凍機に加え、圧縮機外部に設置された温度検出器によ
って圧縮機外部表面温度を検出し、温度が高いほどリニ
アモータに印加する電力量を大となるように操作する電
力量制御により、圧縮抵抗変動によらず常に可動部品を
衝突や破損させることなく可動範囲において最大動作を
させる手段を設けたことを特徴とする。

【００１８】また、第６の発明による冷凍機は、従来の
冷凍機に加え、圧縮機外部に設置された温度検出器によ
って圧縮機外部表面温度を検出し、圧縮機外部表面温度
と低温室温度から近似的に求まるカルノー効率に反比例
した電力操作により、圧縮機外部表面温度や目標とする
低温室温度の値によらず均一な低温室温度安定精度を得
る手段を設けたことを特徴とする。

【００１９】また、第７の発明による冷凍機は、従来の
冷凍機に加え、冷凍機の外部環境温度を検出し、温度が
高いほどリニアモータに印加する電力量を大となるよう
に操作する電力量制御により、圧縮抵抗変動によらず常
に可動部品を衝突や破損させることなく可動範囲におい
て最大動作をさせる手段を設けたことを特徴とする。

【００２０】また、第８の発明による冷凍機は、従来の
冷凍機に加え、冷凍機の外部環境温度を検出し、外部環
境温度と低温室温度から近似的に求まるカルノー効率に
反比例した電力操作により、外部環境温度や目標とする
低温室温度の値によらず均一な低温室温度安定精度を得
る手段を設けたことを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】

実施の形態１図１はこの発明の実施の形態１を示すスターリング冷凍
機構成図である。１から３５，３７，４０から４３は上
記従来装置と同一のものであり、ここでは省略する。図
において３８は圧縮機１の内部に取り付けられ作動ガス
の圧力を検出する圧力検出器であり、この圧力検出器３
８の出力端は第２の電力量補正モジュール４４及び圧力
−温度変換モジュール５５に接続されている。ここでガ
ス温度がガス圧力に比例することを利用する。圧力−温
度変換モジュール５５は圧力信号を温度信号に変換す
る。第２の電力量補正モジュール４４は圧力検出器３８
の検出信号を入力とし、圧縮機１の内部の作動ガス圧力
が高いときほどリニアモータ２９への供給電力量を増大
させるよう操作する。前記ガス圧力に対する電力量の変
化量は、この場合、ガス圧力に対する支持ばね１８とピ
ストン１６が形成するばね−質量系の共振周波数の変化
から逆算して、例えば図５に示すように、常にピストン
１６の振幅が可動範囲の最大値Ｓｍａｘになるような値
を求める。一方、熱量利得補償モジュール５２は、圧縮
機内ガス温度と低温室温度から求まるカルノー効率の逆
数を出力する。また電力リミッタ５３は定温補償モジュ
ール４２及び熱量利得補償モジュール５２によって操作
される電力量が、ピストン振幅が可動範囲を越える値と
ならないように電力量を制限する。この制限値は第１の
電力量補正モジュール４１及び第２の電力量補正モジュ
ール４４により操作された電力量に一致する。よって電
力リミッタ５３は第１の電力量補正モジュール４１及び
第２の電力量補正モジュール４４により操作された電力
量と、定温補償モジュール４２及び熱量利得補償モジュ
ール５２により操作された電力量とを比較して、どちら
か小さい方の値を出力するようにする。電力量制御器３
６は第１の電力量補正モジュール４１または定温補償モ
ジュール４２、及び起動時電力量制御モジュール４３、
第２の電力量補正モジュール４４による操作を積算して
電力量を決定する。

【００２２】このように構成された冷凍機では、起動時
電力量制御モジュール４３による起動時制御後のクール
ダウンモードにおいては、リニアモータ２９に供給され
る電力量には常に低温室６の温度に対応した補正と圧縮
機１の内部の作動ガス圧力に対応した補正がなされ、ピ
ストン１３は振幅を常に可動範囲の最大値に保って動作
することが出来る。したがって、作動ガスの圧力振幅を
最大値に保ち低温室６に発生する冷熱量を最大値に維持
できるので、可動コイル２０をハウジング２１やヨーク
２７に衝突させて破損することなく、クールダウンタイ
ムを短縮できる。一方定温補償モードでは目標低温室温
度と高温室温度によって常にカルノー効率を考慮した電
力操作を行うので、熱制御系としてとらえた場合の補償
特性が目標低温室温度や高温室温度によらず均一にな
り、温度安定性や応答速度を均一にすることができる。
また、定温補償モードにおける電力操作範囲は、電力リ
ミッタ５３によりピストン振幅が可動範囲の最大値とな
る値を上限としているので、冷凍機の冷却効率の劣化が
進んでも、可動コイル２０をハウジング２１やヨーク２
７に衝突させて破損することなく、ピストン振幅が可動
範囲の最大値となるまで冷凍機として機能する。

【００２３】ここで圧力検出器３８の取付位置は圧縮機
１の内部または高温室７の内部であればどこでもよい。
また、第２の電力量補正モジュール４４は電気回路で構
成してもよいし、電力量制御器を例えばマイクロプロセ
ッサとしたときのソフトウェアモジュールでもよく、実
現方法はハードウェア、ソフトウェアを問わない。ま
た、圧縮機１内部のガス圧力がピストン振幅にあたえる
影響と低温室温度がピストン振幅にあたえる影響とが独
立とみなせない場合には、例えば電力量制御器３６をマ
イクロプロセッサで構成して、例えば図６のように圧縮
機内部のガス圧力と低温室温度の２変数を入力し両変数
の高次関数としてピストン振幅が最大となる電力を出力
するソフトウェアモジュールを設け、第１の電力補正モ
ジュール４１と第２の電力補正モジュール４４の代わり
に配置すればよい。

【００２４】実施の形態２図２はこの発明の実施の形態２を示すスターリング冷凍
機構成図である。１から３５，３７，４０から４３は上
記従来装置と同一のものであり、ここでは省略する。図
において５１は圧縮機１の内部に取り付けられ封入ガス
の温度を検出する温度検出器であり、この温度検出器５
１の出力端は熱量利得補償モジュール５２及び温度−圧
力変換モジュール５６に接続されている。ここでガス温
度がガス圧力にほぼ比例することを利用する。温度−圧
力変換モジュール５６は温度信号を圧力信号に変換す
る。圧力信号は第２の電力量補正モジュール４４に接続
されている。第２の電力量補正モジュール４４は、圧力
が高いときほどリニアモータ２９への供給電力量を増大
させるよう操作する。圧力に対する電力の変化量は、こ
の場合、ガス圧力に対する支持ばね１８とピストン１６
から形成されるばね−質量系の共振周波数の変化から逆
算して、常にピストンの振幅が可動範囲の最大値になる
ような値に定める。一方、熱量利得補償モジュール５２
は、圧縮機内ガス温度と低温室温度から求まるカルノー
効率の逆数を出力する。また電力リミッタ５３は定温補
償モジュール４２と熱量利得補償モジュール５２によっ
て操作される電力量が、ピストン振幅が可動範囲を越え
る値とならないように電力を制限する。この制限値は第
１の電力量補正モジュール４１及び第２の電力量補正モ
ジュール４４により操作された電力量に一致する。よっ
て電力リミッタ５３は第１の電力量補正モジュール４１
及び第２の電力量補正モジュール４４により操作された
電力量と、定温補償モジュール４２及び熱量利得補償モ
ジュール５２により操作された電力量とを比較して、ど
ちらか小さい方の値を出力するようにする。電力量制御
器３６はクールダウンモードでは第１の電力量補正モジ
ュール４１と第２の電力量補正モジュール４４と起動時
電力量制御モジュール４３による操作を積算して電力量
を決め、また定温補償モードでは定温補償モジュール４
２と熱量利得補償モジュール５２と電力リミッタ５３と
起動時電力量制御モジュール４３による操作を積算して
電力量を決定する。

【００２５】このように構成された冷凍機では、起動時
電力量制御モジュール４３による起動時制御後のクール
ダウンモードにおいては、リニアモータ２９に供給され
る電力量には常に低温室６の温度に対応した補正と圧縮
機１の内部の作動ガス温度に対応した補正がなされ、ピ
ストン１３は振幅を常に可動範囲の最大値に保って動作
することが出来る。したがって、作動ガスの圧力振幅を
最大値に保ち低温室６に発生する冷熱量を最大値に維持
できるので、可動コイル２０をハウジング２１やヨーク
２７に衝突させて破損することなく、クールダウンタイ
ムを短縮できる。一方定温補償モードでは目標低温室温
度と高温室温度によって常にカルノー効率を考慮した電
力操作を行うので、熱制御系としてとらえた場合の補償
特性が目標低温室温度や高温室温度によらず均一にな
り、温度安定性や応答速度を均一にすることができる。
また、定温補償モードにおける電力操作範囲は、電力リ
ミッタ５３によりピストン振幅が可動範囲の最大値とな
る値を上限としているので、冷凍機の冷却性能の劣化が
進んでも、可動コイル２０をハウジング２１やヨーク２
７に衝突させて破損することなく、ピストン振幅が可動
範囲の最大値となるまで冷凍機として機能することがで
きる。

【００２６】ここで温度検出器５１の取付位置は圧縮室
３０内だけに限らず圧縮機１の内部であればどこでもよ
く、高温室７の内部でもよい。また、構造上、圧縮機１
の内部の作動ガス温度と高温室７の内部の作動ガス温度
が著しく異なる場合には、それぞれ別の温度検出器を設
け、高温室温度を熱量利得補償モジュール５２に、圧縮
室温度を第２の電力量補正モジュール４４に入力すれば
よい。また、第２の電力量補正モジュール４４は電気回
路で構成してもよいし、電力量制御器３６を例えばマイ
クロプロセッサとしたときのソフトウェアモジュールで
もよく、実現方法はハードウェア、ソフトウェアを問わ
ない。また、圧縮機内ガス温度がピストン振幅にあたえ
る影響と低温室温度がピストン振幅にあたえる影響とが
独立とみなせない場合には、例えば電力量制御器３６を
マイクロプロセッサで構成して、圧縮機内ガス温度と低
温室温度の２変数を入力し両変数の高次関数としてピス
トン振幅が最大となる電力を出力するソフトウェアモジ
ュールを設け、第１の電力補正モジュール４１と第２の
電力補正モジュール４４の代わりに配置すればよい。

【００２７】実施の形態３図３はこの発明の実施の形態３を示すスターリング冷凍
機構成図である。１から３５，３７，４０から４３は上
記従来装置と同一のものであり、ここでは省略する。図
において５４は圧縮機１の外部表面に取り付けられ圧縮
機１の外部表面の温度を検出する温度検出器であり、こ
の温度検出器５４の出力端は熱量利得補償モジュール５
２及び温度−圧力変換モジュール５６に接続されてい
る。ここで内部の作動ガス温度がガス圧力にほぼ比例す
ることを利用する。一般に圧縮機１と高温室７は外部に
対する熱抵抗を小さく設計するものであるから、外部表
面温度と内部の作動ガス温度とはほぼ同値と考えること
ができる。温度−圧力変換モジュール５６は温度信号を
圧力信号に変換する。圧力信号は第２の電力量補正モジ
ュール４４に接続されている。第２の電力量補正モジュ
ール４４は、圧力が高いときほどリニアモータ２９への
供給電力量を増大させるよう操作する。圧力に対する電
力の変化量は、この場合、ガス圧力に対する支持ばね１
８とピストン１６からなるばね−質量系の共振周波数の
変化から逆算して、常にピストンの振幅が可動範囲の最
大値になるような値に定める。一方、熱量利得補償モジ
ュール５２は、高温室温度と低温室温度から求まるカル
ノー効率の逆数を出力する。また電力リミッタ５３は定
温補償モジュール４２と熱量利得補償モジュール５２に
よって操作される電力量が、ピストン振幅が可動範囲を
越える値とならないように電力量を制限する。この制限
値は第１の電力量補正モジュール４１及び第２の電力量
補正モジュール４４により操作された電力量に一致す
る。よって電力リミッタ５３は第１の電力量補正モジュ
ール４１及び第２の電力量補正モジュール４４により操
作された電力量と、定温補償モジュール４２及び熱量利
得補償モジュール５２により操作された電力量とを比較
して、どちらか小さい方の値を出力するようにする。電
力量制御器３６はクールダウンモードには第１の電力量
補正モジュール４１と第２の電力量補正モジュール４４
と起動時電力量制御モジュール４３による操作を積算し
て電力量を決め、また定温補償モードには定温補償モジ
ュール４２と熱量利得補償モジュール５２と電力リミッ
タ５３と起動時電力量制御モジュール４３による操作を
積算して電力量を決定する。

【００２８】このように構成された冷凍機では、起動時
電力量制御モジュール４３による起動時制御後のクール
ダウンモードにおいては、リニアモータ２９に供給され
る電力量には常に低温室６の温度に対応した補正と圧縮
機１の内部の作動ガス温度に対応した補正がなされ、ピ
ストン１３は振幅を常に可動範囲の最大値に保って動作
することが出来る。したがって、作動ガスの圧力振幅を
最大値に保ち低温室６に発生する冷熱量を最大値に維持
できるので、可動コイル２０をハウジング２１やヨーク
２７に衝突させて破損することなく、クールダウンタイ
ムを短縮できる。一方定温補償モードでは目標低温室温
度と高温室温度によって常にカルノー効率を考慮した電
力操作を行うので、熱制御系としてとらえた場合の補償
特性が目標低温室温度や高温室温度によらず均一にな
り、温度安定性や応答速度を均一にすることができる。
また、定温補償モードにおける電力操作範囲は、電力リ
ミッタ５３によりピストン振幅が可動範囲の最大値とな
る値を上限としているので、冷凍機の冷却性能が劣化し
てきても、可動コイル２０をハウジング２１やヨーク２
７に衝突させて破損することなく、ピストン振幅が可動
範囲の最大値となるまで冷凍機として機能することがで
きる。

【００２９】ここで温度検出器５４の取付位置は圧縮機
１の外部表面でなく膨張機２の高温室７の外部表面でも
よい。また、第２の電力量補正モジュール４４は電気回
路で構成してもよいし、電力量制御器３６を例えばマイ
クロプロセッサとしたときのソフトウェアモジュールで
もよく、実現方法はハードウェア、ソフトウェアを問わ
ない。また、高温室温度がピストン振幅にあたえる影響
と低温室温度がピストン振幅にあたえる影響とが独立と
みなせない場合には、例えば電力量制御器３６をマイク
ロプロセッサで構成して、高温室温度と低温室温度の２
変数を入力し両変数の高次関数としてピストン振幅が最
大となる電力を出力するソフトウェアモジュールを設
け、第１の電力補正モジュール４１と第２の電力補正モ
ジュール４４の代わりに配置すればよい。

【００３０】実施の形態４図４はこの発明の実施の形態４を示すスターリング冷凍
機構成図である。１から３５，３７，４０から４３は上
記従来装置と同一のものであり、ここでは省略する。図
において３９はスターリング冷凍機が置かれた環境の温
度を検出する温度検出器であり、この温度検出器３９の
出力端は熱量利得補償モジュール５２及び温度−圧力変
換モジュール５６に接続されている。ここで環境温度は
作動ガス圧力に比例するとみなす。温度−圧力変換モジ
ュール５６は環境温度信号を作動ガス圧力信号に変換す
る。圧力信号は第２の電力量補正モジュール４４に入力
される。第２の電力量補正モジュール４４は、圧力が高
いときほどリニアモータ２９への供給電力量を増大させ
るよう操作する。圧力に対する電力の変化量は、この場
合、ガス圧力に対する支持ばね１８とピストン１６から
形成されるばね−質量系の共振周波数の変化から逆算し
て、常にピストンの振幅が可動範囲の最大値になるよう
な値に定める。一方、熱量利得補償モジュール５２は、
高温室温度と低温室温度から求まるカルノー効率の逆数
を出力する。ここで環境温度と高温室温度を同一とみな
す。また電力リミッタ５３は定温補償モジュール４２と
熱量利得補償モジュール５２によって操作される電力量
が、ピストン振幅が可動範囲を越える値とならないよう
に電力量を制限する。この制限値は第１の電力量補正モ
ジュール４１及び第２の電力量補正モジュール４４によ
り操作された電力量に一致する。よって電力リミッタ５
３は第１の電力量補正モジュール４１及び第２の電力量
補正モジュール４４により操作された電力量と、定温補
償モジュール４２及び熱量利得補償モジュール５２によ
り操作された電力量とを比較して、どちらか小さい方の
値を出力するようにする。電力量制御器３６はクールダ
ウンモードには第１の電力量補正モジュール４１と第２
の電力量補正モジュール４４と起動時電力量制御モジュ
ール４３による操作を積算して電力量を決め、また定温
補償モードには定温補償モジュール４２と熱量利得補償
モジュール５２と電力リミッタ５３と起動時電力量制御
モジュール４３による操作を積算して電力量を決定す
る。

【００３１】このように構成された冷凍機では、起動時
電力量制御モジュール４３による起動時制御後のクール
ダウンモードにおいては、リニアモータ２９に供給され
る電力量について常に低温室６の温度に対応した補正と
スターリング冷凍機の外部環境温度に対応した補正がな
され、ピストン１３は従来の冷凍機と比較して振幅を精
度良く可動範囲の最大値に保って動作することができ
る。したがって、作動ガスの圧力振幅を最大値に保ち低
温室６に発生する冷熱量を最大値に維持できるので、可
動コイル２０をハウジング２１やヨーク２７に衝突させ
て破損することなく、クールダウンタイムを短縮でき
る。一方定温補償モードでは目標低温室温度と高温室温
度によって常にカルノー効率を考慮した電力操作を行う
ので、熱制御系としてとらえた場合の補償特性が目標低
温室温度や高温室温度によらず均一になり、温度安定性
や応答速度を均一にすることができる。また、定温補償
モードにおける電力操作範囲は、電力リミッタ５３によ
りピストン振幅が可動範囲の最大値となる値を上限とし
ているので、冷凍機の冷却性能が劣化してきても、可動
コイル２０をハウジング２１やヨーク２７に衝突させて
破損することなく、ピストン振幅が可動範囲の最大値と
なるまで冷凍機として機能することができる。

【００３２】ここで、第２の電力量補正モジュール４４
は電気回路で構成してもよいし、電力量制御器３６を例
えばマイクロプロセッサとしたときのソフトウェアモジ
ュールでもよく、実現方法はハードウェア、ソフトウェ
アを問わない。また、環境温度がピストン振幅にあたえ
る影響と低温室温度がピストン振幅にあたえる影響とが
独立とみなせない場合には、例えば電力量制御器をマイ
クロプロセッサで構成して、環境温度と低温室温度の２
変数を入力し両変数の高次関数としてピストン振幅が最
大となる電力を出力するソフトウェアモジュールを設
け、第１の電力補正モジュール４１と第２の電力補正モ
ジュール４４の代わりに配置すればよい。

【００３３】スターリング冷凍機の外部環境温度による
電力量補正を行った場合でも、圧縮機１の内部の作動ガ
ス温度による電力量補正を行った場合とほぼ同様の冷凍
機動作が得られることを以下に説明する。冷凍機が動作
していない状態においては、圧縮機１の内部の作動ガス
温度と環境温度とは同値である。冷凍機が起動すると、
圧縮機１の内部の作動ガス温度は環境温度に対して徐々
に上昇し、圧縮機１の熱抵抗によって決まる、ある一定
の温度差を保つようになるが、その上昇速度は低温室６
の温度の環境温度に対する下降速度よりも遅い。さら
に、低温室６の温度の下降にともない、圧縮抵抗の変化
はガス粘性増加による圧縮抵抗増加分が支配的となる。
すなわち、クールダウンモードにおいて低温室６の温度
がまだ大きく低下していない時期には圧縮機１の内部の
作動ガス温度と環境温度はほぼ同値であり、低温室６の
温度が低下すると圧縮抵抗の変化に及ぼす影響が相対的
に小さくなる。したがって、スターリング冷凍機の外部
環境温度を圧縮機１の内部の作動ガス温度とみなして補
正を行っても、圧縮機１の内部の作動ガス温度を直接検
知して補正した場合とほぼ同様の冷凍機動作となる。こ
の場合、圧縮機１の内部の作動ガス温度は必ず環境温度
よりも高いので、圧縮機１の内部の作動ガス温度を直接
検知して補正した場合にくらべ、ピストン振幅は小さく
なる傾向にある。よって、ガス温度を直接検知して補正
した場合にくらべ、クールダウンタイム短縮効果が小さ
くなる傾向にあるが、可動コイル２０のハウジング２１
やヨーク２７への衝突や破損が起こることはない。厳密
には、冷却性能の劣化が進むにつれて環境温度とガス温
度の差は大きくなる。よって冷却性能の劣化にともな
い、ガス温度やガス圧力を直接検出した場合と比べて誤
差が大きくなる。しかしながら従来の冷凍機より精度良
くピストンの振幅を可動範囲の最大値に保つことができ
る。これにより、部品の衝突や破損を防ぎ、且つクール
ダウンタイムを短縮できる。またこの方法によれば、圧
縮機１の内部に温度検出器を設けて圧縮機１の内部の作
動ガス温度を直接検知しなくてよいので、圧縮機１の構
造が複雑にならない。また、従来のスターリング冷凍機
に対してスターリング冷凍機の外部環境温度を検出する
温度検出器を新たに設置し、この方法を適用することは
容易である。

【００３４】

【発明の効果】第１の発明によれば、従来の低温室温度
による電力量補正に加え、圧縮機内部の作動ガス圧力に
よる電力量補正を行うので、クールダウンモードにおい
て従来より精度良くピストンの振幅を可動範囲の最大値
に保つことができる。これにより、部品の衝突や破損を
防ぎ、且つクールダウンタイムを短縮できる。

【００３５】第２の発明によれば、従来の低温室温度に
よる電力量補正に加え、圧縮機内部の作動ガス圧力によ
る電力量補正を行って、目標低温室温度や高温室温度に
よらず熱制御系の補償特性を均一にできるので、低温室
温度の安定精度を均一にすることができる。

【００３６】第３の発明によれば、従来の低温室温度に
よる電力量補正に加え、圧縮機内部の作動ガス温度によ
る電力量補正を行うので、クールダウンモードにおいて
従来より精度良くピストンの振幅を可動範囲の最大値に
保つことができる。これにより、部品の衝突や破損を防
ぎ、且つクールダウンタイムを短縮できる。

【００３７】第４の発明によれば、従来の低温室温度に
よる電力量補正に加え、圧縮機内部の作動ガス温度によ
る電力量補正を行って、目標低温室温度や高温室温度に
よらず熱制御系の補償特性を均一にできるので、低温室
温度の安定精度を均一にすることができる。

【００３８】第５の発明によれば、従来の低温室温度に
よる電力量補正に加え、圧縮機の外部表面温度による電
力量補正を行うので、クールダウンモードにおいて従来
より精度良くピストンの振幅を可動範囲の最大値に保つ
ことができる。この場合、ガス温度を直接検知しない
が、圧縮機の外部表面温度と圧縮機内部の作動ガス温度
とはほぼ同値である。したがってガス温度を直接検知し
た場合より僅かに精度は悪くなるが、ほぼ同様の効果が
得られる。これにより、部品の衝突や破損を防ぎ、且つ
クールダウンタイムを短縮できる。圧縮機外部に温度検
知器を設置するため圧縮機の構造が複雑にならず、また
従来の冷凍機への取付が容易である。

【００３９】第６の発明によれば、従来の低温室温度に
よる電力量補正に加え、圧縮機の外部表面温度による電
力量補正を行って、目標低温室温度や高温室温度によら
ず熱制御系の補償特性を均一にできるので、低温室温度
の安定精度を均一にすることができる。圧縮機外部に温
度検知器を設置するため圧縮機の構造が複雑にならず、
また従来の冷凍機への取付が容易である。

【００４０】第７の発明によれば、従来の低温室温度に
よる電力量補正に加え、冷凍機の環境温度による電力量
補正を行うので、クールダウンモードにおいて従来より
精度良くピストンの振幅を可動範囲の最大値に保つこと
ができる。この場合、作動ガス温度を直接検知しない
が、作動ガス温度の影響が大きい起動直後は、作動ガス
温度と環境温度は同一とみなせるので、作動ガス温度を
直接検知した場合と同様の効果が得られる。これによ
り、部品の衝突や破損を防ぎ、且つクールダウンタイム
を短縮できる。圧縮機外部に温度検知器を設置するため
圧縮機の構造が複雑にならず、また従来の冷凍機への取
付が容易である。

【００４１】第８の発明によれば、従来の低温室温度に
よる電力量補正に加え、冷凍機の環境温度による電力量
補正を行って、目標低温室温度や高温室温度によらず熱
制御系の補償特性を均一にできるので、低温室温度の安
定精度を均一にすることができる。圧縮機外部に温度検
知器を設置するため圧縮機の構造が複雑にならず、また
従来の冷凍機への取付が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるスターリング冷凍機の実施の
形態１を示す図である。

【図２】この発明によるスターリング冷凍機の実施の
形態２を示す図である。

【図３】この発明によるスターリング冷凍機の実施の
形態３を示す図である。

【図４】この発明によるスターリング冷凍機の実施の
形態４を示す図である。

【図５】低温室温度一定とした場合のガス圧力とピス
トン振幅を一定にする電力との関係図である。

【図６】低温室温度とガス圧力とピストン振幅を一定
にする電力との関係図である。

【図７】従来のスターリング冷凍機を示す図である。

【図８】従来のスターリング冷凍機において入力電力
量一定且つ低温室温度一定とした場合の、圧縮室内部の
作動ガス温度とピストンの振幅の関係図である。

【符号の説明】

１圧縮機２膨張機３第２のシリンダ４共振ばね５ディスプレーサ６低温室７高温室８再生器９ガス通気孔１０ガス通気孔１１蓄冷材１２シール１３シール１４連結管１５作動室１６ピストン１７シリンダ１８支持ばね１９スリーブ２０可動コイル２１ハウジング２２リード線２３リード線２４第１の電気接点２５第２の電気接点２６環状永久磁石２７ヨーク２８間隙２９リニアモータ３０圧縮室３１シール３２シール３５電源３６電力量制御器３７温度検出器３８圧力検出器３９温度検出器４０スイッチ４１第１の電力量補正モジュール４２定温補償モジュール４３起動時電力制御モジュール４４第２の電力量補正モジュール５１温度検出器５２熱量利得補償モジュール５３電力リミッタ５４温度検出器５５圧力−温度変換モジュール５６温度−圧力変換モジュール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機と、連結管を介して前記圧縮機に
接続された膨張機と、前記圧縮機に電力を供給する電源
と、前記圧縮機に供給する電力を制御する電力制御器と
を備えた冷凍機において、前記圧縮機内部の作動ガス圧
力を検出する圧力検出器と、前記膨張機の温度を検出す
る温度検出器と、前記圧力検出器の検出圧力と前記温度
検出器の検出温度から圧縮抵抗変動を求め圧縮抵抗変動
に比例して前記圧縮機への供給電力を増減させる電力補
正モジュールとを備えた冷凍機。
【請求項２】圧縮機と、連結管を介して前記圧縮機に
接続された膨張機と、前記圧縮機に電力を供給する電源
と、前記圧縮機に供給する電力を制御する電力制御器と
を備えた冷凍機において、前記圧縮機内部の作動ガス圧
力を検出する圧力検出器と、前記膨張機の温度を検出す
る温度検出器と、前記膨張機の温度を一定に保つように
前記膨張機の目標温度と検出温度との差に基づいて電力
操作を行う定温補償モジュールと、前記圧力検出器の検
出圧力と前記温度検出器の検出温度とから求まるカルノ
ー効率に反比例して前記定温補償モジュールの電力操作
量を増減させる熱量利得補償モジュールとを備えた冷凍
機。
【請求項３】圧縮機と、連結管を介して前記圧縮機に
接続された膨張機と、前記圧縮機に電力を供給する電源
と、前記圧縮機に供給する電力を制御する電力制御器と
を備えた冷凍機において、前記圧縮機の内部に設置され
前記圧縮機内部の作動ガス温度を検出する温度検出器
と、前記膨張機の温度を検出する温度検出器と、前記両
温度検出器の検出温度から圧縮抵抗変動を求め圧縮抵抗
変動に比例して前記圧縮機への供給電力を増減させる電
力補正モジュールとを備えた冷凍機。
【請求項４】圧縮機と、連結管を介して前記圧縮機に
接続された膨張機と、前記圧縮機に電力を供給する電源
と、前記圧縮機に供給する電力を制御する電力制御器と
を備えた冷凍機において、前記圧縮機の内部に設置され
前記圧縮機内部の作動ガス温度を検出する温度検出器
と、前記膨張機の温度を検出する温度検出器と、前記膨
張機の温度を一定に保つように前記膨張機の目標温度と
検出温度との差に基づいて電力操作を行う定温補償モジ
ュールと、前記両温度検出器の検出温度から求まるカル
ノー効率に反比例して前記定温補償モジュールの電力操
作量を増減させる熱量利得補償モジュールとを備えた冷
凍機。
【請求項５】圧縮機と、連結管を介して前記圧縮機に
接続された膨張機と、前記圧縮機に電力を供給する電源
と、前記圧縮機に供給する電力を制御する電力制御器と
を備えた冷凍機において、前記圧縮機の外部表面温度を
検出する温度検出器と、前記膨張機の温度を検出する温
度検出器と、前記両温度検出器の検出温度から圧縮抵抗
変動を求め圧縮抵抗変動に比例して前記圧縮機への供給
電力を増減させる電力補正モジュールとを備えた冷凍
機。
【請求項６】圧縮機と、連結管を介して前記圧縮機に
接続された膨張機と、前記圧縮機に電力を供給する電源
と、前記圧縮機に供給する電力を制御する電力制御器と
を備えた冷凍機において、前記圧縮機の外部表面温度を
検出する温度検出器と、前記膨張機の温度を検出する温
度検出器と、前記膨張機の温度を一定に保つように前記
膨張機の目標温度と検出温度との差に基づいて電力操作
を行う定温補償モジュールと、前記圧縮機の外部表面温
度と膨張機温度とから求まるカルノー効率に反比例して
前記定温補償モジュールの電力操作量を増減させる熱量
利得補償モジュールとを備えた冷凍機。
【請求項７】圧縮機と、連結管を介して前記圧縮機に
接続された膨張機と、前記圧縮機に電力を供給する電源
と、前記圧縮機に供給する電力を制御する電力制御器と
を備えた冷凍機において、外部環境温度を検出する温度
検出器と、前記膨張機の温度を検出する温度検出器と、
前記両温度検出器の検出温度から圧縮抵抗変動を求め圧
縮抵抗変動に比例して前記圧縮機への供給電力を増減さ
せる電力補正モジュールとを備えた冷凍機。
【請求項８】圧縮機と、連結管を介して前記圧縮機に
接続された膨張機と、前記圧縮機に電力を供給する電源
と、前記圧縮機に供給する電力を制御する電力制御器と
を備えた冷凍機において、外部環境温度を検出する温度
検出器と、前記膨張機の温度を検出する温度検出器と、
前記膨張機の温度を一定に保つように前記膨張機の目標
温度と検出温度との差に基づいて電力操作を行う定温補
償モジュールと、前記両温度検出器の検出温度とから求
まるカルノー効率に反比例して前記定温補償モジュール
の電力操作量を増減させる熱量利得補償モジュールとを
備えた冷凍機。