KR100568050B1 - 스털링 기관 - Google Patents

스털링 기관 Download PDF

Info

Publication number
KR100568050B1
KR100568050B1 KR1020047010064A KR20047010064A KR100568050B1 KR 100568050 B1 KR100568050 B1 KR 100568050B1 KR 1020047010064 A KR1020047010064 A KR 1020047010064A KR 20047010064 A KR20047010064 A KR 20047010064A KR 100568050 B1 KR100568050 B1 KR 100568050B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
piston
stroke
linear motor
collision
displacer
Prior art date
Application number
KR1020047010064A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20040066196A (ko
Inventor
시미즈가쯔미
니시나오끼
무라까미하루히꼬
호소노도시아끼
Original Assignee
샤프 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2001394256A external-priority patent/JP3866974B2/ja
Priority claimed from JP2002293191A external-priority patent/JP3865679B2/ja
Application filed by 샤프 가부시키가이샤 filed Critical 샤프 가부시키가이샤
Publication of KR20040066196A publication Critical patent/KR20040066196A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100568050B1 publication Critical patent/KR100568050B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2275/00—Controls
    • F02G2275/20—Controls for preventing piston over stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1428—Control of a Stirling refrigeration machine

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Control Of Linear Motors (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)

Abstract

피스톤(1)의 스트로크를 검출하여 목표 스트로크로 제어하는 스트로크 제어를 행함으로써, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌을 회피함과 아울러 스털링 냉동기(40)의 냉동 능력을 향상시킬 수 있다. 또한, 제어 박스(30)내의 기억부(111)에 스털링 냉동기(40)의 운전 상황에 따른 목표 스트로크가 기억되기 때문에, 운전 상황에 따른 목표 스트로크로 리니어 모터(13)를 구동할 수 있다. 따라서, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌을 회피함과 아울러 스털링 냉동기(40)의 냉동 능력을 보다 향상시킬 수 있다.
피스톤, 스트로크 제어, 냉동기, 스털링 엔진, 냉매 가스

Description

스털링 기관{STIRLING ENGINE}
본 발명은 스털링 기관에 관한 것으로서, 특히 프리 피스톤형 스털링 기관에 관한 것이다.
최근, 에너지 절약이나 환경 문제 등의 견지에서 스털링 기관이 주목을 받고 있다. 스털링 기관은 외부의 열원을 이용하여 가역 사이클인 스털링 사이클을 실현하는 외연 기관으로서, 가솔린 등의 인화성이나 착화성이 우수한 연료를 필요로 하는 내연 기관 등에 비해 에너지를 절약할 수 있고 저공해라는 장점을 갖는 열기관이다. 이 스털링 기관의 응용예로서 스털링 냉동기가 널리 알려져 있다.
종래, 냉동기 등에 사용되는 냉동 사이클로서는, 일반적으로 증기 압축식 냉동 사이클이 채택되고 있다. 이 증기 압축식 냉동 사이클에서는 작동 매체로서의 냉매에 프레온(클로로플루오로카본)이 이용되고, 프레온의 응축 및 증발을 이용하여 원하는 냉각 성능을 얻는 것이다.
그러나, 냉매로서 사용되는 프레온은 화학 안정성이 매우 높아 대기중에 방출되면 성층권에 도달하여 오존층을 파괴한다는 지적이 있다. 때문에, 최근 특정 프레온의 사용 및 생산이 규제되어 왔다. 따라서, 프레온을 사용한 냉동 사이클을 대신하는 것으로서 역스털링 냉동 사이클이 주목받고 있다.
역스털링 냉동 사이클에서는 작동 매체로서 헬륨 가스, 수소 가스, 질소 가스 등을 채택할 수 있기 때문에, 지구 환경에 악영향을 미치는 경우가 없다. 이 역스털링 냉동 사이클을 이용한 스털링 냉동기는 극저온을 발생시키는 소형 냉동기로서 알려져 있다.
스털링 냉동기는 작동 매체인 냉매 가스를 압축하는 압축기와, 압축기에서 토출된 냉매 가스를 팽창시키는 팽창기를 조합한 것으로서, 상기 압축기로서는 냉매 가스압을 예컨대 정현파상 등으로 반복해서 시간의 흐름에 따라 변화하도록 압축하는 것이 사용된다. 한편, 팽창기는 선단이 폐색된 실린더와, 실린더내에 왕복동이 자유롭게 끼워 장착되고, 실린더내를 선단측 팽창실과 기단측 작동실로 구획 형성하는 디스플레이서(displacer)와, 당해 디스플레이서의 왕복 운동을 탄성 지지하는 공진용 스프링을 구비하고 있다.
상기 작동실은 상기 압축기에 접속되어 있고, 압축기로부터의 냉매 가스압에 의해 디스플레이서를 왕복 운동시켜 냉매 가스를 팽창시킴으로써, 실린더 선단의 냉각부에 저온을 발생시킨다. 그리고, 이 방식의 스털링 냉동기는 일반적으로 프리 피스톤형 스털링 냉동기라 불리고 있고, 피스톤과 디스플레이서가 동일 실린더내에 동축에 끼워 장착된 프리 피스톤형 스털링 냉동기가 일반적으로 되고 있다.
피스톤은 일반적으로 리니어 모터에 의해 구동된다. 리니어 모터의 구동 전압을 증감시켜 피스톤의 스트로크를 가변함으로써 냉동 능력을 컨트롤할 수 있다. 즉, 리니어 모터의 구동 전압을 작게 하면, 피스톤의 스트로크가 짧아지므로 냉동 능력이 저하된다. 리니어 모터의 구동 전압을 크게 하면, 피스톤의 스트로크가 길 어져서 냉동 능력이 향상된다.
이러한 관계를 이용하여 종래 일본 공개특허공보 평2-217757호에 개시되어 있는 바와 같이, 피스톤과 디스플레이서의 구동용 리니어 모터를 1대씩 구비하고, 피스톤과 디스플레이서의 각 변위를 측정하여 각각의 중립 위치를 일정하게 유지하도록 리니어 모터로의 입력 전류를 제어하고 있었다.
또한, 일본 공개특허공보 평11-304270호에 기재되어 있는 바와 같이, 구동 코일로의 입력 전력에 기초하여 피스톤의 스트로크를 도출하고, 이 스트로크에 기초하여 입력 전력을 오프셋함으로써 피스톤의 상사점을 일정하게 유지하여 압축 공간의 사(死)용적을 일정하게 유지하는 기술도 알려져 있었다.
그러나, 상기 종래의 스털링 냉동기에 의하면, 운전 개시시의 저온측 온도가 상온에 가까운 상태에서는 내부 가스압이 정상 운전 상태에 도달해 있지 않으므로, 이 때에 정상 상태의 구동 전압을 리니어 모터에 인가하면, 피스톤 및 디스플레이서가 충돌할 위험성이 있었다. 스털링 냉동기의 구조에 따라 다르지만, 이 충돌의 주된 것으로서는 디스플레이서의 실린더 폐색단으로의 충돌이나 디스플레이서에 장착되어 있는 공진용 스프링의 압축 파괴 등을 들 수 있다. 피스톤과 디스플레이서가 동축상에 끼워 장착되어 있는 경우에는, 피스톤과 디스플레이서의 위상이 어긋나서 양자가 충돌할 위험도 있었다.
또한, 냉각 부하가 변화하여 피스톤과 디스플레이서의 위상이 어긋나거나 냉동 능력을 최대로 인출하고 있을 때에 외부 요인(스털링 냉동기의 전원 전압이나 분위기 온도)이 변화하거나 하였을 때, 또는 스털링 냉동기의 내부 요인(조립 오차 나 부품 정밀도 등의 개체 차이)이 있을 때에도 충돌할 위험이 있었다. 이 충돌할 위험을 회피하기 위해, 리니어 모터의 구동 전압은 이상(理想) 구동 전압보다 낮게 설정할 수밖에 없으므로, 스털링 냉동기의 냉동 능력을 최대한으로 인출할 수 없다는 과제가 있었다.
또한, 스털링 냉동기의 운전중에 냉각부나 방열부가 어떤 원인으로 인해 이상 냉각 또는 이상 가열된 경우나 스털링 냉동기의 주위 온도가 급격하게 변화한 경우 등에는 스털링 냉동기 본체의 진동을 억지하기 위해 장착된 밸런스 매스의 진동에 변화가 발생하여 진폭이 증가할 우려가 있다. 또한, 실린더내의 가스 밸런스가 급격하게 변화한 경우나 내부 부품의 공진 주파수의 어긋남이 발생함으로써도 밸런스 매스의 진동에 변화가 발생한다. 밸런스 매스의 진폭의 증가는 스털링 냉동기의 소음의 증가 및 이상 진동으로 이어져서 내부 부품의 충돌로 인해 파손이 일어날 위험도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 운전 개시시 등의 급랭시에 있어서의 피스톤 및 디스플레이서의 충돌을 회피함으로써, 스털링 기관의 파손을 방지함과 아울러 충돌 회피 범위내에서의 최대 출력 운전이 실현된 스털링 기관을 제공하는 데 있다.
또한, 다른 목적으로서는 외부에서 공급되는 공급 전력의 전압치의 변동시나 스털링 기관 본체의 이상 진동시 등에 있어서의 내부 부품끼리의 충돌 방지를 도모할 수 있는 스털링 기관을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 스털링 기관은 작동 가스를 충전한 실린더내에 끼워 장착되고, 구동 수단으로 구동되어 왕복 운동하는 피스톤과, 실린더내에서 피스톤과 동축상에 끼워 장착되고, 피스톤의 완복 운동에 따른 힘을 받아 피스톤과 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스플레이서와, 당해 디스플레이서를 사이에 끼우도록 실린더내에 구획 형성되는 팽창실 및 압축실과, 팽창실의 온도를 검출하는 제1 온도 검출 수단과, 압축실의 온도를 검출하는 제2 온도 검출 수단과, 피스톤의 구동에 이용되는 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출 수단과, 제1 및 제2 온도 검출 수단에 의해 검출된 온도 및 입력 전류 검출 수단에 의해 검출된 입력 전류에 기초하여 피스톤 및 디스플레이서 중 적어도 일측의 충돌 위험성을 검지하는 검지 수단을 구비하고 있다.
본 구성에 의해, 검출된 입력 전류 정보와 팽창실 및 압축실내의 작동 가스 온도 정보에 기초하여 피스톤 및 디스플레이서의 충돌 위험성을 검지할 수 있게 된다. 이는 팽창실과 압축실의 온도 상태를 측정함으로써 내부 공간의 압력 상태의 변화가 판독되는 점과, 입력 전류 정보에 의해 피스톤의 스트로크폭이 판독되는 점을 이용하여 검지 수단에 의해 충돌 위험성을 판단하는 것이다.
상기 본 발명의 스털링 기관에 있어서는, 입력 전류 검출 수단 및 온도 검출 수단에 의해 검출된 입력 전류 및 온도가 검지 수단에 의해 미리 정한 기준의 범위내라고 판정된 경우에는 구동 수단으로 공급되는 입력 전류를 증가시키고, 범위밖이라고 판정된 경우에는 그 이상 입력 전류를 증가시키지 않는 전류 제어 수단을 구비하고 있는 것이 바람직하다.
본 구성에 의해, 피스톤 및 디스플레이서의 충돌 위험성이 있다고 판정된 경 우에만, 리니어 모터로의 입력 전류 증가가 제한되어 냉동기의 파손이 미연에 방지된다. 이 판정은 미리 시행을 행함으로써, 충돌시의 전류 정보 및 온도 정보를 수집함으로써 얻어진 정보를 기초로 행해진다. 또한, 충돌 위험성이 없다고 판단된 경우에는 전류를 증가시킴으로써 운전 개시시부터 정상 운전에 도달할 때까지 등의 급랭시에 있어서 충돌 회피 범위내에서의 최대 냉동 능력을 인출할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 실린더내에 끼워 장착되고, 구동 수단으로 구동되어 왕복동하는 피스톤과, 실린더내에 끼워 장착되고, 피스톤과 위상차를 가지며 왕복동하는 디스플레이서와, 피스톤 및 디스플레이서 사이에 구획 형성된 압축실과, 디스플레이서를 사이에 두고 압축실과 반대측에 위치하는 팽창실을 구비하고 있다. 그리고, 본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 구동 수단에 전력을 공급하는 인버터 전원 회로와, 디스플레이서가 피스톤 및 실린더의 폐색단 중 어느 하나와 충돌하는 충돌 위험성을 검지하는 충돌 위험성 검지 수단과, 충돌 위험성 검지 수단에 의해 검지된 정보를 기초로 인버터 전원 회로에서 구동 수단으로 공급되는 전력을 제어하는 인버터 전원 회로 제어 수단을 구비하고 있다.
본 구성과 같이 충돌 위험성 검지 수단에 의해 검지된 정보를 기초로 인버터 전원 회로에서 구동 수단으로 공급되는 전력을 인버터 전원 회로 제어 수단에 의해 제어함으로써, 디스플레이서나 피스톤 등의 충돌이 미연에 방지되기 때문에 스털링 기관의 파손이 방지된다.
상기 본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 예컨대 충돌 위험성 검지 수단이 인버터 전원 회로로 입력되는 전력의 전압을 검지하는 전원 전압 검지 수단인 것이 바람직하다.
본 구성에서는 상술한 충돌 위험성 검지 수단으로서, 외부 전원에서 인버터 전원 회로로 공급되는 공급 전력의 전압을 전원 전압 검지 수단에 의해 검지함으로써, 외부 전력의 변동으로 인해 발생하는 피스톤 진폭의 증가 및 이에 수반하는 피스톤이나 디스플레이서 등의 충돌이 미연에 방지되어 스털링 기관의 파손이 방지된다.
상기 본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 예컨대 전원 전압 검지 수단이 콤퍼레이터에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
본 구성과 같이 전원 전압 검지 수단으로서 콤퍼레이터를 채택함으로써, 공급 전력의 전압치를 감시하는 일이 용이하게 실현된다.
상기 본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 예컨대 전원 전압 검지 수단이 아날로그 앰프에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
본 구성과 같이 전원 전압 검지 수단으로서 아날로그 앰프를 채택함으로써, 공급 전력의 전압치를 감시하는 것을 쉽게 실현할 수 있다.
상기 본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 예컨대 충돌 위험성 검지 수단이 팽창실내의 온도를 검출하는 제1 온도 검출 수단과, 상기 압축실내의 온도를 검출하는 제2 온도 검출 수단인 것이 바람직하다.
본 구성에서는 상술한 충돌 위험성 검지 수단으로서 압축실내 및 팽창실내의 온도를 제1 및 제2 온도 검출 수단에 의해 검출함으로써, 내부 부품의 충돌 위험성 이 판단되어 충돌이 미연에 방지되기 때문에 스털링 기관의 파손을 방지할 수 있게 된다.
상기 본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 예컨대 충돌 위험성 검지 수단이 피스톤을 사이에 두고 압축실과 반대측에 위치하는 배압실내의 온도를 검출하는 온도 검출 수단인 것이 바람직하다.
본 구성에서는 상술한 충돌 위험성 검지 수단으로서 배압실내의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 사용하여 배압실의 이상 가열이 있은 경우에 이것을 검출함으로써, 내부 부품의 충돌 위험성이 판단되어 충돌이 미연에 방지되기 때문에 스털링 기관의 파손을 방지할 수 있게 된다.
상기 본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 예컨대 실린더를 지지 고정하는 케이싱과, 케이싱에 부착되어 피스톤 및 디스플레이서의 왕복동으로 인해 발생하는 케이싱의 진동을 흡수하는 밸런스 매스와, 밸런스 매스의 진동을 검출하는 밸런스 매스 진동 검출 수단을 추가로 구비하고 있고, 충돌 위험성 검지 수단이 이 중 밸런스 매스 진동 검출 수단인 것이 바람직하다.
본 구성에서는 상술한 충돌 위험성 검지 수단으로서 케이싱에 부착된 밸런스 매스의 진동을 검출하는 밸런스 매스 진동 검출 수단에 의해 케이싱의 이상 진동을 검출함으로써, 내부 부품의 충돌을 미연에 방지할 수 있게 된다.
상기 본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 예컨대 밸런스 매스 진동 검출 수단이 밸런스 매스의 중심 위치로부터의 진폭을 검출하는 광센서인 것이 바람직하다.
본 구성과 같이 밸런스 매스 진동 검출 수단으로서 광센서를 사용함으로써, 밸런스 매스의 진동을 쉽게 감시할 수 있게 된다.
상기 본 발명의 다른 국면에 있어서의 스털링 기관은, 예컨대 밸런스 매스 진동 검출 수단이 밸런스 매스와 접촉함으로써 그 위치를 검출하는 접촉 센서인 것이 바람직하다.
본 구성과 같이 밸런스 매스 진동 검출 수단으로서 접촉 센서를 사용함으로써, 밸런스 매스의 진동을 쉽게 감시할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 작동 가스를 봉입한 실린더내를 왕복 운동하는 피스톤 및 디스플레이서와, 상기 피스톤을 이동시키는 리니어 모터를 구비하여 이루어진 프리 피스톤형 스털링 기관에 있어서, 피스톤의 스트로크를 검지하는 스트로크 검지 수단과, 이 스트로크 검지 수단에 의해 검지한 스트로크를 목표 스트로크와 비교하여 피스톤의 스트로크가 목표 스트로크가 되도록 상기 리니어 모터를 구동 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성에 의하면, 리니어 모터를 구동하면 피스톤과 디스플레이서가 소정 위상차로 왕복 운동하여 작동 매체를 압축 및 팽창하여 냉동 사이클이 운전된다. 그리고, 스트로크 검지 수단에 의해 피스톤의 스트로크가 검지되고, 제어 수단에 의해 피스톤의 스트로크가 목표 스트로크로 설정된다. 목표 스트로크는, 예컨대 스털링 기관의 저온측과 고온측 온도의 함수식에 의해 산출되어 설정된다.
또한, 본 발명은 작동 가스를 봉입한 실린더내를 왕복 운동하는 피스톤 및 디스플레이서와, 상기 피스톤을 이동시키는 리니어 모터를 구비하여 이루어진 프리 피스톤형 스털링 기관에 있어서, 스털링 기관의 운전 상황에 대응한 피스톤의 목표 스트로크를 동작 테이블로서 기억하고, 이 동작 테이블에 기초하여 상기 리니어 모터를 구동 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성에 의하면, 리니어 모터를 구동하면 피스톤과 디스플레이서가 소정 위상차로 왕복 운동하여 작동 매체를 압축 및 팽창하여 냉동 사이클이 운전된다. 제어 수단은, 스털링 기관의 운전 상황에 대응한 피스톤의 목표 스트로크를 동작 테이블로서 기억하고 있고, 이 동작 테이블에 기초하여 피스톤의 스트로크를 목표 스트로크로 설정한다.
또한, 본 발명은 상기 스트로크 검지 수단에 의한 피스톤의 스트로크 검지는, 리니어 모터로의 인가 전압(Vt), 리니어 모터의 소비 전류(I), 리니어 모터의 인덕턴스(L), 리니어 모터의 저항 성분(R), 상기 인가 전압(Vt)과 소비 전류(I)와의 위상차(θ)로부터 역기전력(Vg)을 연산식
Vg=Vt-RIcosθ-Lsinθ·dI/dt
에 의해 구하고, 역기전력(Vg)이 피스톤의 스트로크(Xp)의 함수인 점에서 스트로크(Xp)를 연산에 의해 구한다.
특히, 스털링 기관의 부하가 가벼울 때, 상기 위상차 θ≒0과 근사하고, 리니어 모터의 저항 성분(R)을 위상차(θ)의 함수로 하여 상기 연산식을
Vg=Vt-R(θ)I
로 간소화할 수 있다. 이 경우, 상기 위상차(θ)를 스털링 기관의 저온측과 고온측 온도의 함수로 하여 연산에 의해 구할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 동작 테이블이, 스털링 기관의 기동 개시로부터의 경과 시간을 변수로 하는 1차원 테이블이나 스털링 기관의 저온측과 고온측 온도를 변수로 하는 2차원 테이블인 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 피스톤과 상기 디스플레이서의 충돌을 검지하는 충돌 검지 수단을 설치하고, 이 충돌 검지 수단이 충돌을 검지하면 상기 제어 수단은 상기 리니어 모터의 구동 전압을 소정치 저하시키는 것을 특징으로 하고 있다.
스털링 기관의 기동 개시시나 냉동 능력이 높을 때에 피스톤과 디스플레이서가 급접근하여 충돌이 일어나기 쉬워지는데, 이 구성에 의하면 충돌이 일어나도 이것을 검지하여 순간적으로 위험을 회피할 수 있다. 이 경우, 상기 제어 수단이 저하시키는 상기 리니어 모터의 구동 전압의 소정치는 스털링 기관의 저온측과 고온측 온도의 함수식에 의해 산출되어 설정된다.
그리고, 상기 충돌 검지 수단에 의한 충돌 검지 방법은, 리니어 모터로의 인가 전압을 소정치 상승시켰을 때, 리니어 모터의 소비 전류가 소정치를 넘었음을 검지하는 방법이나 리니어 모터로의 인가 전압을 일정하게 하였을 때, 리니어 모터의 소비 전류의 변동치가 소정치를 넘었음을 검지하는 방법을 고려할 수 있다.
그리고 이러한 충돌을 검지한 경우의 제어는, 충돌을 검지하고 나서 소정 시간이 경과하면 종료하고, 그 후에는 목표 스트로크에 기초한 리니어 모터의 구동 제어로 복귀한다.
또한, 본 발명은 상기 피스톤과 디스플레이서의 간격에 대응한 피스톤의 목표 스트로크의 보정 데이터 테이블을 기억하고, 냉동기 개개의 상기 간격에 기초하 여 냉동기 개개의 목표 스트로크를 상기 보정 데이터 테이블에 의해 보정하는 것을 특징으로 하고 있다. 이 구성에 의하면, 스털링 기관의 조립 오차나 부품 정밀도에 따라 냉동기 개개의 목표 스트로크가 달라지기 때문에, 목표 스트로크를 보정하는 보정 데이터를 기억하고 냉동기 개개의 상기 간격을 입력하여 냉동기 개개의 목표 스트로크를 보정하여 설정할 수 있다.
또한, 본 발명은 스털링 기관의 입력 전압 또는 리니어 모터의 소비 전류에 대응한 피스톤의 목표 스트로크의 보정 데이터를 기억하고, 상기 입력 전압 또는 상기 소비 전류의 변동에 기초하여 목표 스트로크를 상기 보정 데이터에 의해 보정하는 것을 특징으로 하고 있다. 이 구성에 의하면, 스털링 기관의 입력 전압이나 리니어 모터의 소비 전류의 변동에 따라 피스톤의 스트로크가 변동하기 때문에, 보정된 목표 스트로크에 대응하는 리니어 모터의 구동 전압을 전원부에 의해 생성하여 피스톤을 보정한 목표 스트로크로 구동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 제어 회로 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 제어 동작 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 전원 전압 검 지부에 콤퍼레이터를 사용한 경우의 제어 회로 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 전원 전압 검지부에 아날로그 앰프를 사용한 경우의 제어 회로 블록도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 운전 제어에 사용되는 룩업 테이블을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 다른 예를 도시한 블록도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 다른 예를 도시한 블록도이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시 형태의 스털링 냉동기를 도시한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제5 실시 형태의 스털링 냉동기의 접속 상태를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 제5 실시 형태의 스털링 냉동기의 제어 박스의 구성을 도시한 블록도이다.
도 15는 본 발명의 제5 실시 형태의 스털링 냉동기의 마이크로컴퓨터의 구성을 도시한 블록도이다.
도 16은 본 발명의 제5 실시 형태의 스털링 냉동기의 리니어 모터의 등가 회로도이다.
도 17은 본 발명의 제5 실시 형태의 스털링 냉동기의 리니어 모터의 입력 전 압(Vt)과 역기전력(Vg)과의 관계를 나타낸 벡터도이다.
도 18은 본 발명의 제5 실시 형태의 구동 전압과 전류의 출력 파형을 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 제5 실시 형태의 스털링 냉동기의 스트로크 제어의 프로그램의 일례를 나타낸 플로우차트이다.
도 20은 본 발명의 제7 실시 형태의 스털링 냉동기의 동작을 나타낸 플로우차트이다.
도 21은 본 발명의 제9 실시 형태의 스털링 냉동기의 동작을 나타낸 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 프리 피스톤형 스털링 냉동기의 구조를 도시한 단면도이다. 우선, 본 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 구조에 대해 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 스털링 냉동기 본체에는 내부에 원통형의 공간을 갖는 실린더(3)가 설치되어 있고, 당해 실린더 공간내에는 피스톤(1) 및 디스플레이서(2)가 동축상에 끼워 장착되어 있다. 실린더(3)내의 작동 공간에는 헬륨 가스, 수소 가스, 질소 가스 등의 작동 가스가 충전되어 있다.
이 디스플레이서(2)에 의해 구획된 작동 공간 중, 피스톤(1)측 공간을 압축 공간(압축실; 9), 실린더 폐색단측 공간을 팽창 공간(팽창실; 10)이라 한다. 이 압축 공간(9)과 팽창 공간(10)과 실린더(3) 밖에서 연결하는 경로상에는 축열재인 재생기(12)가 구비되어 있고, 재생기(12)내는 작동 가스가 통과할 수 있는 구조로 되어 있다.
또한, 압축 공간(9)에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 방열부(43), 팽창 공간(10)에서 발생하는 저온을 외부로 전달하는 냉각부(45)가 각각의 공간을 둘러싸도록 형성되어 있다. 이 방열부(43) 및 냉각부(45)에는 각각의 온도를 검출하기 위한 온도 검출 센서(44, 46)가 설치되어 있다. 그리고, 디스플레이서(2)는 공진용 스프링(7)에 의해 냉동기 본체 케이싱(41)에 접속되어 있다.
또한, 피스톤(1)은 리니어 모터(13)에 의해 구동되는 구성으로 되어 있고, 이 리니어 모터(13)는 전원 구동 회로(48)에 의해 전력이 공급되고, 그 입력 전류가 냉동기 입력 전류 검출부(52)에 의해 모니터링되고 있다(도 2 참조).
이어서, 본 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 동작 원리에 대해 설명한다. 본 냉동기는 소위 역스털링 냉동 사이클을 이용하여 냉동 효과를 얻는 것이다. 피스톤(1)은 리니어 모터(13)에 의해 구동되어 정현(正弦) 운동한다. 피스톤(1)의 움직임에 의해 압축 공간(9)내의 작동 가스는 정현파상의 압력 변화를 나타낸다. 압축된 작동 가스는 방열부(43)에서 압축열을 방출하고, 실린더(3) 밖에 설치된 재생기(12)를 통과할 때에 예랭되어 팽창 공간(10)으로 유입된다.
디스플레이서(2)는 정상 운동시에는 피스톤(1)과 동주기로 일정한 위상차를 갖고 정현 운동하고, 그 위상차나 진폭은 공진용 스프링(7)의 스프링 상수나 시시각각으로 변화하는 압축 공간(9)과 팽창 공간(10)의 압력차, 디스플레이서(2)의 질량, 동작 주파수 등에 따라 결정된다. 이 위상차에 대해서는 일반적으로는 90° 정도가 최적 조건이라고 알려져 있다.
팽창 공간(10)으로 유입된 작동 가스는 이 디스플레이서(2)의 정현 운동에 의해 팽창하고, 이에 따라 팽창 공간(10)내의 온도는 현저하게 저하된다. 이 때 발생한 극저온을 냉각부(45)를 통해 냉동고내로 전달함으로써 원하는 냉동 효과를 얻을 수 있다.
이어서, 본 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 제어 회로에 대해 설명한다. 도 2는 상기 스털링 냉동기의 제어 회로의 구성을 도시한 블록도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 방열부(43) 및 냉각부(45)에 설치된 온도 검출 센서(44, 46)에서 검출된 온도 정보(Th, Tc)가 온도 검출부(47)를 통해 제어 마이크로컴퓨터(49)에 입력된다. 여기에서, Th는 방열부(43)의 온도, Tc는 냉각부(45)의 온도이다. 또한, 냉동기 입력 전류 검출부(52)에서 검출된 입력 전류 정보(I)도 제어 마이크로컴퓨터(49)에 입력된다.
제어 마이크로컴퓨터(49)에서는 상기 각 입력 신호가 미리 기억된 기준이 되는 값의 범위내인지의 여부를 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 스털링 냉동기를 제어하기 위한 제어 신호를 도출하고, PWM(Pulse Width Modulation) 출력부(51)에 대해 출력한다. PWM 출력부(51)는 이 제어 신호에 기초하여 펄스폭 변조를 행하여 스털링 냉동기를 제어한다.
도 3은 본 실시 형태에 있어서의 제어 동작의 플로우차트이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 스텝 #1에서 스털링 냉동기의 운전이 개시되면, 스텝 #2에서 온도 정보(Th, Tc) 및 입력 전류 정보(I)가 검지된다.
계속하여, 스텝 #3에서 상기 정보에 기초하여 미리 정한 기준치의 범위내인지를 판정함으로써, 충돌 위험성이 판정된다. 이는 상기 정보를 종합함으로써 피스톤 스트로크폭이 특정되기 때문에, 충돌 위험성이 검지 가능해지게 된다. 여기에서, 미리 정한 기준이란 시행(테이블 룩업 방식 등)을 행함으로써 수집된 충돌시의 정보를 기초로 설정되는 것이다.
스텝 #3에서 충돌할 위험성이 없다고 판정된 경우에는, 스텝 #4에서 일정치만큼 입력 전류를 증가시킨다. 증가시키는 전류량은 극단적인 피스톤 스트로크폭의 증대를 억제하기 때문에, 최대한 작게 억제하는 것이 바람직하다. 또한, 반대로 스텝 #3에서 충돌할 위험성이 있다고 판정된 경우에는 그 이상의 입력 전류를 냉동기로 공급하지 않도록 제어 마이크로컴퓨터(49)에서 제어한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 리니어 모터에 입력되는 전류치와 압축 공간내 및 팽창 공간내의 온도를 모니터하고, 이들 값을 미리 시행에 의해 얻어진 기준치와 비교함으로써 피스톤이나 디스플레이서의 충돌 위험성을 판정하고, 이 판정 결과에 기초하여 스털링 냉동기를 운전함으로써, 피스톤이나 디스플레이서 등의 내부 부품끼리 충돌하는 것이 방지됨과 아울러, 피스톤이나 디스플레이서 등의 내부 부품의 충돌을 회피한 상태에서의 최대 출력 운전이 실현된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 제어 회로의 블록도이다. 그리고, 상술한 제1 실시 형태와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그 설명은 생략한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 외부 전원(50)에서 공급된 공급 전력의 전압치는 전원 전압 검지부(59)에서 검지되고, 이 전압치 정보가 제어 마이크로컴퓨터(49)에 입력된다. 제어 마이크로컴퓨터(49)는 입력된 전압치 정보를 처리하고, 리니어 모터(13)로 공급되는 전력의 전압치가 적정한 값이 되도록 인버터 전원 회로 제어부(53)를 통해 인버터 전원 회로(54)로 제어 신호를 출력한다. 이 제어 신호에 기초하여 인버터 전원 회로(54)에서 적정한 전압치로 변환된 전력이 리니어 모터(13)로 공급된다. 여기에서, 인버터 전원 회로 제어부(53)에서 인버터 전원 회로(54)로 출력되는 제어 신호는, 인버터 전원 회로에서의 PWM 제어에 있어서의 펄스폭을 변조하는 신호이다.
이 전원 전압 검지부(59)로서 콤퍼레이터를 채택한 경우의 회로예를 도 5에 도시한다. 외부 전원에서 공급된 공급 전력의 전압치를 검지하기 위해 저항(58)에 의해 공급 전력의 전압치를 분압하고, 전압의 변화가 콤퍼레이터(57)에 의해 제어 마이크로컴퓨터(49)에 입력된다. 이 때, 공급 전력의 전압치의 고저에 따라 제어 마이크로컴퓨터(49)로의 입력은 입력 A, 입력 B, 입력 C, 입력 D로 단계적으로 송신된다. 제어 마이크로컴퓨터(49)로 송신된 신호는, 예컨대 하기 표 1에 기초하여 임계값 전압마다 출력 신호가 결정되고, 인버터 전원 회로(54)에 적정하게 펄스폭 변조된 출력 신호가 입력된다.
제어 마이크로컴퓨터 입력 임계치 전압(V) 제어 마이크로컴퓨터의 출력
A B C D
0 0 0 0 V≤90 출력 정지
1 0 0 0 90＜V＜95 기준폭보다 넓은 폭의 펄스를 출력
1 1 0 0 95≤V＜150 기준폭의 펄스를 출력
1 1 1 0 150≤V＜110 기준폭보다 좁은 폭의 펄스를 출력
1 1 1 1 110≤V 출력 정지
상기 표 1을 참조하여, 예컨대 제어 마이크로컴퓨터(49)로의 입력 A/B/C/D가 0/0/0/0인 경우에는, 공급 전력의 전압치가 90V 이하라고 판단하여 인버터 전원 회로(54)로의 출력을 정지하고, 스털링 냉동기(40)의 운전을 정지한다. 또한, 제어 마이크로컴퓨터(49)로의 입력이 1/1/1/1인 경우에는, 공급 전력의 전압치가 110V 이상이라고 판단하고, 마찬가지로 인버터 전원 회로(54)로의 출력을 정지하여 스털링 냉동기(40)의 운전을 정지한다. 제어 마이크로컴퓨터(49)로의 입력이 1/1/0/0인 경우에는, 공급 전력의 전압치가 95V 이상, 105V 미만이라고 판단하여 기준폭의 펄스 신호를 출력한다. 상기 이외의 경우에는, 그 전압치 정보에 기초하여 기준폭 펄스의 펄스폭 변조를 행함으로써 적절한 전압치로 시정한다.
또한, 전원 전압 검지부(59)로서 아날로그 앰프를 채택한 경우의 회로예를 도 6에 도시한다. 이 경우, 아날로그 앰프(56)에 의해 공급 전력의 전압치를 0∼5V로 변환하고, 이 변환된 전압을 제어 마이크로컴퓨터(49)에 입력한다. 제어 마이크로컴퓨터(49)에 입력된 전압 신호를 연산 처리하여 인버터 전원 회로(54)로 송신한다. 공급 전력의 전압치가 이상하다고 판단된 경우에는, 인버터 전원 회로(54)로의 출력을 정지하고, 스털링 냉동기(40)의 운전을 정지한다.
이상과 같이, 공급 전력의 전압치의 변동을 전원 전압 검지 수단에 의해 검지하고, 이 정보를 기초로 제어 마이크로컴퓨터에서 적정한 전압치가 되도록 펄스 폭을 변조하고, 이 출력 신호를 사용하여 인버터 전원 회로에 의해 스털링 냉동기로의 입력 전력의 전압치를 조정함으로써 최적의 운전 조건이 확보된다. 또한, 공급 전력의 전압치가 이상하다고 판단한 경우에는, 스털링 냉동기로의 전력의 공급 을 정지시킴으로써 내부 부품의 충돌 등으로 인한 스털링 냉동기의 파손을 방지할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 블록도이다. 그리고, 상술한 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 동일한 부분에 대해서는 도면중 동일한 부호를 붙이고 그 설명은 생략한다.
본 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기에서는, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지로 방열부(43) 및 냉각부(45)에 온도를 측정하기 위한 온도 검출 센서(44, 46)가 장착되어 있다. 이들 온도 검출 센서(44, 46)에 의해 검출된 온도 정보는, 제어 마이크로컴퓨터(49)에 온도 검출부(47)를 통해 입력되고, 제어 마이크로컴퓨터(49)내에 미리 기억되어 있는 룩업 테이블(도 8 참조)을 참조함으로써 그 출력 신호가 결정되고, 인버터 전원 회로(54)로 출력된다. 그리고, 이 룩업 테이블은 미리 시행을 행함으로써 스털링 냉동기의 내부 부품이 충돌하는 이상 가열 및 이상 냉각 상태의 데이터를 수집함으로써 얻어진 정보를 사용한다.
또 다른 예로서, 도 9에 도시한 바와 같이 피스톤(1)을 사이에 두고 압축 공간(9)의 반대측에 위치하는 바운스 공간(배압실; 8)내의 온도를 검출함으로써 이상을 검지할 수도 있다. 이 경우에는 온도 센서(55)를 바운스 공간(8)을 구성하는 본체 케이싱(9)에 장착함으로써 바운스 공간(8)내의 온도를 간접적으로 모니터하고 있다. 그리고 바운스 공간(8)의 온도에 따라 이상이 검지되는 것은, 압축 공간(9)과 바운스 공간(8)이 연통하고 있기 때문에, 압축 공간(9)이 이상 가열된 경우에 바운스 공간(9)도 이상으로 가열되기 때문이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기의 블록도이다. 본 실시 형태에 있어서의 스털링 냉동기는, 밸런스 매스의 이상 진동을 검출함으로써 피스톤이나 디스플레이서라는 내부 부품의 충돌 위험성을 검지하고, 미연에 이 충돌을 방지하는 기구를 구비한 스털링 냉동기이다. 그리고, 상술한 제1 실시 형태∼제3 실시 형태와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그 설명은 생략한다.
도면을 참조하면, 스털링 냉동기(40)의 본체 케이싱(9)에는 밸런스 매스(42)가 매스 스프링(63) 및 매스 스프링 지지 부재(64)를 통해 접속되어 있다. 이 밸런스 매스(42)는 스털링 냉동기(40) 본체의 진동을 억제하기 위해 부착되는 것이다. 스털링 냉동기(40)가 이상 진동 상태에 있는 경우에는 이 밸런스 매스(42)도 이상 진동하기 때문에, 이 밸런스 매스(42)의 진폭을 감시함으로써 스털링 냉동기의 이상을 검지할 수 있게 된다.
스털링 냉동기(40)가 정상 동작하고 있는 경우의 밸런스 매스(42)의 진폭 범위를 미리 예측해 두고, 밸런스 매스(42)의 근방에 설치된 광센서(60, 61)에 의해 밸런스 매스(42)의 진폭을 감시한다. 이상 진동이 발생한 경우에는 광센서의 발광부(60)에서 조사되는 광선이 밸런스 매스에 의해 차단되기 때문에, 광센서의 수광부(61)까지 도달하지 않는다. 이 경우, 제어 마이크로컴퓨터(49)에 광센서 수광부(61)로부터 입력되는 전압 신호가 감소한다. 이것을 검지한 제어 마이크로컴퓨터(49)는 바로 인버터 전원 회로(54)로의 출력을 정지하고, 스털링 냉동기(40)의 운전을 정지한다.
이상에 의해 스털링 냉동기의 이상 진동을 검지함으로써, 내부 부품의 충돌이 미연에 방지되어 스털링 냉동기가 파손되는 경우를 방지할 수 있게 된다. 그리고, 광센서 대신에 도 11에 도시한 바와 같은 접촉 센서(62)를 밸런스 매스(42)의 근방에 설치하고, 밸런스 매스(42)가 이상 진동시에 접촉 센서(62)에 접촉함으로써, 이상 진동을 검지하도록 해도 된다.
상술한 모든 실시 형태에서는, 피스톤과 디스플레이서가 동축상에 끼워 장착된 스털링 냉동기에 본 발명을 적용한 경우를 예시하여 설명하였으나, 별개로 압축기와 팽창기가 설치된 스털링 냉동기에도 적용할 수 있다.
또한 상술한 모든 실시 형태에서는, 디스플레이서가 공진용 코일 스프링에 의해 스털링 냉동기의 본체 케이싱에 접속되어 있는 것을 예시하였으나, 특별히 이것으로 한정되는 것은 아니며, 공진용 코일 스프링 대신에 가스 스프링이나 판 스프링 등을 이용한 스털링 냉동기여도 된다.
또한, 상술한 제1 실시 형태 및 제3 실시 형태에서는, 압축 공간 및 팽창 공간의 온도를 검출하기 위한 온도 검출 센서를 방열부 및 냉각부에 설치함으로써 간접적으로 검출한 경우를 나타내고 있으나, 압축 공간 및 팽창 공간내에 온도 검출 센서를 설치하여 직접 작동 가스의 온도를 측정하는 구성으로 해도 된다.
도 12는 제5 실시 형태의 스털링 냉동기를 도시한 단면도이다. 스털링 냉동기(40)는, 축방향으로 분할된 대략 원통형상의 실린더(3)내에 원기둥형 피스톤(1) 및 디스플레이서(2)가 내측에서 끼워져 있다. 피스톤(1)과 디스플레이서(2)는 압축 공간(9; 이하, “웜 섹션”이라 하는 경우가 있음)을 통해 동축에 배치되어 있 다.
실린더(3)의 선단에는 디스플레이서(2)와의 사이에 팽창 공간(10; 이하, “콜드 섹션”이라 하는 경우가 있음)이 형성되어 있다. 압축 공간(9)과 팽창 공간(10)은 헬륨 등의 작동 매체가 유통하는 매체 유통로(11)에 의해 연이어 통해 있다. 매체 유통로(11)내에는 작동 매체의 열을 축적함과 아울러 축적한 열을 작동 매체에 공급하는 재생기(12)가 배치되어 있다. 실린더(3)의 대략 중간에는 턱부(3a)가 돌출 형성되어 있다. 턱부(3a)에는 돔 형상의 내압 용기(4)가 장착되고, 내부를 밀폐하여 바운스 공간(8)이 형성되어 있다.
피스톤(1)은 후단에서 피스톤 지지 스프링(5)과 일체화되고, 디스플레이서(2)는 피스톤(1)의 중심공(1a)을 관통하는 로드(2a)를 통해 디스플레이서 지지 스프링(6)과 일체화되어 있다. 피스톤 지지 스프링(5)과 디스플레이서 지지 스프링(6)은 볼트(22)에 의해 연결되어 있다. 후술하는 바와 같이, 피스톤(1)이 왕복 운동하면 디스플레이서(2)는 그 관성력에 의해 피스톤(1)에 대해 소정의 위상차를 가지며 왕복 운동을 하도록 되어 있다.
바운스 공간(8)내의 실린더(3)에는 내측 요크(18)가 외측에서 끼워져 있다. 내측 요크(18)에는 간극(19)을 두고 외측 요크(17)가 대치하고 있다. 외측 요크(17)에는 구동용 코일(16)이 내장되고, 간극(19)에는 고리 형상의 영구 자석(15)이 이동 가능하게 배치되어 있다. 영구 자석(15)은 컵 형상의 슬리브(14)를 통해 피스톤(1)과 일체화되어 있다. 이에 따라, 구동용 코일(16)에 전압을 인가함으로써 피스톤(1)을 축방향으로 이동시키는 리니어 모터(13)가 구성되어 있다.
구동용 코일(16)에는 리드 선(20, 21)이 접속되어 있다. 리드 선(20, 21)은 내압 용기(4)의 벽면을 허메틱 실링(Hermetic Seal) 단자(37; 도 13 참조)를 통해 관통하여 제어 박스(30)에 접속되어 있다. 제어 박스(30)에 의해 리니어 모터(13)의 구동 전원이 공급되도록 이루어져 있다.
상기 구성의 스털링 냉동기(40)는 리니어 모터(13)에 의해 피스톤(1)이 왕복 운동하면, 디스플레이서(2)의 관성력에 의해 피스톤(1)에 대해 소정 위상차로 디스플레이서(2)가 왕복 운동한다. 이에 따라, 압축 공간(9)과 팽창 공간(10) 사이를 작동 매체가 이동하여 역스털링 사이클이 구성된다. 즉, 작동 매체가 압축됨으로써 고온측이 되는 압축 공간(9)에서 발생한 열은 매체 유통로(11)를 통해 대기중으로 방출되고, 또한 작동 매체는 재생기(12)에 열을 축적하여 팽창 공간(10)으로 이동한다.
재생기(12)에 의해 냉각된 작동 매체는 저온측이 되는 팽창 공간(10)에서 팽창됨으로써 더욱 차가워진다. 그리고, 작동 매체가 매체 유통로(11)를 통해 압축 공간(9)으로 이동할 때에 재생기(12)에 축적된 열에 의해 가열된다. 이 동작을 반복해서 팽창 공간(10; 콜드 섹션)의 냉동이 행해지도록 되어 있다.
도 13은 제어 박스(30)와 스털링 냉동기(40)의 접속 상태를 도시한 도면이다. 스털링 냉동기(40)에는 팽창 공간(10), 압축 공간(9), 바운스 공간(8)의 온도(Tc, Th, Tb)를 각각 검지하는 온도 센서(34, 35, 36)가 부착되어 있다.
제어 박스(30)에는 온도 센서(34, 35, 36)의 출력을 각각 A/D 변환하는 TcA/D 변환부(108), ThA/D 변환부(109), TbA/D 변환부(110)가 설치되어 있다. 또 한, 리드 선(20, 21)을 통해 허메틱 실링 단자(37)에는 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)가 접속되어 있다. 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)는 리니어 모터(13)의 구동 전압을 출력한다.
도 14는 제어 박스(30)를 더욱 상세하게 도시한 블록도이다. 제어 박스(30)에는 각종 연산 등을 행하는 마이크로컴퓨터(104)가 설치된다. 마이크로컴퓨터(104)에는 제어 박스(30)의 각부에 전원을 공급하는 전원부(105)가 접속되어 있다.
또한 마이크로컴퓨터(104)에는 전원부(105)의 입력 전압을 검출하는 전압 센서(도시 생략)의 검출치를 A/D 변환하여 입력하는 전압치 입력부(102) 및 리니어 모터(13)의 소비 전류를 검출하는 전류 센서(33)의 검출치를 A/D 변환하여 입력하는 전류치 입력부(103)가 접속되어 있다. 그리고, 제어 박스(30)를 리셋하는 리셋부(106), PWM 인버터 파형을 생성하는 발진부(107), 재기록 가능한 불휘발성 기억 소자(EEPROM)로 이루어져서 데이터를 기억하는 기억부(111)가 마이크로컴퓨터(104)에 접속되어 있다.
후술하는 바와 같이, 전압치 입력부(102)로부터의 입력에 따라 마이크로컴퓨터(104)에서 전원부(105)로 제어 신호가 송신된다. 이에 따라, 전원부(105)의 출력 전압이 제어된다. 또한, 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)는 마이크로컴퓨터(104)의 제어에 의해 전원부(105)의 출력 전압을 PWM 인버터 파형으로 변환하여 리니어 모터(13)에 공급하도록 되어 있다.
도 15는 마이크로컴퓨터(104)의 내부 구성을 도시한 블록도이다. 마이크로 컴퓨터(104)내에는, 제어 프로그램이 기억된 판독 전용 ROM(121), 연산의 일시 기억을 행하는 RAM(122), 운전 시간 등을 계시하는 타이머(123), 입출력용 I/O 포트(125)가 CPU(124)에 접속된다. CPU(124)가 ROR(121)에서 판독한 제어 프로그램을 실행함으로써 스털링 냉동기(40)의 제어가 행해진다.
리니어 모터(13)의 구동을 제어하는 방법으로서, 리니어 모터(13)의 구동 전압을 검지하여 목표 스트로크에 대응한 구동 전압으로 제어하는 스텝 제어와, 피스톤(1)의 스트로크를 검지하여 원하는 스트로크로 제어하는 스트로크 제어를 생각할 수 있다.
스텝 제어는 전압치 입력부(102)로부터 입력된 전압치 및 전류치 입력부(103)로부터 입력된 전류치에 기초하여 산출된, 구동중인 리니어 모터(13)의 구동 전압과 피스톤(1)의 목표 스트로크에 대응하는 구동 전압을 마이크로컴퓨터(104)에 의해 비교하여 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)에서 출력되는 구동 전압을 스텝 형상으로 조정하여 행해진다.
스트로크 제어는, 마이크로컴퓨터(104)에 의해 구동중인 리니어 모터(13)의 구동 전압, 소비 전류, 인덕턴스, 저항 성분으로부터 연산함으로써 피스톤(1)의 스트로크를 검출하고, 기억부(111; 도 14 참조)에 기억된 목표 스트로크와 비교하여 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)에서 출력되는 구동 전압을 목표 스트로크에 대응한 구동 전압으로 조정하여 행해진다.
피스톤(1)의 스트로크의 검출 방법을 설명하기 위해, 도 16에 리니어 모터(13)의 등가 회로를 도시한다. 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)에서 구 동 전압(Vt)이 부여되면, 리니어 모터(13)에는 전류(I)가 흐르고, 저항 성분(R) 및 인덕턴스(L)에 의해 전압 강하가 발생하여 역기전력(Vg)이 발생한다.
전류(I)는 구동 전압(Vt)에 대해 위상의 어긋남이 있기 때문에, 위상차를 θ라 하면, 도 17의 벡터도에 나타낸 바와 같이 저항 성분(R) 및 인덕턴스(L)에 의한 전압 강하는 각각 RIcosθ, Lsinθ·dI/dt로 된다. 따라서, 역기전력(Vg)은 하기 식 (1)로 표시된다. 또한, 역기전력(Vg)은 스트로크(Xp)의 함수로 되기 때문에 하기 식 (2)에 의해서도 표시된다.
Vg=Vt-RIcosθ-Lsinθ·dI/dt (1)
Vg=f(Xp) (2)
도 18은 구동 전압(Vt)과 전류(I)의 출력 파형을 나타낸 도면이다. 위상차(θ)는 다음과 같이 구할 수 있다. 즉, 구동 전압(Vt)의 전압의 피크 위치(위상각 90°)를 위치 A로 하여 위치 A에서 소정 각도, 예컨대 10°, 20° 지연된 위치를 위치 B(위상각 100°), 위치 C(위상각 110°)라 한다. 또한, 위치 A, B, C일 때의 전류(I)를 각각 IA, IB, IC라 하면, 위상차(θ)는 다음과 같이 된다.
IA≥IB＞IC일 때, θ≤5°
IB＞IA≥IC일 때, 5°＜θ≤10°
IB≥IC＞IA일 때, 10°＜θ≤15°
IC＞IB＞IA일 때, θ＞15°
상기한 바와 같이 위치 A, B, C의 지연 각도를 10°로 하면, 5°의 분해능으로 위상차(θ)를 판정할 수 있게 된다. 지연 각도를 보다 작게 하면 분해능을 높 일 수 있음과 아울러, 측정 포인트수를 증가시키면 보다 광범위의 위상차를 측정할 수 있게 된다.
상기 식 (1), (2)에 있어서, L, R은 이미 알고 있는 값이고, Vt, I는 각각 전압치 입력부(102) 및 전류치 입력부(103)에서 부여됨으로써 위상차(θ)가 구해지기 때문에, 마이크로컴퓨터(104)에 의해 스트로크(Xp)를 연산할 수 있다.
또한, 위상차(θ)≒0일 때, 상기 식 (1)은 하기 식 (3)과 같이 근사할 수 있다. 따라서, 스털링 냉동기(40)의 부하가 가벼운 경우에는 위상차(θ)≒0이 되기 때문에, 식 (3)을 이용하여 스트로크(Xp)를 구해도 된다.
Vg=Vt-RI (3)
그러나, 스털링 냉동기(40)의 부하가 커지면 위상차(θ)는 커지기 때문에, 위상차(θ)의 영향을 완전히 무시할 수는 없다. 따라서, 상기 식 (3)에 있어서 저항 성분(R)에 스털링 냉동기(40)의 부하를 고려하는 것이 바람직하다. 스털링 냉동기(40)의 부하는 스털링 냉동기(40)의 고온측 온도와 저온측 온도의 함수에 의해 표시할 수 있다.
고온측 온도로서 웜 섹션(9)의 온도 Th 또는 바운스 공간(8)의 온도 Tb를 이용한다. 저온측 온도로서 콜드 섹션(10)의 온도 Tc를 이용한다. 따라서, 상기 식 (3) 대신에 하기 식 (4) 또는 식 (5)를 이용할 수 있다. 그리고, 마이크로컴퓨터(104)는 식 (4) 또는 식 (5)와 식 (2)의 관계로부터 피스톤(1)의 스트로크(Xp)를 구할 수 있다.
Vg=Vt-R(Th, Tc)I (4)
Vg=Vt-R(Tb, Tc)I (5)
기억부(111; 도 14 참조)에는 스털링 냉동기(40)의 운전 상태에 따른 피스톤(1)의 목표 스트로크가 기억되어 있다. 표 2는 기억부(111)에 기억된 목표 스트로크의 테이블을 나타내고 있다.
Tc＼Th, Tb ∼30℃ 30℃∼40℃ 40℃∼50℃ 50℃∼60℃
10℃∼20℃ 5.9㎜ 5.7㎜ 5.5㎜ 5.3㎜
0℃∼10℃ 6.0㎜ 5.8㎜ 5.6㎜ 5.4㎜
-10℃∼0℃ 6.2㎜ 6.0㎜ 5.8㎜ 5.6㎜
-20℃∼-10℃ 6.4㎜ 6.2㎜ 6.0㎜ 5.8㎜
-30℃∼-20℃ 6.5㎜ 6.3㎜ 6.2㎜ 5.9㎜
동표에 의하면, 목표 스트로크는 스털링 냉동기(40)의 저온측 온도 및 고온측 온도의 2차원(매트릭스) 테이블로 되어 있고, 이들 온도대에 따라 다른 값으로 되어 있다.
콜드 섹션(10)의 온도(Tc)는 10℃∼20℃, 0℃∼10℃, -10℃∼0℃, -20℃∼-10℃, -30℃∼-20℃의 5가지 범위로 구분되어 있다. 웜 섹션(9)의 온도(Th) 또는 바운스 공간(8)의 온도(Tb)는 ∼30℃, 30℃∼40℃, 40℃∼50℃, 50℃∼60℃의 4가지 온도로 구분되어 있다. 이들 온도 범위나 온도의 구획은 일례로서 상기로 한정되는 것은 아니다.
도 19는 이 온도를 변수로 하는 목표 스트로크의 테이블을 참조하는 프로그램의 플로우차트이다. 우선, 웜 섹션 온도(Th)를 Th 온도 센서(35)·ThA/D 변환부(109)로 검지·디지털 변환하여 측정한다(스텝 #51). 그 온도가 60℃ 미만 30℃ 이상의 범위에 있는지 확인한다(스텝 #52, 53). 60℃ 이상인 경우에는 59℃ 로, 30℃ 이하인 경우에는 29℃로 조정한다(스텝 #54, 55). 그 값을 10으로 나누어 소수점 이하를 절사하여 정수화하고, 다시 그 값으로부터 2를 빼서 FTh를 구한다(스텝 #56).
이어서, Tc의 온도를 Tc 온도 센서(34)·TcA/D 변환부(108)로 검지·디지털 변환하여 측정하고, 30을 더한다(스텝 #57). 그 온도가 50℃ 미만 0℃ 이상의 범위에 있는지 확인한다(스텝 #58, 59). 50℃ 이상인 경우에는 49℃로, 0℃ 이하인 경우에는 0℃로 조정한다(스텝 #61). 이 값을 10으로 나누어 소수점 이하를 절사하여 정수화하고, FTc를 구한다(스텝 #62). ROM상의 테이블이 존재하는 선두 어드레스(TA/D)에 4(4-FTc)와 FTh를 더하여 타깃 어드레스를 산출한다(스텝 #63). 이 어드레스의 데이터를 Ac로서 받아들이고(스텝 #64), 목표 스트로크로 한다(스텝 #65).
그리고, 웜 센션 온도(Th) 대신에 바운스 공간의 온도(Tb)를 사용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
스털링 냉동기(40)는 저온측 온도가 낮을수록 작동 매체의 가스압이 안정되게 구동되고 있고, 마찬가지로 고온측 온도가 높을수록 작동 매체의 가스압이 안정되게 구동되고 있다. 따라서, 기동 직후 등의 작동 매체의 가스압이 불안정한 때에는 리니어 모터(13)에 의해 피스톤(1)이 작은 스트로크로 구동된다. 이에 따라, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌이 저감된다. 그리고, 기동후의 시간 경과에 따라 작동 매체의 가스압이 안정되면 서서히 스트로크를 크게 하여 높은 냉동 능력으로 운전한다.
또한, 기동 직후에는 스트로크를 작게 하고 리니어 모터(13)의 왕복 운동의 속도를 빠르게 하여 가스압을 빨리 안정시킴과 아울러, 스트로크를 크게 하면 왕복 운동의 속도를 느리게 하여 지나침으로 인한 충돌을 회피하면 된다.
그리고, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)가 소정 거리 이내로 접근하였을 때나 충돌의 발생을 검지한 경우에는, 상술한 스텝 제어로 전환한다. 이에 따라, 직전의 구동 전압보다 낮은 구동 전압으로 리니어 모터(13)를 구동하여 충돌을 회피한 구동으로 복귀할 수 있도록 되어 있다.
목표 스트로크는 테이블에서 추출하는 것이 아니라 연산에 의해 구해도 된다. 예컨대, 목표 스트로크(Xb)를 식 (6) 또는 식 (7)과 같이 온도(Tc, Th)의 함수에 의해 표시할 수 있다. 식 (6) 또는 식 (7)에 의한 목표 스트로크를 연산하면, 보다 원활하게 스트로크를 조정할 수 있음과 아울러 기억부(111)의 데이터량을 삭감할 수 있다.
Xb=(α1Tc+α2)(α3Th+α4) (6)
Xb=(β1Tc2+β2Tc+β3)(β4Th2+β5 Th+β6) (7)
(α1∼α4, β1∼β6은 상수)
이어서, 본 발명의 제6 실시 형태의 스털링 냉동기에 대해 설명한다.
이 실시 형태는 후술하는 충돌 검지 수단을 사용함으로써, 스트로크 제어에 더하여 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌로 인한 위험한 상태를 회피할 수 있도록 한 것이다.
상기 제5 실시 형태에 있어서, 마이크로컴퓨터(104)는 리니어 모터(13)의 구동 전압을 서서히 상승시키고, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌 위험이 있는 스트로크 부근이 되면, 목표 스트로크를 얻을 수 있을 때까지 천천히 상승시킨다. 이와 같이 구동 전압을 상승시키고 있을 때에는 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 스트로크의 밸런스가 잘 잡혀 있지 않기 때문에 비교적 충돌이 일어나기 쉬워진다. 따라서, 만약 충돌이 검지되면 바로 피스톤(1)의 스트로크를 작게 함으로써 충돌로 인한 위험한 상태를 회피할 필요가 있다.
이 경우의 충돌을 검지하는 구체적 방법에 대해 설명한다. 이 방법은 구동 전압을 상승시키면, 리니어 모터(13)의 소비 전류가 증가하는 것을 이용하고 있다. 리니어 모터(13)의 등가 회로에 있어서의 구동 전압(Vt)과 소비 전류(I)의 관계를 예측 연산하고, 구동 전압을 소정치 상승시켰을 때에 예측 연산하여 얻어진 소비 전류치에 수 퍼센트 상승한 충돌 검지 전류치(A)를 연산 기억한다. 그리고, 실제의 소비 전류치를 전류 센서(33)에 의해 측정하고, 상기 충돌 검지 전류치(A)와 비교한다. 측정치가 충돌 검지 전류치(A)를 넘은 경우에는 충돌이라고 판단하여 위험을 회피한다. 위험 회피의 구체적 방법에 대해서는 후술한다.
또한, 피스톤(1)의 목표 스트로크가 얻어지고, 일정한 구동 전압으로 리니어 모터(13)를 제어하고 있을 때에는 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 접근시의 간격이 매우 작아져 있기 때문에, 부하나 입력 전압의 약간의 변동이라도 충돌할 위험이 있다.
이 경우의 충돌 검지의 구체적 방법에 대해 설명한다. 이 방법은 피스톤(1) 과 디스플레이서(2)를 충돌하면, 리니어 모터(13)의 소비 전류가 주기적으로 변동하는 것을 이용하고 있다. 즉, 피스톤(1)의 운동이 목표 스트로크에 도달하고, 일정한 구동 전압으로 리니어 모터(13)를 제어하고 있는 경우, 통상 소비 전류치도 일정해지기 마련이지만, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌이 일어나면 충돌마다 주기적으로 전류치가 크게 변동한다. 이 때, 충돌이라고 판단할 수 있는 것을 이용하고 있다.
우선, 목표 스트로크가 얻어진 시점에서 소비 전류치를 검출하여 기억한다. 그리고, 이 값에 수 퍼센트를 곱하여 충돌 검지 전류 변동치(B)를 연산 기억한다. 그리고, 안정시의 전류를 0.1초 단위로 반복해서 측정·기억하여 1초마다 그 변동치를 하기 식으로 연산한다.
변동치=1초 중의 전류의 최대치-1초 중의 전류의 최소치
이 변동치와 충돌 검지 전류 변동치(B)를 비교한다. 변동치가 충돌 검지 전류 변동치(B)를 넘은 경우, 충돌이라 판단하여 회피 처리를 행한다. 여기에서, 상기 기재된 시간 0.1초, 1초는 일례이고, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 이 충돌 검지 방법은 구동 전압(Vt)이 소정 전압을 넘은 경우에 기능시키면 된다.
상기와 같이 2종류의 충돌 검지 방법을 이용하여 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌을 검지하고 있다. 그리고 실제 충돌이 검지되면, 스트로크 제어로부터 스텝 제어로 이행하고, 스트로크 제어로 컨트롤하였던 구동 전압으로부터 스텝으로 줄이고, 소정 전압보다 약간 낮은 구동 전압으로 리니어 모터(13)를 구동 제어하게 된다.
이 줄이는 구동 전압의 스텝 수는, 웜 섹션의 온도(Th)와 콜도 섹션의 온도(Tc)에 의한 함수로 되어 있고, 기본적으로 웜 섹션의 온도(Th), 콜드 섹션의 온도(Tc)가 높아지면 스텝 수는 커지도록 설정되어 있다. 표 3에 그 일례를 나타낸다.
Tc＼Th ∼30℃ 30℃∼40℃ 40℃∼50℃ 50℃∼60℃
20℃∼10℃ 4스텝 6스텝 8스텝 8스텝
10℃∼0℃ 4스텝 5스텝 6스텝 7스텝
0℃∼-10℃ 4스텝 5스텝 6스텝 7스텝
-10℃∼-20℃ 3스텝 4스텝 5스텝 6스텝
-20℃∼-30℃ 3스텝 4스텝 5스텝 6스텝
그리고, 웜 섹션 온도(Th) 대신에 바운스 공간 온도(Tb)라도 대용 가능하고, 또한 스텝 수를 Th 또는 Tc에 대한 일차 함수나 이차 함수로 변환할 수도 있다.
이와 같이 하여 충돌을 검지하면, 스트로크 제어로부터 스텝 제어로 이행하고, 리니어 모터(13)의 구동 전압을 스텝 수를 낮춤으로써, 피스톤(1)의 스트로크가 순간적으로 작아지고, 충돌로 인한 위험한 상태를 회피하여 안전하게 구동 제어할 수 있게 된다.
그리고, 충돌을 검지한 경우에 스트로크 제어로부터 스텝 제어로 이행하였으나, 반대로 스텝 제어로부터 스트로크 제어로 되돌릴 필요가 있게 된다. 이것에는 시간에 따른 방법을 채택하고 있으며 스텝 제어로 이행한 시점부터 소정 시간 경과후(예컨대, 20초), 스트로크 제어로 복귀하도록 설계하고 있다. 그리고, 스텝 제어를 행하고 있는 동안에는 충돌 위험 검지를 정지하고 있다.
이 경우, 상기 소정 시간도 부하의 변동에 링크시킬 수 있고, 웜 섹션의 온 도(Th)와 콜드 섹션의 온도(Tc)를 변수로 하는 2차원 테이블을 이용하면 된다. 표 4에 그 일례를 나타낸다. 기본적으로는 웜 섹션의 온도(Th)가 높고, 콜드 섹션의 온도(Tc)가 낮으면 시간이 길어지도록 설계되어 있다.
Tc＼Th ∼30℃ 30℃∼40℃ 40℃∼50℃ 50℃∼60℃
20℃∼10℃ 8초 12초 15초 20초
10℃∼0℃ 10초 15초 17초 22초
0℃∼-10℃ 13초 20초 23초 25초
-10℃∼-20℃ 15초 22초 26초 28초
-20℃∼-30℃ 20초 24초 28초 30초
또한, 웜 섹션 온도(Th) 대신에 바운스 공간 온도(Tb)로도 대용 가능하고, 또한 충돌 검지의 정지 시간(상기 소정 시간)을 웜 섹션 온도(Th) 또는 콜드 섹션 온도(Tc)에 대한 일차 함수나 이차 함수로 변환할 수도 있다.
이어서, 본 발명의 제7 실시 형태의 스털링 냉동기에 대해 설명한다.
본 실시 형태는 스털링 냉동기(40)의 조립 오차나 부품 정밀도 등의 치수에 따라 마이크로컴퓨터(104)에 의해 목표 스트로크를 보정하도록 되어 있다.
또한, 스털링 냉동기(40)의 조립 오차나 부품 정밀도에 따라 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 간격 등의 치수에 개체 차가 발생한다. 이 때, 전 제품의 스털링 냉동기(40)를 표 2와 동일한 테이블의 목표 스트로크를 사용하여 스트로크 제어를 행하면, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌이 발생하는 경우가 있다.
따라서, 기억부(111)에는 목표 스트로크를 보정하는 보정 데이터가 저장되어 있다. 예컨대, 기억부(111)에는 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 간격에 대응한 계수(k1)의 테이블이 기억된다. 제조 공정에서는 스털링 냉동기(40)의 각 개체에 대 한 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 간격을 계측하여 기억부(111)에 저장한다. 따라서, 스털링 냉동기(40)의 각 개체에 대응하는 계수(k1)가 테이블로부터 정해지게 된다.
스털링 냉동기(40)의 구동시에 마이크로컴퓨터(104)에 의해 기억부(111)에 저장된 표 2로부터 목표 스트로크(Xb)가, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 간격에 따른 계수(k1)의 테이블로부터 계수(k2)가 각각 판독되고, 식 (8)에 나타낸 바와 같이 목표 스트로크(Xb)가 보정된다. 그리고, 보정된 목표 스트로크(Xb')를 기초로 스트로크 제어가 행해지게 되어 있다.
Xb'=k1Xb (8)
스털링 냉동기(40)에 공급되는 전압이 변동하면, 전원부(105)의 출력 전압도 변동한다. 이에 따라, 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)에서 리니어 모터(13)로 출력되는 구동 전압이 목표 스트로크에 대응하지 않는 전압으로 되는 경우가 있다. 따라서, 기억부(111)에는 전원부(105)의 출력 전압을 보정하는 보정 데이터가 저장되어 있다. 예컨대, 기억부(111)에는 전원부(105)의 입력 전압에 대응한 계수(k2)의 테이블이 기억된다.
스털링 냉동기(40)의 구동시에 마이크로컴퓨터(104)에 의해 표 2의 목표 스트로크가 판독되고, 이 목표 스트로크에 따른 구동 전압이 구해진다. 동시에 기억부(111)로부터 전원부(105)의 입력 전압에 따른 계수(k2)가 판독되고, 식 (9)에 나 타낸 바와 같이 전원부(105)의 출력 전압(Vb)이 보정된다. 그리고, 보정된 출력 전압(Vb')이 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)에 공급되고, 목표 스트로크에 대응한 구동 전압이 리니어 모터(13)에 공급되도록 이루어져 있다.
Vb'=k2Vb (9)
또한, 리니어 모터(13)의 소비 전류(I)가 변동하면, 인덕턴스(L) 및 저항 성분(R)(도 16 참조)의 전압 강하의 변화로 인해 리니어 모터(13)에 가해지는 전압이 변동한다. 이에 따라, 원하는 스트로크를 얻을 수 없는 경우가 있다. 따라서, 기억부(111)에는 리니어 모터(13)의 구동 전압을 보정하는 보정 데이터가 저장되어 있다. 예컨대, 기억부(111)에는 소비 전류에 대응한 계수(k3)의 테이블이 기억된다.
스털링 냉동기(40)의 구동시에 마이크로컴퓨터(104)에 의해 표 2의 목표 스트로크가 판독되고, 목표 스트로크에 따른 구동 전압(Vc)이 구해진다. 동시에 전류치 입력부(103)의 입력에 기초하여 기억부(111)에서 계수(k3)가 판독되고, 식 (10)에 나타낸 바와 같이 구동 전압(Vc)이 보정된다. 그리고, 보정된 구동 전압(Vc')에 의해 리니어 모터(13)가 구동되도록 이루어져 있다.
Vc'=k3Vc (10)
상기 계수(k1, k2, k3)는 테이블로서 복수의 값이 저장되는데, 계수(k1, k2, k3)를 연산에 의해 구하는 식을 기억부(111) 또는 ROM(121)에 저장해도 된다.
상기 구성의 스털링 냉동기(40)의 동작을 도 20의 플로우차트를 참조하여 설명한다. 우선, 스텝 #10에서는 콜드 섹션의 온도(Tc) 및 웜 섹션의 온도(Th)를 온도 센서(34, 35)에 의해 검지하고, TcA/D 변환부(108) 및 ThA/D 변환부(109)를 통해 마이크로컴퓨터(104)에 송신한다.
스텝 #11에서는 마이크로컴퓨터(104)에 의해 기억부(111)에 기억된 목표 스트로크의 테이블로부터, 온도(Tc, Th)에 대응하는 목표 스트로크(Xb)를 추출한다. 스텝 #12에서는 기억부(111)에 기억된 보정 계수의 테이블로부터 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 간격에 따른 보정 계수(k1)를 추출한다. 스텝 #13에서는 목표 스트로크를 식 (8)에 기초해서 보정하여 목표의 목표 스트로크(Xb')를 얻는다.
스텝 #14에서는 스털링 냉동기(40)의 입력 전압(전원부(105)의 입력 전압)을 검출한다. 스텝 #15에서는 기억부(111)에 기억된 보정 계수(k2)의 테이블로부터 입력 전압에 대응한 보정 계수(k2)를 추출한다. 스텝 #16에서는 전원부(105)의 출력 전압을 식 (9)에 기초해서 보정하여 안정된 출력 전압(Vb')을 얻는다.
스텝 #17에서는 목표 스트로크로 구동하기 위한 구동 전압(Vc)을 마이크로컴퓨터(104)에 의해 연산한다. 스텝 #18에서는 리니어 모터(13)의 소비 전류(I)를 전류 센서(33)로 검지하고, 전류치 입력부(103)를 통해 마이크로컴퓨터(104)에 입력한다.
스텝 #19에서는 기억부(111)에 기억된 보정 계수(k3)의 테이블로부터 소비 전류(I)에 대응한 보정 계수(k3)를 추출한다. 스텝 #20에서는 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)에서 출력하는 구동 전압을 식 (10)에 기초하여 보정하고, 목표 스트로크에 교란이 발생하지 않는 구동 전압(Vc')을 얻는다.
스텝 #21에서는 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)에서 구동 전압(Vc')을 추출하여 리니어 모터(13)에 인가한다. 스텝 #22에서는 상기 식 (1), (2)에 기초하여 피스톤(1)의 스트로크(Xp)를 검출한다. 스텝 #23에서는 검출한 스트로크(Xp)가 목표 스트로크(Xb')와 일치하고 있는지를 판별한다.
스트로크(Xp)와 목표 스트로크(Xb')가 일치하지 않는 경우에는, 스텝 #14∼#23을 반복하고, 검출한 스트로크(Xp)에 기초하여 구동 전압(Vc)을 다시 연산한다(스텝 #17). 스트로크(Xp)와 목표 스트로크(Xb')가 일치하면, 스텝 #10으로 되돌아가서 스털링 냉동기(40)의 운전 상황의 변화에 대응하여 목표 스트로크를 조정하는 동작이 반복 실행된다.
본 실시 형태에 의하면, 피스톤(1)의 스트로크를 검출하여 목표 스트로크로 제어하는 스트로크 제어를 실행함으로써, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌을 회피함과 아울러, 스털링 냉동기(40)의 냉동 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 기억부(111)에 스털링 냉동기(40)의 운전 상황에 따른 목표 스트로크의 테이블이 기억되기 때문에, 운전 상황에 따른 목표 스트로크로 리니어 모터(13)를 구동할 수 있다. 따라서, 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌을 회피함과 아울러 스털링 냉동기(40)의 냉동 능력을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 기억부(111)를 마이크로컴퓨터(104) 내장의 ROM(121)과는 별도로 설치하고 있기 때문에, 마이크로컴퓨터(104)의 부하를 경감시킴과 아울러 대용량의 데이터를 저장할 수 있다. 이에 따라, 여러 운전 상황에 따른 목표 스트로크를 기억하여 세밀한 제어를 행할 수 있다.
그리고, 스털링 냉동기(40)의 조립 오차나 부품 정밀도 등으로 인한 치수 편차에 따라 목표 스트로크를 보정하기 때문에, 스털링 냉동기(40)의 개체 차이에 의한 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌을 회피할 수 있다.
또한, 스털링 냉동기(40)에 공급되는 전압의 변동이나 리니어 모터(13)의 소비 전류의 변동에 따라 마이크로컴퓨터(104)에 의해 전원부(105)의 출력 전압 또는 리니어 모터(13)의 구동 전압을 보정하기 때문에, 보다 안정된 목표 스트로크로 리니어 모터(13)를 구동할 수 있다.
이어서, 제8 실시 형태의 스털링 냉동기에 대해 설명한다. 본 실시 형태의 구성은 상술한 도 12∼도 20에 도시한 제5∼제7 실시 형태와 동일하고, 표 5에 나타낸 바와 같이 기억부(111)에 기억된 목표 스트로크의 테이블이 다르다.
시간(초) 0∼10 10∼60 60∼120 120∼240 240∼600 600∼
최적 스트로크 4.0㎜ 4.5㎜ 5.0㎜ 5.5㎜ 6.0㎜ 6.5㎜
동표에 의하면, 목표 스트로크는 스털링 냉동기(40)의 기동후의 시간 경과를 변수로 하는 1차원 (리니어) 테이블로 되어 있고, 시간 경과에 따라 증가하고 있다. 시간 경과는 타이머(123; 도 15 참조)에 의해 계측하고, 경과 시간에 대응한 목표 스트로크가 되도록 피스톤(1)의 스트로크가 조정된다. 상술한 도 20에 나타 낸 플로우차트의 스텝 #10에 있어서 타이머(123)에 의해 기동후의 시간을 검출함으로써 제5 실시 형태와 마찬가지로 제어할 수 있다.
이에 따라, 기동 직후의 불안정한 시기는 목표 스트로크를 작게 하여 피스톤(1)과 디스플레이서(2)의 충돌을 회피함과 아울러 안정 상태로 될수록 목표 스트로크를 크게하여 냉각 능력을 높일 수 있게 되어 있다. 그리고, 기동 직후에는 경과 시간에 따라 표 5에 나타낸 테이블로부터 목표 스트로크를 추출하고, 소정 시간 경과후(예컨대 120초후)에 저온측과 고온측의 온도에 의해 표 2에 나타낸 테이블로부터 목표 스트로크를 추출함으로써 세세한 제어가 가능해진다.
이어서, 본 발명의 제9 실시 형태에 대해 설명한다. 도 21은 제9 실시 형태의 스털링 냉동기의 동작을 나타낸 플로우차트이다. 본 실시 형태는 스털링 냉동기(40)의 입력 전압(V) 및 리니어 모터(13)의 소비 전류(I)에 기초하여 목표 스트로크의 테이블(표 2 참조)을 보정하여 작성하고, 이 테이블을 수시로 갱신하도록 되어 있다.
우선, 스텝 #30에서는 스털링 냉동기(40)의 입력 전압(V)을 검출한다. 스텝 #31에서는 리니어 모터(13)의 소비 전류(I)를 전류 센서(33)로 검지하고, 전류치 입력부(103)를 통해 마이크로컴퓨터(104)에 입력한다. 스텝 #32에서는 기억부(111)에 저장된 표 6에 나타낸 보정 테이블로부터 입력 전압(V) 및 소비 전류(I)에 기초하여 기준시의 목표 스트로크 Xb'(Im, Vn)를 추출한다. 표 6에 있어서, 열방향으로는 입력 전압(V)에 따라 4단계로 구분되고, 행방향으로는 소비 전류(I)에 따라 4단계로 구분되어 있다. 예컨대, I=I4, V=V4였다고 한다면, 추출되는 기준시의 목표 스트로크 Xb'(I4, I4)는 5.7㎜가 된다.
I＼V V1 V2 V3 V4
I1 6.3㎜ 6.2㎜ 6.1㎜ 6.0㎜
I2 6.2㎜ 6.1㎜ 6.0㎜ 5.9㎜
I3 6.1㎜ 6.0㎜ 5.9㎜ 5.8㎜
I4 6.0㎜ 5.9㎜ 5.8㎜ 5.7㎜
기준시의 목표 스트로크 Xb'(I, V)는 예컨대 콜드 섹션의 온도(Tc)가 -15℃, 웜 섹션의 온도(Th)가 45℃일 때의 목표 스트로크 Xb'(I, V)가 기억되어 있다.
스털링 냉동기(40)의 입력 전압(V) 및 리니어 모터(13)의 소비 전류(I)가 변동하면, 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101; 도 14 참조)로부터 소정 목표 스트로크(Xb)에 따른 구동 전압을 출력해도 피스톤(1)이 목표 스트로크(Xb)로 구동되지 않는다. 따라서, 입력 전압(V) 및 소비 전류(I)에 따라 목표 스트로크(Xb)의 보정이 필요해진다.
스텝 #33에서는 기준시의 목표 스트로크 Xb'(I, V)에 기초하여 상술한 표 2와 동일한 목표 스트로크(Xb')의 테이블이 작성되고, 기억부(111)에 기억된다. 즉, 표 2에 있어서의 Tc=-15℃, Th=45℃에서의 목표 스트로크의 값이 6.0㎜ 내지 5.7㎜로 보정되기 때문에, 표 7과 같은 테이블이 작성되게 된다. 표 7에서는 표 2에 나타낸 목표 스트로크(Xb)에 대해 각 조건하의 목표 스트로크(Xb')가 동일한 비율(95%)로 되어 있다.
Tc＼Th, Tb ∼30℃ 30℃∼40℃ 40℃∼50℃ 50℃∼60℃
10℃∼20℃ 5.6㎜ 5.4㎜ 5.2㎜ 5.0㎜
0℃∼10℃ 5.7㎜ 5.5㎜ 5.3㎜ 5.1㎜
-10℃∼0℃ 5.9㎜ 5.7㎜ 5.5㎜ 5.3㎜
-20℃∼-10℃ 6.1㎜ 5.9㎜ 5.7㎜ 5.5㎜
-30℃∼-20℃ 6.2㎜ 6.0㎜ 5.9㎜ 5.6㎜
스텝 #34에서는 콜드 섹션의 온도(Tc) 및 웜 섹션의 온도(Th)를 온도 센서(34, 35)에 의해 검지하고, TcA/D 변환부(108) 및 ThA/D 변환부(109)를 통해 마이크로컴퓨터(104)에 입력한다. 스텝 #35에서는 마이크로컴퓨터(104)에 의해 기억부(111)에 기억된 목표 스트로크(Xb')의 테이블(표 7 참조)로부터 온도(Tc, Th)에 대응하는 목표 스트로크(Xb')를 추출한다.
스텝 #36에서는 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)로부터 출력하는 구동 전압(Vc)을 목표 스트로크(Xb')에 기초하여 연산한다. 스텝 #37에서는 리니어 모터 구동용 전압 출력부(101)로부터 구동 전압(Vc)을 출력하여 리니어 모터(13)에 인가한다. 스텝 #38에서는 상기 식 (1), (2)에 기초하여 피스톤(1)의 스트로크(Xp)를 검출한다.
스텝 #39에서는 마이크로컴퓨터(104)에 의해 기억부(111)에 기억된 목표 스트로크(Xb)의 테이블(표 2 참조)로부터 온도(Tc, Th)에 대응하는 목표 스트로크(Xb)를 추출한다. 스텝 #40에서는 검출한 스트로크(Xp)가 목표 스트로크(Xb)와 일치하고 있는지를 판별한다.
스트로크(Xp)와 목표 스트로크(Xb)가 일치하지 않는 경우에는, 스텝 #36∼#40을 반복하고, 검출한 스트로크(Xp)에 기초해서 구동 전압(Vc)을 다시 연산하여 리니어 모터(13)를 구동한다. 스트로크(Xp)와 목표 스트로크(Xb)가 일치하면 스텝 #30으로 되돌아가서 스털링 냉동기(40)의 운전 상황의 변화에 대응하여 목표 스트로크(Xb')의 테이블을 재기록하여 동일한 동작이 반복해서 실행된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 각종 정보 검출 수단, 충돌 위험성 검지 수단 및 전류 제어 수단에 의해 피스톤 및 디스플레이서의 충돌을 회피할 수 있기 때문에, 냉동기의 파손을 방지할 수 있게 된다. 또한, 운전 개시 직후 등의 급랭시에 충돌 위험성 회피 범위내에서의 스털링 냉동기의 최대 냉동 능력을 인출할 수 있게 된다.
또한, 외부 전원으로부터 공급되는 공급 전력의 전압치를 감시하거나 스털링 기관의 각 부의 온도를 감시하거나 매스 스프링의 진동을 감시함으로써 이상 상태를 검지하고, 스털링 냉동기를 정지시킴으로써 미연에 내부 부품의 충돌을 방지할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 피스톤의 스트로크를 검출하여 목표 스트로크로 제어하는 스트로크 제어를 행함으로써, 피스톤과 디스플레이서의 충돌을 회피함과 아울러 스털링 냉동기의 냉동 능력을 향상시킬 수 있다. 또한, 기억부에 스털링 냉동기의 운전 상황에 따른 목표 스트로크가 기억되기 때문에, 운전 상황에 따른 목표 스트로크로 리니어 모터를 구동할 수 있다. 따라서, 피스톤과 디스플레이서의 충돌을 회피함과 아울러 스털링 냉동기의 냉동 능력을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 기억부를 마이크로컴퓨터 내장의 ROM 등과 별도로 설치하였기 때문에, 마이크로컴퓨터의 부하를 경감시킬 수 있음과 아울러 대용량의 데이터를 저장할 수 있다. 이에 따라, 여러 운전 상황에 따른 목표 스트로크를 기억하여 세밀한 제어를 행할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 스털링 냉동기의 기동후의 시간에 따른 목표 스트로크나 스털링 냉동기의 저온측 및 고온측 온도에 따른 목표 스트로크를 기억하기 때문에, 예컨대 기동 직후의 작동 매체의 가스압이 불안정한 때에는 리니어 모터를 작은 스트로크로 구동하고, 기동후의 시간 경과에 따라 작동 매체의 가스압이 안정되면 서서히 스트로크를 크게 할 수 있다. 따라서, 스털링 냉동기 기동시에 있어서의 피스톤과 디스플레이서의 충돌이 저감됨과 아울러 높은 냉동 능력으로 운전할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 스털링 냉동기의 치수 편차에 기초하여 목표 스트로크를 보정하는 보정 데이터를 기억부에 기억하기 때문에, 스털링 냉동기의 개체 차로 인한 피스톤과 디스플레이서의 충돌을 회피할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 스털링 냉동기의 입력 전압이나 리니어 모터의 소비 전류에 기초하여 리니어 모터의 구동 전압을 보정하기 때문에, 보다 안정된 목표 스트로크에서의 피스톤 구동을 실현할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 스털링 냉동기의 입력 전압이나 리니어 모터의 소비 전류에 기초하여 리니어 모터의 구동 전압을 보정하는 보정 데이터를 재기록하기 때문에, 보다 높은 정밀도로 목표 스트로크에서의 피스톤 구동을 실현할 수 있다.

Claims (29)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 실린더내에 끼워 장착되고, 구동 수단으로 구동되어 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 실린더내에 끼워 장착되고, 상기 피스톤과 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스플레이서와, 상기 피스톤 및 디스플레이서 사이에 구획 형성된 압축실과, 상기 디스플레이서를 사이에 두고 상기 압축실과 반대측에 위치하는 팽창실과, 상기 구동 수단에 전력을 공급하는 인버터 전원 회로와, 상기 디스플레이서가 상기 피스톤 및 상기 실린더의 폐색단 중 어느 하나와 충돌하는 충돌 위험성을 검지하는 충돌 위험성 검지 수단과, 상기 충돌 위험성 검지 수단에 의해 검지된 정보를 기초로 상기 인버터 전원 회로에서 구동 수단으로 공급되는 전력을 제어하는 인버터 전원 회로 제어 수단과, 상기 실린더를 지지하는 케이싱과, 상기 케이싱에 장착되어 상기 피스톤 및 디스플레이서의 왕복 운동으로 인해 발생하는 상기 케이싱의 진동을 흡수하는 밸런스 매스와, 상기 밸런스 매스의 진동을 검출하는 밸런스 매스 진동 검출 수단을 구비하고, 상기 밸런스 매스 진동 검출 수단이 상기 충돌 위험성 검지 수단인 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 작동 가스를 봉입한 실린더내를 왕복 운동하는 피스톤 및 디스플레이서와, 상기 피스톤을 이동시키는 리니어 모터를 구비하여 이루어진 프리 피스톤형 스털링 기관에 있어서, 스털링 기관의 운전 상황에 대응한 피스톤의 목표 스트로크를 동작 테이블로서 기억하고, 이 동작 테이블에 기초하여 상기 리니어 모터를 구동 제어하는 제어 수단을 구비한 스털링 기관에 있어서, 상기 동작 테이블은 스털링 기관의 기동 개시로부터의 경과 시간을 변수로 하는 1차원 테이블인 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 작동 가스를 봉입한 실린더내를 왕복 운동하는 피스톤 및 디스플레이서와, 상기 피스톤을 이동시키는 리니어 모터를 구비하여 이루어진 프리 피스톤형 스털링 기관에 있어서, 피스톤의 스트로크를 검지하는 스트로크 검지 수단과, 이 스트로크 검지 수단에 의해 검지한 스트로크를 목표 스트로크와 비교하여 피스톤의 스트로크가 목표 스트로크가 되도록 상기 리니어 모터를 구동 제어하는 제어 수단을 구비하며,
    상기 스트로크 검지 수단에 의한 피스톤의 스트로크 검지는, 리니어 모터로의 인가 전압(Vt), 리니어 모터의 소비 전류(I), 리니어 모터의 인덕턴스(L), 리니어 모터의 저항 성분(R), 상기 인가 전압(Vt)과 소비 전류(I)의 위상차(θ)로부터 역기전력(Vg)을 연산식 Vg=Vt-RIcosθ-Lsinθ·dI/dt에 의해 구하고, 역기전력(Vg)이 피스톤의 스트로크(Xp)의 함수인 점에서, 스트로크(Xp)를 연산에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 작동 가스를 봉입한 실린더내를 왕복 운동하는 피스톤 및 디스플레이서와, 상기 피스톤을 이동시키는 리니어 모터를 구비하여 이루어진 프리 피스톤형 스털링 기관에 있어서, 피스톤의 스트로크를 검지하는 스트로크 검지 수단과, 이 스트로크 검지 수단에 의해 검지한 스트로크를 목표 스트로크와 비교하여 피스톤의 스트로크가 목표 스트로크가 되도록 상기 리니어 모터를 구동 제어하는 제어 수단을 구비하며,
    상기 제어수단은, 냉동기의 운전 상황에 대응한 피스톤의 목표 스트로크를 동작 테이블로서 기억하고, 이 동작 테이블에 기초하여 상기 리니어 모터를 구동 제어하며,
    상기 동작 테이블은, 스털링 기관의 기동 개시로부터의 경과 시간을 변수로 하는 1차원 테이블인 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 작동 가스를 봉입한 실린더내를 왕복 운동하는 피스톤 및 디스플레이서와, 상기 피스톤을 이동시키는 리니어 모터를 구비하여 이루어진 프리 피스톤형 스털링 기관에 있어서, 피스톤의 스트로크를 검지하는 스트로크 검지 수단과, 이 스트로크 검지 수단에 의해 검지한 스트로크를 목표 스트로크와 비교하여 피스톤의 스트로크가 목표 스트로크가 되도록 상기 리니어 모터를 구동 제어하는 제어 수단을 구비하며,
    상기 피스톤과 상기 디스플레이서의 충돌을 검지하는 충돌 검지 수단을 설치하고, 이 충돌 검지 수단이 충돌을 검지하면 상기 제어 수단은 상기 리니어 모터의 구동 전압을 소정치 저하시키며,
    상기 충돌 검지 수단에 의한 충돌 검지는, 리니어 모터로의 인가 전압을 소정치 상승시켰을 때, 리니어 모터의 소비 전류가 소정치를 초과한 것을 검지하여 구하는 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
  24. 작동 가스를 봉입한 실린더내를 왕복 운동하는 피스톤 및 디스플레이서와, 상기 피스톤을 이동시키는 리니어 모터를 구비하여 이루어진 프리 피스톤형 스털링 기관에 있어서, 피스톤의 스트로크를 검지하는 스트로크 검지 수단과, 이 스트로크 검지 수단에 의해 검지한 스트로크를 목표 스트로크와 비교하여 피스톤의 스트로크가 목표 스트로크가 되도록 상기 리니어 모터를 구동 제어하는 제어 수단을 구비하며,
    상기 피스톤과 상기 디스플레이서의 충돌을 검지하는 충돌 검지 수단을 설치하고, 이 충돌 검지 수단이 충돌을 검지하면 상기 제어 수단은 상기 리니어 모터의 구동 전압을 소정치 저하시키며,
    상기 충돌 검지 수단에 의한 충돌 검지는, 리니어 모터로의 인가 전압을 일정하게 하였을 때, 리니어 모터의 소비 전류의 변동치가 소정치를 초과한 것을 검지하여 구하는 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
KR1020047010064A 2001-12-26 2002-12-24 스털링 기관 KR100568050B1 (ko)

Applications Claiming Priority (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2001-00394256 2001-12-26
JP2001394256A JP3866974B2 (ja) 2001-06-19 2001-12-26 スターリング機関
JP2002001731 2002-01-08
JPJP-P-2002-00001731 2002-01-08
JP2002047570 2002-02-25
JPJP-P-2002-00047570 2002-02-25
JPJP-P-2002-00293191 2002-10-07
JP2002293191A JP3865679B2 (ja) 2002-01-08 2002-10-07 スターリング冷凍機
PCT/JP2002/013458 WO2003056257A1 (fr) 2001-12-26 2002-12-24 Moteur stirling

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040066196A KR20040066196A (ko) 2004-07-23
KR100568050B1 true KR100568050B1 (ko) 2006-04-07

Family

ID=27482749

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020047010064A KR100568050B1 (ko) 2001-12-26 2002-12-24 스털링 기관

Country Status (8)

Country Link
US (1) US7257949B2 (ko)
EP (1) EP1467159A4 (ko)
KR (1) KR100568050B1 (ko)
CN (1) CN1623068A (ko)
AU (1) AU2002362164A1 (ko)
BR (1) BR0215315A (ko)
TW (1) TWI230246B (ko)
WO (1) WO2003056257A1 (ko)

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6920967B2 (en) * 2003-04-03 2005-07-26 Sunpower, Inc. Controller for reducing excessive amplitude of oscillation of free piston
US20050166601A1 (en) * 2004-02-03 2005-08-04 The Coleman Company, Inc. Portable insulated container incorporating stirling cooler refrigeration
US6782700B1 (en) * 2004-02-24 2004-08-31 Sunpower, Inc. Transient temperature control system and method for preventing destructive collisions in free piston machines
GB0417610D0 (en) 2004-08-06 2004-09-08 Microgen Energy Ltd A linear free piston stirling machine
GB0428057D0 (en) * 2004-12-22 2005-01-26 Microgen Energy Ltd A linear free piston stirling machine
NL1028982C2 (nl) * 2005-05-06 2006-11-07 Enatec Micro Cogen B V Inrichting en werkwijze voor het omzetten van energie.
DE102005024858A1 (de) * 2005-05-31 2006-12-07 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Verfahren zum Betreiben einer Dosierpumpe, insbesondere zum Fördern von Brennstoff für ein Fahrzeugheizgerät
US7412835B2 (en) * 2005-06-27 2008-08-19 Legall Edwin L Apparatus and method for controlling a cryocooler by adjusting cooler gas flow oscillating frequency
FR2913782A1 (fr) * 2007-03-14 2008-09-19 Air Liquide Procede d'equilibrage du mouvement des masses mobiles d'un moteur electrodynamique bilineaire
US8215112B2 (en) * 2007-11-28 2012-07-10 Tiax Llc Free piston stirling engine
CN100498204C (zh) * 2007-12-21 2009-06-10 中国科学院上海技术物理研究所 一种测量微型气动斯特林制冷机推移活塞位移的装置
CN102099640B (zh) * 2008-05-21 2013-03-27 布鲁克机械公司 线性驱动低温冷冻机
CN105047956A (zh) * 2009-01-27 2015-11-11 G4协同学公司 用于储能器件的可变容积的容器
CN201688618U (zh) * 2010-05-18 2010-12-29 武汉高德红外股份有限公司 集成式斯特林制冷机
CN102486137A (zh) * 2010-12-06 2012-06-06 中国科学院理化技术研究所 一种热压缩机系统
US8590301B2 (en) * 2010-12-14 2013-11-26 Sunpower, Inc. Free-piston stirling machine for extreme temperatures
US8952635B2 (en) * 2011-10-11 2015-02-10 Global Cooling, Inc. Method for use in controlling free piston stirling coolers and heat pumps driven by a linear alternator
US8970158B1 (en) * 2012-03-28 2015-03-03 Flir Systems, Inc. High-efficiency-direct-drive cryocooler driver
CN104011484B (zh) * 2012-05-11 2015-12-23 佳能安内华股份有限公司 冷却捕集器
TWI499718B (zh) * 2013-09-11 2015-09-11 Univ Nat Cheng Kung 自由活塞式史特靈引擎
JP6157394B2 (ja) * 2014-03-25 2017-07-05 住友重機械工業株式会社 スターリング冷凍機
CN104265497B (zh) * 2014-07-28 2016-03-30 龚炳新 一种热机
JP2016138735A (ja) * 2015-01-29 2016-08-04 住友重機械工業株式会社 蓄冷器及びスターリング冷凍機
CN105042966B (zh) * 2015-07-01 2017-10-10 中国电子科技集团公司第十六研究所 一种气体轴承斯特林制冷机控制系统及其控制方法
CN111089022B (zh) * 2018-10-23 2022-05-06 中国科学院理化技术研究所 一种带过行程保护的自由活塞斯特林发电机
US11209192B2 (en) * 2019-07-29 2021-12-28 Cryo Tech Ltd. Cryogenic Stirling refrigerator with a pneumatic expander
JP7143272B2 (ja) * 2019-12-24 2022-09-28 ツインバード工業株式会社 フリーピストン型スターリング冷凍機
US11460325B2 (en) 2020-07-02 2022-10-04 Global Cooling, Inc. Method for and control system with piston amplitude recovery for free-piston machines
US20230399995A1 (en) * 2020-10-30 2023-12-14 Azelio Ab Alpha Stirling Engine
CN112325500A (zh) * 2020-11-10 2021-02-05 南通智能感知研究院 一种板弹簧支撑的气动斯特林膨胀机
CN115479403B (zh) * 2021-05-27 2023-06-16 青岛海尔生物医疗股份有限公司 用于斯特林制冷机的控制方法、装置及制冷设备
CN117782649A (zh) * 2023-06-28 2024-03-29 合肥航谱时代科技有限公司 一种分置式斯特林制冷机相位匹配测试装置
CN117569945B (zh) * 2024-01-15 2024-04-09 湖南大学 一种斯特林发电机启动过程模拟方法

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4389849A (en) * 1981-10-02 1983-06-28 Beggs James M Administrator Of Stirling cycle cryogenic cooler
US4475346A (en) * 1982-12-06 1984-10-09 Helix Technology Corporation Refrigeration system with linear motor trimming of displacer movement
US4642547A (en) 1985-08-19 1987-02-10 Sunpower, Inc. Adaptive regulation system for a linear alternator driven by a free-piston stirling engine
JPH0689960B2 (ja) 1987-10-27 1994-11-14 三菱電機株式会社 冷却機
JPH0788985B2 (ja) * 1990-01-17 1995-09-27 三菱電機株式会社 冷凍機
JPH0674588A (ja) 1992-08-24 1994-03-15 Natl Space Dev Agency Japan<Nasda> フリーピストン形スターリング冷却機
JPH085178A (ja) 1994-06-23 1996-01-12 Mitsubishi Electric Corp 冷凍機
JPH09137781A (ja) * 1995-11-15 1997-05-27 Matsushita Refrig Co Ltd 振動型圧縮機
JP3355985B2 (ja) 1997-03-14 2002-12-09 三菱電機株式会社 冷凍機
JPH11132585A (ja) 1997-10-29 1999-05-21 Daikin Ind Ltd 振動型圧縮機
JP3269454B2 (ja) 1998-04-17 2002-03-25 ダイキン工業株式会社 振動型圧縮機
US6084320A (en) * 1998-04-20 2000-07-04 Matsushita Refrigeration Company Structure of linear compressor
US6050092A (en) * 1998-08-28 2000-04-18 Stirling Technology Company Stirling cycle generator control system and method for regulating displacement amplitude of moving members
US6094912A (en) * 1999-02-12 2000-08-01 Stirling Technology Company Apparatus and method for adaptively controlling moving members within a closed cycle thermal regenerative machine
JP3620575B2 (ja) * 1999-04-15 2005-02-16 シャープ株式会社 スターリング冷凍機
JP3620578B2 (ja) 1999-06-09 2005-02-16 シャープ株式会社 スターリング冷凍機
US6199381B1 (en) * 1999-09-02 2001-03-13 Sunpower, Inc. DC centering of free piston machine
US6809486B2 (en) * 2000-12-15 2004-10-26 Stirling Technology Company Active vibration and balance system for closed cycle thermodynamic machines
KR100549489B1 (ko) * 2000-12-27 2006-02-08 샤프 가부시키가이샤 스터링 냉동기 및 그 운전 제어 방법
KR100408068B1 (ko) * 2001-07-31 2003-12-03 엘지전자 주식회사 왕복동식 압축기의 스트로크 제어장치 및 방법
NZ515578A (en) * 2001-11-20 2004-03-26 Fisher & Paykel Appliances Ltd Reduction of power to free piston linear motor to reduce piston overshoot
JP3865679B2 (ja) * 2002-01-08 2007-01-10 シャープ株式会社 スターリング冷凍機
DE60303334T2 (de) * 2002-08-05 2006-09-28 Isuzu Motors Ltd. Stirlingmotor
US6920967B2 (en) * 2003-04-03 2005-07-26 Sunpower, Inc. Controller for reducing excessive amplitude of oscillation of free piston
US6871495B2 (en) * 2003-05-08 2005-03-29 The Boeing Company Thermal cycle engine boost bridge power interface
JP6089960B2 (ja) * 2013-05-21 2017-03-08 株式会社デンソー 内燃機関用の点火コイル

Also Published As

Publication number Publication date
EP1467159A1 (en) 2004-10-13
TW200400339A (en) 2004-01-01
CN1623068A (zh) 2005-06-01
WO2003056257A1 (fr) 2003-07-10
BR0215315A (pt) 2004-10-19
US20050039454A1 (en) 2005-02-24
KR20040066196A (ko) 2004-07-23
EP1467159A4 (en) 2006-06-07
US7257949B2 (en) 2007-08-21
TWI230246B (en) 2005-04-01
AU2002362164A1 (en) 2003-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100568050B1 (ko) 스털링 기관
KR100549489B1 (ko) 스터링 냉동기 및 그 운전 제어 방법
JP3620575B2 (ja) スターリング冷凍機
JP3865679B2 (ja) スターリング冷凍機
JP3866974B2 (ja) スターリング機関
JP2007298219A (ja) スターリング冷凍機
KR20030096289A (ko) 리니어 콤프레서 구동 시스템의 제어 장치
JP3788556B2 (ja) スターリング冷凍機
US9964340B2 (en) Stirling refrigerator
CN113874627B (zh) 直线压缩机和设定点控制方法
JP2003185284A (ja) スターリング冷凍機
JP2004317108A (ja) スターリング機関
JP3355985B2 (ja) 冷凍機
JP2815031B2 (ja) 冷凍装置
JP2007303721A (ja) スターリング冷凍機
US20230349609A1 (en) Refrigerator and control method thereof
KR100550564B1 (ko) 스터링 냉동기의 운전감지장치 및 그 방법
JP2001165059A (ja) 振動式圧縮機
JP2003083627A (ja) スターリング冷凍機
JP2001336847A (ja) 極低温冷凍機の制御装置及び制御方法
JP2006153303A (ja) スターリング冷凍機の駆動システム
JP2001336848A (ja) 極低温冷却システムの異常診断装置及び異常診断方法
JP2005009353A (ja) スターリング機関
JPH02230061A (ja) フリーディスプレーサ型スターリング冷凍機
JP2005257116A (ja) スターリング冷凍機およびそれが搭載された冷却庫

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee