JPS63172865A - フリ−ピストン形スタ−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ィスプ
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、トランザクション　オ
ンマグネチックス、エム　ニー　ジー２１　（１９８５
年）第１７５９頁から第１７６１頁（ＩＥＥＥ、Ｔｒａ
ｎｓ、Ｍａｇｎｅｔｅｃｓ。

ＭＡＧ２１　（１９８５）　ＰＰ１７５９−１７６１１
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
はで籾なかった。したがって、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
ンとディ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った。

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ａ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
ィスプレーサ、これら二者を囲むシリンダ、および、該
二者に接続されたコイル固定−永久磁石可動形リニアモ
ータを主要構成要素とするフリーピストン形スターリン
グ冷凍機において、ディスプレーサに接続されたコイル
固定−永久磁石可動形リニア千−夕の推力特性を話ディ
スプレーサの変位特性と　１８０°位相がずれた推力特
性にするようにコイルへの供給電流を制御する構成とし
たことにあり、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ィスプレ
ーサに取り付けられた永久磁石により形成されるｂｉｉ
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、ディスプレーサに取り付けられている永久磁石部
に外力（ディ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０本図
はフリーピストン形スターリング冷凍機のディスプレー
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は毛−夕月コイル、５は永久磁石、７はポ
ールピースであり、永久磁石５はディスプレーサ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。ディスプレーサ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が置かれたギャップを通り、ざらにモー
タ１のヨーク部１６を通った後、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ィスプレーサ
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ック
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ぼね定数に大
きく影響を受ける。

いまディスプレーサ２が図に示すような正弦撮動をした
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。すなわちディスプレーサ２が
中立点より下がった時にコイル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
上がった時にはコイル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。

したがって、電流の大きさを制御することによってばね
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っているが、コイルの構造に
よっ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）で表わされる。

Ｆ　＝　Ｎ４−１・Ｂｇ　　　　　　　・・・（１）こ
こで　Ｆ：コイルに作用する力（Ｎ）Ｎ：コイル巻数 １：コイル円周長（ＩＩＩ） ■＝電流（Ａ） Ｂｇ：コイル部分の磁束密度（Ｔ） （１）式でＮＸｕ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りて良い。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
挟まる。

いま、ディスプレーサの永久磁石部５が外力により式（
２）に示すような振動をしているとする。

ｘ＝ｘｃｏｓ　　　ω　し　　　　　　　　　　　　　
　　　１＋ｊ　（２）ここで　Ｘ：永久磁石の変位（ｉ
ｌｌ）交：永久磁石の振幅（Ｉｌｌ） 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
わされる。

Ｆ　ｍｇ−（Ｎ４・Ｂｇ）　Ｉ　ｃｏｓ　　ωｔ　　　
・・・（３）ここで　Ｆ　ｍｇ　：永久磁石に作用する
力（Ｎ）Ｔ；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。

＝１１　　　　・・・（４） 交 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、ディスプレーサの運転方程式は式（５）％式％ ここで　Ｍｄ：ディスプレーサ質量 Ｘ：ディスプレーサ変位 Ｐｅ−Ｐｃ　：ディスプレーサ前後の圧力差＾ｄ：ディ
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−Ｐ
ｃは、ディ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　　　　　・・・（
［ｉ）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）式でダンピングによる損失
分は考慮していない。式（６）を式（５）に代入してピ
ストン、ディスプレーサが位相差αをもって正弦振動す
るものとすれば、 （Ｍｄω’ｘ＋ｃｐｐω　・ｙ・八ｄ−ｓｉｎ　　ａ　
−ｋｅｘ）　　ＣＯＳ　　（Ｌｌ　　ｔ＝　−（ｆ：ｄ
ｄω・ｘ・Ａｄ＋Ｃｐｐ−ω・夛・Ａｄ　ｃｏｓ　ａ）
ｓｉｎωｔ・・・（７） なお、ピストンとディ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　　Ｃ０５（Ｌ）　　ｔ　　　　　　　　　
１０・（８）ｙ＝ｙｃｏｓ（ω　ｔ−α）　　　　　・
・Ｉ（９）ここでωは角周波数、交、９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。

ａ　ｗａ　ｔａｎ−’　（Ｍ　ｄ（ω’−（Ｌｌ　ｄ’
）／（Ｃｄｄｃ＊　Ａｄ）・・・（１０） ωｄ２＝　ｋｅ／　Ｍ　ｄ　　　　　　　　　　　　−
（１１）式（ｌＯ）を式（７）に代入すれば 交＝　−！ｌＵ　９　ｃｏｓα　　　　　　・・・（１
２）Ｃｄｄ 冷凍能力Ｑｅは式（１３）で表わされる。

Ｑｅ＝Ｚ−交９　５ｉｎａ　　　　　　・１１３）ここ
で　２；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
とディ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。したがって、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、ディスプレーサに駆動力を与え
るためのり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、ディ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
、ディ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。したがって、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ィスプレーサ
との相対運動により前述した圧力差はサイクリックに変
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、ディ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、ディ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、ディ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、サイクリッ
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って
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、ディ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そ一夕として作用させれば良い。

第２図は他の実施例を示す。本実施例ではディスプレー
サ２だけでなくピストン１１の振動系をも考慮しである
。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。

ピストンとディ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った特性を示す。一方、ばね定
数の平方根により決まるディ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った特性となる。さらにデ
ィスプレーサの振幅交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、ディ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
でである。ピストン１１およびディスプレーサ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よりディスプレーサ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
前もっ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って容易に
実現できる。

以上ではディスプレーサ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
である。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
され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ってしまうから
、運転中、圧力や温度の変化によりダンピンク状態が変
動すると系の固有値が変わり振動振幅が変わってしまう
、このような場合でもピストンｌｌ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。さらにディスプレーサ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により制御しディス
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、Ｐ
ＬＬ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ィスプレーサの振
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
とディ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
のディ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
とで決まっていたピストンとディ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、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ィスプレーサ用リニ
アモータの断面図、第２図は別の実施例を示すピストン
及びディ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・・・ディ
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１
３・・・増幅器　　　　　　　　１４・・・位相演算器
１５・・・反転増幅器 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ピストン、ディスプレーサ、該二者を囲むシリンダ
   並びにピストンおよびディスプレーサに各々接続された
   コイル固定−永久磁石可動形リニアモータを主要構成要
   素とするフリーピストン形スターリング冷凍機において
   、ディスプレーサに接続されたコイル固定−永久磁石可
   動形リニアモータの推力特性を該ディスプレーサの変位
   特性と１８０°位相がずれた推力特性にするようにコイ
   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、ディスプレーサに接続されたコイル固定−永久磁石
   可動形リニアモータは、変位特性と１８０°位相がずれ
   た推力特性を与えるための供給電流の流れるコイルとは
   別のコイルを併設し、該後者のコイルには変位特性と０
   °〜９０°位相がずれた推力特性を与えるよう制御され
   た供給電流を流す特許請求の範囲第１項記載のフリーピ
   ストン形スターリング冷凍機。 ３、ピストンに接続されたコイル固定−永久磁石可動形
   リニアモータのコイルを二系統に分け、その第１のコイ
   ルへの通電により誘起されるピストン変位の特性に対し
   位相が１８０°ずれた推力がその第２のコイルに作用す
   るように該第２のコイルへの供給電流を制御する特許請
   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。