WO2003056257A1 - Moteur stirling - Google Patents

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WO2003056257A1
WO2003056257A1 PCT/JP2002/013458 JP0213458W WO03056257A1 WO 2003056257 A1 WO2003056257 A1 WO 2003056257A1 JP 0213458 W JP0213458 W JP 0213458W WO 03056257 A1 WO03056257 A1 WO 03056257A1
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WO
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stirling engine
biston
stroke
temperature
linear motor
Prior art date
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PCT/JP2002/013458
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French (fr)
Inventor
Katsumi Shimizu
Naoki Nishi
Haruhiko Murakami
Toshiaki Hosono
Original Assignee
Sharp Kabushiki Kaisha
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Priority claimed from JP2002293191A external-priority patent/JP3865679B2/ja
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Priority to US10/499,706 priority Critical patent/US7257949B2/en
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Priority to AU2002362164A priority patent/AU2002362164A1/en
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Priority to EP02796973A priority patent/EP1467159A4/en
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a Stirling engine, and more particularly, to a free piston type Stirling engine.
  • a Stirling engine is an external combustion engine that realizes a reversible Stirling cycle using an external heat source, and is more energy-saving than an internal combustion engine that requires a highly flammable or ignitable fuel such as gasoline. It is a heat engine with the advantage of low pollution.
  • a Stirling refrigerator is widely known as an application example of this Stirling engine.
  • a vapor compression type refrigeration cycle is generally used as a refrigeration cycle used for a refrigerator or the like.
  • chlorofluorocarbon fluorocarbon
  • a desired cooling performance is obtained by utilizing the condensation and evaporation of chlorofluorocarbon.
  • chlorofluorocarbon which is used as a refrigerant, has extremely high chemical stability, and when released into the atmosphere, reaches the stratosphere and destroys the ozone layer. For this reason, the use and production of certain CFCs have recently been regulated. Therefore, an inverse stirling refrigeration cycle is attracting attention as an alternative to a refrigeration cycle using chlorofluorocarbon.
  • helium gas, hydrogen gas, nitrogen gas, etc. can be used as the working medium, so that there is no adverse effect on the global environment.
  • a Stirling refrigerator using this reverse Stirling refrigeration cycle is known as a small refrigerator that generates extremely low temperatures.
  • the Stirling refrigerator is a combination of a compressor that compresses refrigerant gas as a working medium and an expander that expands refrigerant gas discharged from the compressor.
  • a refrigerant gas pressure is repeatedly compressed in a sinusoidal manner so as to change with time.
  • the expander is a displacer that is reciprocally fitted in a cylinder having a closed distal end, and forms a cylinder ⁇ into an expansion chamber on the distal end side and a working chamber on the proximal end side.
  • a resonance panel for elastically supporting the reciprocating motion of the motor.
  • the working chamber is connected to the compressor, and reciprocates a displacer by the refrigerant gas pressure from the compressor to expand the refrigerant gas, thereby generating a low temperature in the cooling portion at the tip of the cylinder.
  • this type of Stirling refrigerator is generally called a free-Biston type Stirling refrigerator, and a free-Biston type Stirling refrigerator in which a biston and a displacer are coaxially fitted in the same cylinder is generally used. It is getting.
  • the biston is generally driven by a linear motor.
  • the refrigeration capacity can be controlled by increasing or decreasing the drive voltage of the return motor and varying the stroke of the biston. In other words, when the drive voltage of the return motor is reduced, the stroke of the piston is shortened, so that the refrigerating capacity is reduced. Increasing the drive voltage of the linear motor increases the stroke of the biston and improves the refrigeration capacity.
  • a linear motor for driving a piston and a disk drive is provided.
  • the input current to the linear motor was controlled so that the neutral position was maintained constant by measuring each displacement of the stone and the displacer.
  • a stroke of biston is derived based on the input power to the drive coil, and the input power is determined based on the stroke.
  • the top dead center of the biston is kept constant by offsetting the pressure, and the dead volume of the compression space is kept constant.
  • the vibration of the balance mass attached to suppress the vibration of the main body may change, and the amplitude may increase.
  • a sudden change in the gas balance in the cylinder or a shift in the resonance frequency of the internal components causes a change in the vibration of the balance mass.
  • Increasing the amplitude of the balance mass leads to increased noise and abnormal vibrations of the Stirling refrigerator, and there is also a danger of damage due to collision of internal components.
  • an object of the present invention is to prevent the collision of the biston and the displacer at the time of rapid cooling such as at the start of operation, thereby preventing the Stirling engine from being damaged and, at the same time, achieving maximum output operation within the collision avoidance range. It is to provide a realized Stirling institution.
  • Another object of the present invention is to provide a stirling engine in which internal components are prevented from colliding with each other when the voltage value of power supplied from the outside fluctuates or when the Stirling engine body vibrates abnormally. It is in.
  • a Stirling engine of the present invention is fitted in a cylinder filled with a working gas, and is reciprocated by a driving means, and is fitted coaxially with a piston in a cylinder.
  • the phase difference with the biston A displacer that reciprocates with the expansion chamber, an expansion chamber and a compression chamber defined in the cylinder so as to sandwich the displacer, first temperature detecting means for detecting the temperature of the expansion chamber, and a temperature of the compression chamber.
  • detecting means for detecting a collision danger of at least one of the biston and the displacer based on the detected input current.
  • the risk of collision is determined by means.
  • the input current and the temperature detected by the input current detecting means and the temperature detecting means are determined to be within a predetermined reference range by the detecting means, the input current and the temperature are supplied to the driving means. It is desirable to have a current control means for increasing the input current to be input and not increasing the input current further when it is determined that the input current is out of the range.
  • a Stirling engine includes a piston fitted in a cylinder and reciprocatingly driven by driving means, and a displacer fitted in the cylinder and reciprocated with a phase difference from a biston.
  • a Stirling engine includes an inverter power supply circuit for supplying electric power to the driving means, and a displacer for closing the closed ends of the biston and the cylinder.
  • a collision danger detecting means for detecting a collision danger of colliding with any of them, and an inverter for controlling electric power supplied from the inverter power supply circuit to the driving means based on information detected by the collision danger detection means.
  • Power supply circuit control means for adjusting the power supplied from the inverter power supply circuit to the driving means based on information detected by the collision danger detection means.
  • the power supplied from the inverter power supply circuit to the drive means is controlled by the inverter power supply circuit control means based on the information detected by the collision danger detection means, and thereby the displacer is controlled. Collisions such as ebistons are prevented beforehand, which prevents damage to the Stirling engine.
  • the collision danger detecting means is a power supply voltage detecting means for detecting a voltage of electric power input to the inverter power supply circuit.
  • the power supply voltage supplied from the external power supply to the inverter power supply circuit is detected by the power supply voltage detecting means, so that the biston caused by the fluctuation of the external power is detected. This prevents the increase in the amplitude of the vibration and the accompanying collision of the biston displacer and the like, thereby preventing the Stirling engine from being damaged.
  • the power supply voltage detecting means is configured by a comparator.
  • the power supply voltage detecting means is constituted by an analog amplifier.
  • the collision danger detecting means includes first temperature detecting means for detecting a temperature in the expansion chamber, and second temperature detecting means for detecting a temperature in the compression chamber. Means. -In this configuration, as the above-mentioned collision danger detection means, the temperature of the compression chamber and the expansion chamber is detected by the first and second temperature detection means, so that the danger of collision of the internal components is determined and the collision is detected. Because it is prevented beforehand, damage to the Stirling engine can be prevented.
  • the collision danger detecting means is a temperature detecting means for detecting a temperature in a back pressure chamber located on the opposite side of the compression chamber from the biston. Is preferred.
  • the collision danger detecting means when there is abnormal heating of the back pressure chamber by using temperature detecting means for detecting the temperature in the back pressure chamber, the collision of the internal parts is detected. Since the danger is determined and a collision is prevented beforehand, it is possible to prevent the Stirling engine from being damaged.
  • a Stirling engine includes, for example, a casing for holding and fixing a cylinder, and a balance mass attached to the casing for absorbing vibration of a casing caused by forward and backward movements of a piston and a displacer.
  • balance mass vibration detection means for detecting the vibration of the balance mass, and it is desirable that the collision danger detection means is the balance mass vibration detection means.
  • the abnormal vibration of the casing is detected by the balance mass vibration detection means for detecting the vibration of the balance mass attached to the casing, so that the collision of the internal parts can be prevented. This can be prevented.
  • the balance mass vibration detection means is preferably an optical sensor that detects an amplitude of the balance mass from a center position.
  • the balance mass vibration detection means is preferably a contact sensor that detects the position of the balance mass by contact with the balance mass.
  • the present invention also provides a free-biston type Stirling engine comprising a biston and a displacer for reciprocating a cylinder filled with a working gas and a reluctant motor for moving the biston.
  • Stroke detecting means for detecting a stroke, and comparing the stroke detected by the stroke detecting means with a target stroke.
  • Control means for controlling the drive of the linear motor so that the stroke of the piston becomes the target stroke.
  • the piston and the displacer reciprocate with a predetermined phase difference to compress and expand the working medium, thereby operating the refrigeration cycle.
  • the stroke of the biston is detected by the stroke detection means, and the stroke of the piston is set to the target stroke by the control means.
  • the target stroke is calculated and set, for example, by a function formula of the low temperature side and the high temperature side of the Stirling engine.
  • the present invention also provides a free-viston type Stirling engine comprising a biston and a displacer that reciprocate a cylinder filled with a working gas, and a linear motor that moves the biston.
  • the present invention is characterized in that a target stroke of the biston corresponding to the driving condition is stored as an operation table, and control means for controlling the drive of the linear motor based on the operation table is provided.
  • the control means stores the target stroke of the biston corresponding to the operating state of the Stirling engine as an operation table, and sets the stroke of the biston to the target stroke based on the operation table.
  • the stroke detection of the piston by the front stroke detecting means includes the voltage applied to the linear motor Vt, the current consumption I of the linear motor, the inductance of the linear motor, and the resistance component R of the linear motor.
  • V g V t -R I cos 9-L sine -d I / d t
  • V g V t -R ( ⁇ ) I
  • the phase difference 0 can be obtained by calculation as a function of the temperatures on the low temperature side and the high temperature side of the Stirling engine.
  • the operation table is a one-dimensional table in which the elapsed time from the start of the Stirling engine is a variable or a two-dimensional table in which the temperature on the low temperature side and the high temperature side of the Stirling engine is a variable.
  • collision detection means for detecting a collision between the biston and the displacer is provided, and when the collision detection means detects a collision, the control means reduces a drive voltage of the linear motor by a predetermined value. I have.
  • the predetermined value of the drive voltage of the lower motor which is reduced by the control means, is calculated and set by a function formula of the low temperature side and the high temperature side temperature of the Stirling engine.
  • the collision detection method by the collision detection means includes a method of detecting that the current consumption of the linear motor exceeds a predetermined value when the voltage applied to the linear motor is increased to a predetermined value, and a method of detecting a constant voltage applied to the linear motor. In this case, a method of detecting that the fluctuation value of the consumption current of the lower motor has exceeded a predetermined value can be considered.
  • the control when such a collision is detected ends when a predetermined time elapses after the detection of the collision, and thereafter returns to the linear motor drive control based on the target stroke.
  • a correction data table of a target stroke of a biston corresponding to an interval between the biston and the displacer is stored, and a target stroke of each refrigerator is determined based on the correction data table based on the interval of each refrigerator. It is characterized by correction. According to this configuration, since the target stroke of each refrigerator differs depending on the assembly error and component accuracy of the Stirling engine, correction data for correcting the target stroke is stored, and the interval of each refrigerator is input, and the refrigerator is inputted. Individual target strokes can be corrected and set.
  • the present invention also stores correction data of a target stroke of a biston corresponding to the input voltage of the Stirling engine or the current consumption of the linear motor, and sets the target stroke based on the fluctuation of the input voltage or the quiescent current.
  • One characteristic is corrected by the correction data.
  • the input voltage of the stirling engine and the power consumption of the linear motor Since the stroke of the piston fluctuates due to the fluctuation of the stroke, the drive voltage of the reflow motor corresponding to the corrected target stroke is generated by the power supply unit, and the piston can be driven by the corrected target stroke.
  • FIG. 1 is a sectional view of a Stirling refrigerator according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a control circuit block diagram of the Stirling refrigerator in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a control operation of the Stirling refrigerator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a Stirling refrigerator according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of a control circuit in a case where a comparator is used for a power supply voltage detection unit of the Stirling refrigerator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram of a control circuit in a case where an analog amplifier is used for a power supply voltage detecting unit of the Stirling refrigerator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of a Stirling refrigerator according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a look-up table used for operation control of the Stirling refrigerator in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing another example according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a block diagram of a Stirling refrigerator according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram showing another example of the Stirling refrigerator according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a sectional view showing a Stirling refrigerator according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a connection state of a Stirling refrigerator according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration of a control box of a Stirling refrigerator according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of a micro computer of a Stirling refrigerator according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is an equivalent circuit diagram of a linear motor of a Stirling refrigerator according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a vector diagram showing the relationship between the input voltage Vt and the back electromotive force Vg of the linear motor of the stirling refrigerator according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram showing output waveforms of drive voltage and current according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a flowchart showing an example of a program for controlling the stroke of the stirling refrigerator according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a flowchart showing the operation of the Stirling refrigerator according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a flow chart showing the operation of the Stirling refrigerator of the ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a free-biston type Stirling refrigerator according to a first embodiment of the present invention.
  • a cylinder 3 having a cylindrical space is provided in the main body of the Stirling refrigerator, and a biston 1 and a displacer 2 are coaxial in the cylinder space. Fitted on top.
  • the working space in the cylinder 3 is filled with working gases such as helium gas, hydrogen gas, and nitrogen gas.
  • the space at the closed end side of the cylinder is called the compression space (compression chamber) 9 and the space at the end of the closed cylinder is called the expansion space (expansion chamber) 10.
  • a regenerator 12 which is a heat storage material, is provided on a path connecting the compression space 9 and the expansion space 10 outside the cylinder 3, and the regenerator 12 has a structure through which working gas can pass. Has become.
  • a heat radiating portion 43 for releasing the heat generated in the compression space 9 to the outside and a cooling portion 45 for transmitting the low temperature generated in the expansion space 10 to the outside are formed so as to surround the respective spaces. I have.
  • the heat radiating section 43 and the cooling section 45 are provided with temperature detecting sensors 44 and 46 for detecting the respective temperatures.
  • the displacer 2 is connected to the refrigerator body casing 41 by a resonance panel 7.
  • the piston 1 is driven by a linear motor 13.
  • the linear motor 13 is supplied with power by a power supply drive circuit 48, and its input current is detected by a refrigerator input current detection unit. Monitored by 52 (see Figure 2).
  • This refrigerator uses a so-called reverse Stirling refrigeration cycle to obtain a refrigeration effect.
  • the piston 1 is driven by a linear motor 13 and makes a sine motion.
  • the working gas in the compression space 9 shows a sinusoidal pressure change due to the movement of the biston 1.
  • the compressed working gas emits compression heat in the heat radiating section 43, is precooled when passing through the regenerator 12 provided outside the cylinder 3, and flows into the expansion space 10.
  • the displacer 2 performs a sine motion with a constant phase difference in the same cycle as the piston 1 during a steady operation, and the phase difference and the amplitude of the displacement and the expansion space of the panel 7 of the resonance panel 7 and the compression space 9 which changes every moment. It is determined by the pressure difference from the space 10, the mass of the displacer 2, the operating frequency, and the like. ⁇ Regarding this phase difference, it is generally said that the optimum condition is about 90 °.
  • the working gas that has flowed into the expansion space 10 expands due to the sinusoidal motion of the displacer 2, whereby the temperature inside the expansion space 10 drops significantly.
  • the desired freezing effect is obtained.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control circuit of the Stirling refrigerator.
  • the temperature information (T h, T c) 1 detected by the temperature detecting sensors 44 and 46 provided in the heat radiating section 43 and the cooling section 45 are connected to the temperature detecting section 47.
  • Th is the temperature of the heat radiating section 43
  • Tc is the temperature of the cooling section 45.
  • the input current information (I) detected by the refrigerator input current detection unit 52 is also input to the control microcomputer 49.
  • the control microcomputer 49 determines whether each of the above input signals is within a range of a reference value stored in advance, and performs control for controlling the staring refrigerator based on the determination result. It derives the signal and outputs it to the PWM (pulse width modulation) output unit 51.
  • the PWM output unit 51 performs pulse width modulation based on this control signal to control the stirling refrigerator.
  • FIG. 3 is a flowchart of the control operation in the present embodiment. As shown in the figure, when the operation of the Stirling refrigerator is started in Step # 1, temperature information (Th, Tc) and input current information (I) are detected in Step # 2.
  • step # 3 the risk of collision is determined by determining whether or not the value is within a predetermined reference value range based on the above information. This is because the width of the stroke is specified by integrating the above information, and the danger of collision can be detected.
  • the predetermined standard is a trial
  • It is set based on the information at the time of collision collected by performing a table look-up method (such as a table look-up method).
  • step # 3 If it is determined that there is no danger of collision in step # 3, the input current is increased by a certain value in step # 4.
  • the amount of current to be increased is preferably kept as small as possible in order to suppress an extreme increase in the width of the stroke.
  • step # 3 if it is determined in step # 3 that there is a danger of collision, the control micro computer 49 is controlled not to supply any more input current to the refrigerator. Control.
  • the current value input to the linear motor and the temperatures in the compression space and the expansion space are monitored, and these values are compared with reference values obtained by trial in advance.
  • collisions of internal parts such as bistons and displacers are prevented.
  • maximum output operation is realized while avoiding the collision of internal components such as pistons and displacers.
  • FIG. 4 is a block diagram of a control circuit of the Stirling refrigerator according to the second embodiment of the present invention.
  • the same parts as those in the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the voltage value of the power supplied from the external power supply 50 is detected by the power supply voltage detection unit 59, and this voltage value information is input to the control micro computer 49.
  • the control micro computer 49 processes the input voltage value information, and controls the inverter power supply circuit control unit 53 so that the voltage value of the power supplied to the linear motor 13 becomes an appropriate value.
  • a control signal is output to the inverter power supply circuit 54 via the control circuit.
  • the electric power converted into an appropriate voltage value by the inverter power supply circuit 54 based on this control signal is supplied to the linear motor 13.
  • the control signal output from the inverter power supply circuit control section 53 to the inverter power supply circuit 54 is a signal that modulates the pulse width in PWM control in the inverter power supply circuit.
  • Fig. 5 shows a circuit example in which a comparator is used as the power supply voltage detector 59.
  • the voltage value of the supplied power is divided by the resistor 58, and the change in the voltage is input to the control microcomputer 49 by the comparator 57.
  • the input to the control microcomputer 49 is transmitted stepwise as input A, input B, input (:, input D, depending on the voltage value of the supplied power.
  • the output signal is determined for each threshold voltage based on, for example, Table 1 below, and the pulse width modulation is properly performed to the inverter power supply circuit 54.
  • Table 1 the pulse width modulation
  • Fig. 6 shows a circuit example in which an analog amplifier is used as the power supply voltage detector 59.
  • the voltage value of the supplied power is converted to 0 to 5 V by the analog amplifier 56, and the converted voltage is input to the control micro computer 49.
  • the voltage signal input to the control microcomputer 49 is processed and transmitted to the inverter power supply circuit 54. If it is determined that the voltage value of the supplied power is abnormal, the output to the inverter power supply circuit 54 is stopped, and the operation of the staring refrigerator 40 is stopped.
  • the control microcomputer performs pulse width modulation so that the voltage value becomes appropriate, and outputs the output signal.
  • the optimal operating conditions are secured.
  • the power supply to the Stirling refrigerator is stopped to prevent damage to the Stirling refrigerator due to collision of parts. It becomes possible.
  • FIG. 7 is a block diagram of a stirling refrigerator according to the third embodiment of the present invention.
  • the same parts as those in the above-described first and second embodiments are denoted by the same reference numerals in the drawings, and description thereof will be omitted.
  • temperature detecting sensors 44 and 46 for measuring the temperature are attached to the heat radiating section 43 and the cooling section 45. .
  • the temperature information detected by these temperature detection sensors 44 and 46 is input to the control micro computer 49 via the temperature detection section 47 and stored in the control micro computer 49 in advance.
  • the output signal is determined by referring to the look-up table (see FIG. 8) and output to the inverter power supply circuit 54.
  • This lookup table uses information obtained by collecting data on abnormal heating and cooling states where internal components of the Stirling refrigerator collide by performing trials in advance.
  • the abnormality is detected.
  • the temperature in the bounce space 8 is indirectly monitored by attaching the temperature sensor 55 to the casing 9 of the main body constituting the bounce space 8.
  • An abnormality is detected based on the temperature of the bounce space 8 because the compression space 9 and the bounce space 8 communicate with each other, so that when the compression space 9 is abnormally heated, the bounce space 8 is also abnormally heated. This is because
  • FIG. 10 is a block diagram of a Stirling refrigerator according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the Stirling refrigerator according to the present embodiment has a mechanism for detecting an abnormal vibration of the balance mass, thereby detecting a danger of collision of an internal component such as a piston or a displaser, and preventing the collision in advance.
  • This is a Star Ring refrigerator.
  • the same parts as those in the above-described first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • balance mass 42 is connected to main body casing 9 of Stirling refrigerator 40 via mass spring 63 and mass spring support member 64.
  • the balance mass 42 is attached to suppress the vibration of the main body of the Stirling refrigerator 40.
  • the balance mass 42 also abnormally vibrates. By monitoring the amplitude of the balance mass 42, it is possible to detect an abnormality of the Stirling refrigerator.
  • the amplitude range of the balance mass 42 when the Stirling refrigerator 40 is operating normally is measured in advance, and the balance mass is set by the optical sensors 60 and 61 installed near the balance mass 42. 4 Monitor the amplitude of 2.
  • the control micro computer 49 When abnormal vibration occurs, the light beam emitted from the light emitting unit 60 of the optical sensor is blocked by the balance mass, and does not reach the light receiving unit 61 of the optical sensor. In this case, the voltage signal input from the optical sensor light receiving section 61 to the control micro computer 49 decreases. Upon detecting this, the control micro computer 49 immediately stops the output to the inverter power supply circuit 54, and stops the operation of the Stirling refrigerator 40.
  • a contact sensor 62 as shown in Fig. 11 is installed near the balance mass 42, and the balance mass 42 contacts the contact sensor 62 during abnormal vibration. , Abnormal vibration may be detected.
  • the displacer is connected to the main casing of the Stirling refrigerator by the coil coil for resonance.
  • the present invention is not limited to this.
  • a stirling refrigerator using a gas panel or plate panel instead of the coil panel may be used.
  • the temperature detection sensors for detecting the temperatures of the compression space and the expansion space are provided in the heat radiating portion and the cooling portion, and the temperature is detected indirectly.
  • a temperature detection sensor is provided in the compression space and the expansion space to measure the temperature of the working gas directly. You may.
  • FIG. 12 is a sectional view showing a Stirling refrigerator of a fifth embodiment.
  • a cylindrical biston 1 and a displacer 2 are fitted in a substantially cylindrical cylinder 3 divided in the axial direction.
  • the biston 1 and the displacer 2 are coaxially arranged via a compression space 9 (hereinafter sometimes referred to as a “warm section”).
  • An expansion space 10 (hereinafter sometimes referred to as a “cold section”) is formed at the tip of the cylinder 3 between the cylinder 3 and the displacer 2.
  • the compression space 9 and the expansion space 10 communicate with each other through a medium flow passage 11 through which a working medium such as a helm flows.
  • a regenerator 12 that stores heat of the working medium and supplies the stored heat to the working medium is disposed in the medium flow passage 11.
  • a flange 3 a protrudes substantially in the middle of the cylinder 3.
  • a dome-shaped pressure-resistant container 4 is attached to the flange 3a, and a bounce space 8 is formed by hermetically closing the inside.
  • the biston 1 is integrated with the biston support panel 5 at the rear end, and the displacer 2 is integrated with the displacer support panel 6 through a port 2a passing through the center hole 1a of the biston 2. I have.
  • the bistone support panel 5 and the displacer support panel 6 are connected by bolts 22. As will be described later, when the piston 1 reciprocates, the displacer 2 reciprocates with a predetermined phase difference with respect to the piston 2 due to its inertial force.
  • An inner yoke 18 is externally fitted to the cylinder 3 in the bounce space 8.
  • the outer yoke 17 faces the inner yoke 18 via a gap 19.
  • the outer coil 17 is provided with a drive coil 16 therein, and the gap 19 is provided with a ring-shaped permanent magnet 15 movably.
  • the permanent magnet 15 is integrated with the piston 1 via a force-shaped sleeve 14.
  • a linear motor 13 configured to move the piston 1 in the axial direction by applying a voltage to the driving coil 16 is configured.
  • Lead wires 20 and 21 are connected to the driving coil 16.
  • the lead wires 20 and 21 pass through the wall surface of the pressure vessel 4 via hermetic seal terminals 37 (see FIG. 13) and are connected to the control box 30.
  • Control box 3 By 0, the driving power of the linear motor 13 is supplied.
  • the piston 1 reciprocates by the reusing motor 13 in the above configuration
  • the displacer 2 reciprocates with a predetermined phase difference from the biston 1 due to the inertia force of the displacer 2. I do.
  • the working medium moves between the compression space 9 and the expansion space 10 to form an inverted stir cycle. That is, the heat generated in the compression space 9 on the high temperature side due to the compression of the working medium is released to the atmosphere through the medium flow passage 11, and the working medium accumulates heat in the regenerator 12. Move to expansion space 10.
  • the working medium cooled by the regenerator 12 is further cooled by being expanded in the expansion space 10 on the low temperature side. Then, when the working medium moves to the compression space 9 through the medium flow passage 11, the working medium is heated by the heat stored in the regenerator 12. This operation is repeated to freeze the expansion space 10 (cold section).
  • FIG. 13 is a diagram showing a connection state between the control box 30 and the Stirling refrigerator 40.
  • the Stirling refrigerator 40 is equipped with temperature sensors 34, 35, and 36 that detect the temperatures Tc, Th, and Tb of the expansion space 10, the compression space 9, and the bounce space 8, respectively. .
  • the control box 30 has A / D converters for the outputs of the temperature sensors 34, 35, and 36.Tc AZD converter 108, Th A / D converter 109, Tb A / D A conversion unit 110 is provided.
  • the linear motor drive voltage output unit 101 is connected to the hermetic seal terminal 37 via the lead wires 20 and 21.
  • the linear motor drive voltage output unit 101 outputs the drive voltage of the linear motor 13.
  • FIG. 14 is a block diagram showing further details of the control box 30.
  • the control box 30 is provided with a micro computer 104 for performing various calculations and the like.
  • a power supply section 105 for supplying power to each section of the control box 30 is connected to the microcomputer 104.
  • the microcomputer 104 receives a voltage value input from the voltage sensor 1 (not shown) that detects the input voltage of the power supply section 105 by AZD conversion and inputs the value.
  • a current value input section 103 for A / D converting and inputting a detection value of the current sensor 33 for detecting current consumption of the section 102 and the linear motor 13 is connected.
  • the data consists of a reset section 106 that resets the control box 30, an oscillation section 107 that generates a PWM inverter waveform, and a rewritable nonvolatile storage element (EEPROM).
  • the storage unit 111 for storing is connected to the micro computer 104.
  • a control signal is transmitted from the micro combination unit 104 to the power supply unit 105 in accordance with the input from the voltage value input unit 102.
  • the output voltage of the power supply unit 105 is controlled.
  • the linear motor drive voltage output unit 101 converts the output voltage of the power supply unit 105 into a PWM inverter waveform under the control of the micro computer 104 and outputs the converted voltage to the rear motor 13. Supply.
  • FIG. 15 is a block diagram showing the internal configuration of the micro computer 104.
  • a read-only ROM 122 in which the control program is stored, a RAM 122 for temporarily storing the computation, a timer 123 for measuring the operation time, etc.
  • I / O ports 125 for input / output are connected to CPU 124.
  • the control of the Stirling refrigerator 40 is performed by the CPU 124 executing the control program read from the ROM 122.
  • step control that detects the drive voltage of the linear motor 13 and controls it to a drive voltage corresponding to the target stroke, and stroke 1 of the biston 1 are used.
  • Stroke control that detects and controls the desired stroke is considered.
  • the step control is based on the driving voltage of the linear motor 13 being driven, which is calculated based on the voltage value input from the voltage value input section 102 and the current value input from the current value input section 103.
  • the microcomputer 104 compares the drive voltage corresponding to the target stroke of the biston 1 with the microcomputer 104, and determines the drive voltage output from the reusable motor drive voltage output unit 101 in a step-like manner. It is adjusted and performed. Stroke control is calculated from the drive voltage, current consumption, inductance, and resistance components of the linear motor 13 being driven by the microcomputer 104.
  • the stroke of the piston 1 is detected, compared with the target stroke stored in the storage unit 111 (see FIG. 14), and output from the voltage output unit 101 for driving the lower motor.
  • the drive voltage is adjusted to the drive voltage corresponding to the target stroke.
  • Fig. 16 shows an equivalent circuit of the linear motor 13 to explain the method of detecting the stroke of biston 1.
  • the back electromotive force V g is expressed by the following equation (1). Also, the back electromotive force V g is a function of the stroke X p, and is therefore represented by the following equation (2).
  • V g V t-R I cos fl-L s ⁇ ⁇ ⁇ -d l / d t (1)
  • V g f (X p) (2)
  • FIG. 18 is a diagram showing output waveforms of the drive voltage V t and the current I.
  • the phase difference 0 can be obtained as follows. That is, the peak position (phase angle 90 °) of the voltage of the drive voltage Vt is defined as position A, and the position delayed from the position A by a predetermined angle, for example, 10 ° or 20 ° is defined as position B (phase angle 0 °) and position C (phase angle 110 °). If the currents I at positions A, B, and C are IA, IB, and I C, respectively, the phase difference 0 is as follows.
  • the delay angles of the positions A, B, and C are set to 10 °, it is possible to determine the phase difference 0 with a resolution of 5 °. Resolving power can be enhanced by making the delay angle smaller, and a wider range of phase difference can be measured by increasing the number of measurement points.
  • L and R are known, and Vt and I are obtained from the voltage value input unit 102 and the current value input unit 103, respectively. Since the phase difference 0 is obtained, the stroke Xp can be calculated by the microcomputer 104.
  • V g V t-R I (3)
  • the load on the Stirling refrigerator 40 can be represented by a function of the temperature on the high temperature side and the temperature on the low temperature side of the Stirling refrigerator 40.
  • the temperature Th of the warm section 9 or the temperature Tb of the bounce space 8 is used as the high-temperature side temperature.
  • the temperature Tc of the cold section 10 is used as the lower temperature. Therefore, the following equation (4) or equation (5) can be used instead of the above equation (3).
  • the microcomputer 104 can obtain the stroke Xp of the piston 1 from the relationship between the expression (4) or the expression (5) and the expression (2).
  • V g V t — R (Th, Tc) I ⁇ ⁇ ⁇ (4)
  • V g V t — R (T b, T c) I ⁇ ⁇ ⁇ (5)
  • the storage section 11 1 (see FIG. 14) stores the target stroke of the Boston 1 corresponding to the operating status of the stirling refrigerator 40.
  • Table 2 shows a table of the target strokes stored in the storage unit 111.
  • TcXTh. Tb ⁇ 30.
  • the target stroke is a two-dimensional (matrix) table of the low-temperature side and the high-temperature side of the Stirling refrigerator 40, and according to these temperature ranges. Have different values.
  • the temperature Tc of the cold section 10 is 103 ⁇ 4: ⁇ 20, 0 ⁇ 10,
  • Warm section 9 temperature Th or bounce space 8 temperature Tb ranges from ⁇ 30 ° C, 30 ⁇ 40 ° C, 40 ⁇ 50, 50 ° (: ⁇ 60, These temperature ranges and temperature divisions are merely examples and are not limited to the above.
  • FIG 19 is a flowchart of a program that refers to a table of target strokes using this temperature as a variable.
  • the warm section temperature Th is detected and converted to digital by the Th temperature sensor 35.Th AZD conversion unit 109 (step # 51).
  • Check that the temperature is in the range above 30 ° C below 30 ° C (steps # 52, 53). If the temperature is 60 or more, adjust the temperature to 59. If the temperature is 30 ° C or less, adjust the temperature to 29 ° C (steps # 54 and 55).
  • the value is divided by 10 to convert the value to an integer by rounding down the decimal point and subtracting 2 from the value to obtain FTh (step # 56).
  • the temperature of the stitch is detected and converted to digital by the sting temperature sensor 110 'conversion unit 108, and 30 is added (step # 57). Verify that the temperature is in the range of 50 ° C or above and less than 50 ° C (Steps # 58, 59). The temperature is adjusted to 49 when the temperature is 50 ° C or more, and to 0 ° C when the temperature is 0 or less (Step # 61). Divide the value by 10 to round down the decimal point and convert it to an integer. Ask (step # 62). The target address is calculated by adding 4 (4-1 FTc) and FTh to the start address TAZD where the table on the ROM exists (step # 63). The data of the address is taken in as Ac (step # 64), and is set as a target stroke (step # 65).
  • the gas pressure of the working medium is driven more stably as the temperature on the lower temperature side is lower, and similarly, the gas pressure of the working medium is driven more stably as the temperature on the higher temperature side is higher. . Therefore, when the gas pressure of the working medium is unstable immediately after startup or the like, the linear motor 13 drives the stone 1 with a small stroke. As a result, collision between biston 1 and displacer 2 is reduced. Then, when the gas pressure of the working medium stabilizes due to the lapse of time after startup, the stroke is gradually increased, and operation is performed with high refrigeration capacity.
  • the step control is switched to the above-described step control.
  • the linear motor 13 can be driven with a drive voltage lower than the immediately preceding drive voltage to return to a drive that avoids collision.
  • the target stroke may be obtained by calculation instead of extracting it from the table.
  • the target stroke Xb can be represented by a function of the temperatures Tc and Th as shown in Expression (6) or Expression (7).
  • the stroke can be adjusted more smoothly, and the data amount of the storage unit 111 can be reduced. Can be.
  • the micro computer 104 gradually raises the drive voltage of the linear motor 13 so that there is a danger of collision between the biston 1 and the displacer 2. Then slowly increase until the target stroke is achieved.
  • the drive voltage is increased in this way, collisions are relatively likely to occur because the strokes of the piston 1 and the displacer 2 are not well balanced. Therefore, if a collision is detected, it is necessary to immediately reduce the stroke of Biston 1 to avoid a dangerous state due to the collision.
  • This method utilizes the fact that increasing the drive voltage increases the current consumption of the linear motor 13.
  • the relationship between the drive voltage Vt and the current consumption I in the equivalent circuit of the linear motor 13 was predicted and calculated.When the drive voltage was increased by a predetermined value, the current consumption obtained by the prediction calculation was added by a few percentage points.
  • the collision detection current value A is calculated and stored. Then, the actual current consumption value is measured by the current sensor 33, and compared with the collision detection current value A. If the measured value exceeds the collision detection current value A, it is judged as a collision and danger avoidance is performed. The specific method of avoiding danger will be described later.
  • This method utilizes the fact that the current consumption of the linear motor 13 fluctuates periodically when the piston 1 and the displacer 2 collide. That is, when the movement of the piston 1 reaches the target stroke and the linear motor 13 is controlled with a constant drive voltage, the current consumption value should normally be constant. When a collision of the displacer 2 occurs, the current value periodically fluctuates greatly at each collision. That Sometimes, we use what we can judge as a collision.
  • the current consumption value is detected and stored. Then, the value is multiplied by several percentages, and the collision detection current fluctuation value B is calculated and stored. Then, the current at the time of stabilization is repeatedly measured and stored in 0.1 second units, and the fluctuation value is calculated every second by the following formula.
  • Fluctuation value Maximum value of current in 1 second-Minimum value of current in 1 second
  • This fluctuation value is compared with the collision detection current fluctuation value B. If the fluctuation value exceeds the collision detection current fluctuation value B, it is judged as a collision and the avoidance processing is performed.
  • the time 0.1 second and 1 second described above are examples, and the present invention is not limited to this. Incidentally, this collision detection method may be used when the drive voltage Vt exceeds a predetermined voltage.
  • the collision between biston 1 and displacer 2 is detected using two types of collision detection methods. If an actual collision is detected, the control shifts from stroke control to step control, and the drive voltage controlled by the stroke control is reduced in steps, and the linear motor is driven at a predetermined lower drive voltage. Drive control of 13 will be performed.
  • the number of steps of the drive voltage to be reduced is a function of the temperature of the warm section T h and the temperature of the cold section T c, and basically, the temperature of the warm section T h, The number of steps is set to increase as the section temperature Tc increases.
  • Table 3 shows an example.
  • the bounce space temperature T b can be used instead of the warm section temperature T h, and the number of steps can be converted to a linear or quadratic function for Th or T c .
  • the stroke control is shifted from the stroke control to the step control, and the stroke of the biston 1 is instantaneously reduced by reducing the drive voltage of the linear motor 13 by the number of steps. Therefore, it is possible to safely control the drive by avoiding a dangerous state due to a collision.
  • a collision when a collision is detected, the control has shifted from the stroke control to the step control. Conversely, it is necessary to return from the step control to the stroke control.
  • a time-based method is adopted, and it is designed to return to the stroke control after a lapse of a predetermined time (for example, after 20 seconds) from the time point when the step control is started.
  • the collision detection is stopped.
  • it is possible to link the load fluctuation even during the above-mentioned predetermined time and it is preferable to use a two-dimensional table in which the temperature of the cold section T h and the temperature of the cold section T c are variables. Table 4 shows an example. Basically, the design is such that the time is longer when the temperature Th of the ohmic section is high and the temperature Tc of the cold section is low.
  • the bounce space temperature Tb can be used instead of the warm section temperature Th, and the stop time of the collision detection (the predetermined time described above) can be set as the warm section temperature Th or the cold section temperature Tc. It can also be converted to a linear or quadratic function.
  • the target stroke is corrected by the micro computer 104 in accordance with the dimensions such as the assembly error and the component accuracy of the Stirling refrigerator 40.
  • individual differences occur in dimensions such as the distance between the biston 1 and the displacer 2 due to assembly errors and component accuracy of the Stirling refrigerator 40.
  • the storage unit 111 stores correction data for correcting the target stroke.
  • the storage unit 111 stores a table of coefficients k corresponding to the distance between the piston 1 and the displacer 2.
  • the distance between the stone 1 and the displacer 2 for each individual of the Stirling refrigerator 40 is measured and stored in the storage unit 111. Therefore, the coefficient k, corresponding to each individual of the Starling refrigerator 40, is determined from the table.
  • the target stroke Xb is determined by the micro computer 104 from Table 2 stored in the storage unit 111 from the distance between the piston 1 and the displacer 2 from Table 2. From the table of coefficients k, according to Are read out, and the target stroke Xb is corrected as shown in equation (8). Then, the stroke control is performed based on the corrected target stroke Xb '.
  • the storage unit 111 stores correction data for correcting the output voltage of the power supply unit 105.
  • the table the coefficient k 2 corresponding to the input voltage of the power supply unit 1 0 5 is stored in the storage unit 1 1 1.
  • the target stroke in Table 2 is read out by the micro computer 104, and a drive voltage corresponding to the target stroke is obtained.
  • Coefficient k 2 in response from the storage unit 1 1 1 to the input voltage of the power supply unit 1 0 5 is read, the output voltage V b of the urchin power supply unit 1 0 5 by shown in equation (9) is corrected simultaneously. Then, the corrected output voltage V b ′ is the power output for driving the linear motor.
  • the drive voltage is supplied to the linear motor 13 and supplied to the linear motor 13.
  • V b ' k 2 V b
  • the storage section 111 stores correction data for correcting the drive voltage of the linear motor 13.
  • the coefficient k 3 corresponding to the current consumption table is stored in the storage unit 1 1 1.
  • the target stroke in Table 2 is read out by the microcomputer 104, and the drive voltage Vc according to the target stroke is obtained.
  • the coefficient k 3 from the storage unit 1 1 1 on the basis of an input current input 1 0 3 is read, the drive voltage V c Remind as in formula (1 0) is corrected.
  • the linear motor 13 is driven by the corrected drive voltage V c ′.
  • V c ' k a V c (10)
  • the above coefficient k ,, k 2, k 3 is set to table a plurality of values are stored, the engagement number k ,, k 2, k 3 wherein the storage unit 1 obtained by the operation 1 1 or R OM 1 May be stored in 2 1.
  • step # 10 the temperature Tc of the cold section and the temperature Th of the warm section are detected by the temperature sensors 34 and 35, and the Tc AZD converter 108 and the Th A / D converter are detected.
  • the data is transmitted to the micro computer 104 via the unit 109.
  • step # 11 the target stroke Xb corresponding to the temperatures Tc and Th is obtained from the target stroke table stored in the storage unit 111 by the micro computer 104. Extract.
  • step # 12 a correction coefficient k corresponding to the distance between the biston 1 and the displacer 2 is extracted from the correction coefficient table stored in the storage unit 111.
  • step # 13 the target stroke is calculated by equation (8) To obtain the target stroke X b ′ of the target.
  • step # 14 the input voltage of the Stirling refrigerator 40 (input voltage of the power supply unit 105) is detected.
  • step # 16 the output voltage of the power supply section 105 is corrected based on equation (9) to obtain a stable output voltage Vb '. '
  • step # 17 a drive voltage Vc for driving with the target stroke is calculated by the microphone computer 104.
  • step # 18 the quenching current I of the linear motor 13 is detected by the current sensor 33, and is input to the microcomputer 104 via the current value input section 103.
  • step # 1 from the storage unit 1 1 1 correction coefficient k 3 stored in the table, extracts the correction coefficient k 3 corresponding to the consumption current I.
  • step # 20 the drive voltage output from the linear motor drive voltage output unit 101 is corrected based on the equation (10) to obtain a drive voltage Vc 'that does not cause a deviation in the target stroke.
  • step tt 21 the drive voltage V c ′ is output from the linear motor drive voltage output unit 101 and applied to the linear motor 13.
  • step # 22 the stroke Xp of the piston 1 is detected based on the above equations (1) and (2).
  • step # 23 it is determined whether or not the detected stroke Xp matches the target stroke Xb '.
  • Step # 17 the operation returns to step # 10 to adjust the target stroke according to the change in the operating state of the Starling refrigerator 40. Is repeated.
  • the collision between the piston 1 and the displacer 2 is avoided by performing the stroke control at the time when the stroke of the biston 1 is detected and controlled to the target stroke.
  • the refrigerating capacity of the stirling refrigerator 40 can be improved.
  • the linear motor 13 can be driven by the target stroke according to the operation status. . Therefore, the collision between the piston 1 and the display laser 2 can be avoided, and the refrigeration capacity of the Starling refrigerator 40 can be further improved.
  • the storage unit 111 is provided separately from the ROM 121 built in the micro computer 104, the load on the micro computer 104 can be reduced and large-capacity data can be stored. Can be stored. As a result, it is possible to memorize the target strokes corresponding to various driving situations and perform fine control. Furthermore, since the target stroke is corrected according to the dimensional variation due to the assembly error and component accuracy of the Starling refrigerator 40, collision between the biston 1 and the displacer 2 due to individual differences of the Starling refrigerator 40 is made. Can be avoided.
  • the linear motor 13 can be driven with a more stable target stroke.
  • the target stroke is a one-dimensional (linear) table in which the time lapse after the start of the Stirling refrigerator 40 is a variable, and increases as time elapses.
  • the elapsed time is measured by timer 123 (see Fig. 15), and the stroke of Boston 1 is adjusted so that the target stroke corresponds to the elapsed time. Is adjusted.
  • the target stroke is reduced to avoid collision between the piston 1 and the displacer 2, and the target stroke is increased as the stable state is reached.
  • the cooling capacity can be increased by increasing the size.
  • the target stroke is extracted from the table shown in Table 5 according to the elapsed time. More precise control is possible by extracting the target stroke from the target stroke.
  • FIG. 21 is a flowchart showing the operation of the Stirling refrigerator of the ninth embodiment.
  • a target stroke table (see Table 2) is corrected based on the input voltage V of the Starling refrigerator 40 and the current consumption I of the linear motor 13, and this table is created as needed. It is supposed to be updated.
  • step # 30 the input voltage V of the Stirling refrigerator 40 is detected.
  • step # 31 the quenching current I of the linear motor 13 is detected by the current sensor 33, and is input to the microcomputer 104 via the current value input section 103.
  • step # 32 based on the input voltage V and the current consumption I, the target stroke Xb '(I) is obtained from the correction table shown in Table 6 stored in the storage unit 111. m , V n ).
  • Target stroke Xb '(1, V) at the reference time is, for example, the target stroke when the cold section temperature Tc is 115 and the warm section temperature Th is 45.
  • the stroke Xb '(I, V) is stored.
  • biston 1 will be the target stroke even if the drive voltage corresponding to the predetermined target stroke Xb is output from the linear motor drive voltage output unit 101 (see Fig. 14). Not driven by X b. Therefore, it is necessary to correct the target stroke Xb according to the input voltage V and the current consumption I.
  • step # 34 the temperature Tc of the common section and the temperature Th of the worm section are detected by the temperature sensors 34 and 35, respectively, and the Tc AZD converter 108 and Input to the micro computer 104 via the Th AZD converter 109.
  • step # 35 the target stroke corresponding to the temperatures Tc and Th is obtained from the table of the target stroke Xb '(see Table 7) stored in the storage unit 111 by the microcomputer 104. Extract the stroke X b '.
  • step # 36 the drive voltage Vc output from the linear motor drive voltage output unit 101 is calculated based on the target stroke Xb '.
  • step # 37 the drive voltage Vc is output from the linear motor drive voltage output unit 101 and applied to the linear motor 13.
  • step # 38 the stroke Xp of biston 1 is detected based on the above equations (1) and (2).
  • step # 39 from the target stroke Xb table (see Table 2) stored in the storage unit 111 by the microcomputer 104, the target stop ports corresponding to the temperatures Tc and Th are obtained. Extract one Xb.
  • step # 40 it is determined whether the detected stroke Xp matches the target stroke Xb.
  • the collision of the piston and the displacer is avoided by the various information detection means, the collision danger detection means and the current control means, thereby preventing the breakage of the refrigerator. Becomes possible. Furthermore, at the time of rapid cooling immediately after the start of operation, etc., it is possible to draw out the maximum refrigerating power of the Stirling refrigerator within the collision risk avoidance range.
  • the linear motor can be driven with the target stroke corresponding to the operating condition. Therefore, collision between the piston and the displacer can be avoided, and the refrigeration capacity of the Stirling refrigerator can be further improved.
  • the storage unit is provided separately from the ROM built in the microphone port computer, the load on the microphone port computer can be reduced, and a large amount of data can be stored. As a result, it is possible to memorize the target strokes corresponding to various driving situations and perform fine control.
  • the target stroke corresponding to the time after the start of the Stirling refrigerator and the target stroke corresponding to the low-temperature side and the high-temperature side of the Stirling refrigerator are stored. If the gas pressure of the working medium immediately after is unstable, the linear motor is driven with a small stroke, and if the gas pressure of the working medium becomes stable over time after startup, the stroke can be gradually increased. Therefore, the collision between the biston and the displacer when the Stirling refrigerator is started can be reduced, and the operation can be performed with a high refrigeration capacity.
  • the correction data for correcting the target stroke based on the dimensional variation of the Stirling refrigerator is stored in the storage unit, the collision between the biston and the disperser due to the individual difference of the Stirling refrigerator can be prevented. Can be avoided.
  • the drive voltage of the lower motor is corrected based on the input voltage of the Stirling refrigerator and the current consumption of the linear motor, more stable biston driving with the target stroke can be realized.
  • the biston drive at the target stroke can be performed with higher accuracy. realizable.

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Description

明細書 スターリング機関 技術分野
本発明は、 スターリ ング機関に関し、 特に、 フリーピス トン型スターリ ン グ機関に関する。 背景技術
近年、省エネルギーや環境問題などの見地から、 スターリング機関が注目を浴びて いる。 スターリング機関は、 外部の熱源を利用して可逆サイクルであるスターリング サイクルを実現する外燃機関であり、ガソリンなどの引火性や着火性に優れた燃料を 必要とする内燃機関などに比べ、省エネルギーで低公害であるという長所を備えた熱 機関である。 このスターリング機関の応用例として、 スターリング冷凍機が広く知ら れている。
従来、 冷凍機等に使用される冷凍サイクルと しては、 一般的に蒸気圧縮式の冷凍サ ィクルが採用されている。 この蒸気圧縮式の冷凍サイクルでは、 作動媒体としての冷 媒にフロン （クロ口フルォロカ一ボン） が用いられ、 フロンの凝縮および蒸発を利用 して所望の冷却性能を得るものである。
しカゝし、 冷媒として使用されるフロンは非常に化学安定性が高く、 大気中に放出さ れると成層圏に達してオゾン層を破壊するとの指摘がある。 このため、 近年、 特定の フロンの使用および生産が規制されてきている。 そこで、 フロンを用いた冷凍サイク ルに代わるものとして、 逆スタ一リング冷凍サイクルが注目されている。
逆スターリング冷凍サイクルでは、 作動媒体として、 ヘリ ウムガス、 水素ガス、 窒 素ガスなどを採用することができるため、 地球環境に悪影響を及ぼすことがない。 こ の逆スターリング冷凍サイクルを利用したスターリング冷凍機は、極低温を発生させ る小型冷凍機として知られている。
スターリング冷凍機は、 作動媒体である冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機から 吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張機とを組み合わせたものであり、上記圧縮機と しては、冷媒ガス圧をたとえば正弦波状等に繰り返し経時変化するように圧縮するも のが使用される。 一方、 膨張機は、 先端が閉塞されたシリンダと、 シリンダ内に往復 動自在に嵌装され、シリンダ內を先端側の膨張室と基端側の作動室とに区画形成する ディスプレーサと、当該ディスプレーサの往復運動を弾性支持する共振用パネとを備 えている。
上記作動室は上記圧縮機に接続されており、圧縮機からの冷媒ガス圧により、ディ スプレーサを往復運動させて冷媒ガスを膨張させることにより、シリンダ先端の冷却 部に低温を発生させる。 なお、 この方式のスターリング冷凍機は、 一般にフリービス トン型スターリング冷凍機と呼ばれており、ビストンとディスプレーサが同一シリン ダ内に同軸に嵌装されたフリービス 卜ン型スターリング冷凍機が一般的になりつつ ある。
ビス トンは一般にリニアモータにより駆動される。 リユアモータの駆動電圧を増減 してビス トンのス トロークを可変することによって冷凍能力をコントロールするこ とができる。 即ち、 リユアモータの駆動電圧を小さくすると、 ピス トンのス トローク が短くなるため冷凍能力が低下する。 リニアモータの駆動電圧を大きくすると、 ビス トンのス トロークが長くなり冷凍能力が向上する。
このような関係を利用して、 従来、 特開平 2— 2 1 7 7 5 7号公報に開示されて いるように、 ピス トンとデイスレ一サの駆動用のリニアモータを 1台ずつ備え、 ピ ストンとディスプレーサの各変位を測定してそれぞれの中立位置を一定に維持する ように、 リニアモータへの入力電流を制御していた。
また、 特開平 1 1— 3 0 4 2 7 0号公報に記載されているように、 駆動コイル への入力電力に基づいてビス トンのス 卜ロークを導出し、このス トロークに基づいて 入力電力をオフセッ 卜することによりビス トンの上死点を一定に保ち、圧縮空間の死 容積を一定に維持する技術も知られていた。
しかしながら、 上記の従来のスターリング冷凍機によると、 運転開始時の低温側の 温度が常温に近い状態では、 内部ガス圧が定常運転状態に至っていないので、 この時 に定常状態の駆動電圧をリニアモータに印加すると、 ビス トンおよびディスプレー ザが衝突する危険性があった。 スターリング冷凍機の構造によって異なるが、 こ の衝突の主なものとしては、 ディスプレーサのシリンダ閉塞端への衝突や、 ディ スプレーサに取付けられている共振用パネの圧縮破壊等が挙げられる。 ビス トン とディスプレーサが同軸上に嵌装されている場合には、 ビス トンとディスプレー ザとの位相がずれて両者が衝突する危険もあった。
また、 冷却負荷が変化してビストンとディスプレーサとの位相がずれたり、 冷凍能 力を最大に引き出しているときに外部要因（スターリング冷凍機の電源電圧や雰囲気 温度） が変化したり したとき、 あるいはスターリング冷凍機の内部要因 （組立て誤差 や部品精度等の個体差） があるときにも衝突する危険があった。 この衝突する危険を 回避するために、 リユアモータの駆動電圧は理想駆動電圧よりも低く設定せざるを得 ず、 スターリング冷凍機の冷凍能力を最大限に引き出せないという課題があった。 さらには、スターリング冷凍機の運転中に冷却部や放熱部が何らかの原因によって 異常冷却または異常加熱された場合や、スターリング冷凍機の周囲の温度が急激に変 化した場合などには、スターリング冷凍機本体の振動を抑止するために取付けられた バランスマスの振動に変化が生じ、 振幅が増加するおそれがある。 また、 シリンダ内 のガスバランスが急激に変化した場合や、内部部品の共振周波数のずれが生じること によってもバランスマスの振動に変化が生ずる。 バランスマスの振幅の増加は、 スタ —リング冷凍機の騒音の増加および異常振動へとつながり、内部部品の衝突によって 破損が起きる危険もある。
発明の開示
したがって、 本発明の目的は、 運転開始時などの急冷時におけるビス トンおよびデ イスプレーサの衝突を回避することにより、スターリング機関の破損を防止するとと もに、衝突回避範囲内での最大出力運転が実現されたスターリング機関を提供するこ とにある。
また、 他の目的としては、 外部から供給される供給電力の電圧値の変動時やスター リング機関本体の異常振動時などにおける内部部品同士の衝突防止が図られたスタ —リング機関を提供することにある。
上記目的を達成するため、 本発明のスターリング機関は、 作動ガスを充填したシリ ンダ内に嵌装され、 駆動手段に駆動されて往復運動するビストンと、 シリンダ内でピ ストンと同軸上に嵌装され、ビス トンの往復運動による力を受けてビス トンと位相差 をもって往復運動するディスプレーサと、当該ディスプレーサを間に挟むようにシリ ンダ内に区画形成される膨張室および圧縮室と、膨張室の温度を検出する第 1の温度 検出手段と、圧縮室の温度を検出する第 2の温度検出手段と、 ビス トンの駆動に用い られる入力電流を検出する入力電流検出手段と、第 1および第 2の温度検出手段によ つて検出された温度および入力電流検出手段によって検出された入力電流とに基づ いて、ビストンおよびディスプレーサの少なく とも一方の衝突危険性を検知する検知 手段とを備えている。
本構成により、検出された入力電流情報と、膨張室および圧縮室内の作動ガス温度 情報とに基づいて、ビス トンおよびディスプレーサの衝突の危険性を検知することが 可能となる。 これは、膨張室と圧縮室の温度状態を測定することにより内部空間の圧 力状態の変化が読み取れることと、入力電流情報によってビストンのス トロ一ク幅が 読み取れることとを利用して、 検知手段により衝突危険性を判断するものである。 上記本発明のスターリング機関においては、入力電流検出手段および温度検出手段 により検出された入力電流および温度が、検知手段によって予め定めた基準の範囲内 であると判定された場合には駆動手段に供給される入力電流を増加させ、範囲外であ ると判定された場合にはそれ以上入力電流を増加させない電流制御手段を備えてい ることが望ましい。
本構成により、ビストンおよびディスプレーザの衝突危険性があると判定された場 合にのみ、 リユアモータへの入力電流増加が制限されて冷凍機の破損が未然に防止さ れる。 この判定は、 予め試行を行なうことにより、 衝突時の電流情報および温度情報 を収集することで得られた情報をもとに行なわれる。 さらには、衝突危険性がないと 判断された場合には、 電流を増加させることで、 運転開始時から定常運転に至るまで 等の急冷時において、衝突回避範囲内での最大冷凍能力を引き出すことが可能となる。 本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 シリンダ内に嵌装され、駆動手段 に駆動されて往復動するピス トンと、 シリンダ内に嵌装され、 ビス トンと位相差をも つて往復動するディスプレーサと、ビストンおよびディスプレーサの間に区画形成さ れた圧縮室と、ディスプレーサを挟んで圧縮室と反対側に位置する膨張室とを備えて いる。 さらに、 本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 駆動手段に電力を供 給するインバ一タ電源回路と、ディスプレーザがビス トンおよびシリンダの閉塞端の いずれかに衝突する衝突危険性を検知する衝突危険性検知手段と、衝突危険性検知手 段によって検知された情報をもとに、ィンバータ電源回路から駆動手段へと供給され る電力を制御するインバ一タ電源回路制御手段とを備えている。
本構成のように、衝突危険性検知手段によって検知された情報をもとに、 インバー タ電源回路から駆動手段へと供給される電力をィンバータ電源回路制御手段によつ て制御することにより、ディスプレーサゃビス トンなどの衝突が未然に防止されるた め、 スターリング機関の破損が防止される。
上記本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 たとえば、 衝突危険性検知手 段が、インバ一タ電源回路へと入力される電力の電圧を検知する電源電圧検知手段で あることが望ましい。
本構成では、 上述の衝突危険性検知手段として、外部電源からインバ一タ電源回路 へと供給される供給電力の電圧を電源電圧検知手段によって検知することにより、外 部電力の変動によって生ずるビス トンの振幅の増加、およびこれに伴うビス トンゃデ イスプレーサなどの衝突が未然に防止され、 スターリング機関の破損が防止される。 上記本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 たとえば、 電源電圧検知 手段がコンパレータによって構成されていることが好ましい。
本構成のように、 電源電圧検知手段としてコンパレータを採用することにより、 供 給電力の電圧値を監視することが容易に実現される。
上記本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 たとえば、 電源電圧検知手段 がアナログアンプによって構成されていることが好ましい。
本構成のように、 電源電圧検知手段としてアナログアンプを採用することにより、 供給電力の電圧値を監視することが容易に実現される。
上記本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 たとえば、 衝突危険性検知手 段が、膨張室内の温度を検出する第 1の温度検出手段と、 前記圧縮室内の温度を検出 する第 2の温度検出手段とであることが望ましい。 - 本構成では、 上述の衝突危険性検知手段として、圧縮室内および膨張室内の温度を 第 1および第 2の温度検出手段によって検出することにより、内部部品の衝突の危険 性が判断されて衝突が未然に防止されるため、スターリング機関の破損が防止可能と なる。 上記本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 たとえば、衝突危険性検知手 段が、ビス トンを挟んで圧縮室と反対側に位置する背圧室内の温度を検出する温度検 出手段であることが好ましい。
本構成では、 上述の衝突危険性検知手段として、背圧室内の温度を検出する温度検 出手段を用いて背圧室の異常加熱があった場合にこれを検出することによって、内部 部品の衝突の危険性が判断されて衝突が未然に防止されるため、スターリング機関の 破損が防止可能となる。
上記本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 たとえば、 シリンダを保持固 定するケ一シングと、 ケ一シングに取付けられ、 ピス トンおよびディスプレーサの往 復動によって生ずるケーシングの振動を吸収するバランスマスと、バランスマスの振 動を検出するバランスマス振動検出手段とをさらに備えており、衝突危険性検知手段 がこのうちのバランスマス振動検出手段であることが望ましい。
本構成では、 上述の衝突危険性検知手段として、 ケーシングに取付けられたバラン スマスの振動を検出するバランスマス振動検出手段によってケ一シングの異常振動 を検出することにより、 内部部品の衝突を未然に防止することが可能となる。
上記本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 たとえば、 バランスマス振動 検出手段が、バランスマスの中心位置からの振幅を検出する光センサであることが好 ましい。
本構成のように、 バランスマス振動検出手段として光センサを用いることにより、 容易にバランスマスの振動を監視することが可能となる。
上記本発明の他の局面におけるスターリング機関は、 たとえば、 バランスマス振動 検出手段が、バランスマスと接触することによりその位置を検出する接触センサであ ることが好ましレ、。
本構成のように、バランスマス振動検出手段として接触センサを用いることにより、 容易にバランスマスの振動を監視することが可能となる。
また、本発明は、 作動ガスを封入したシリンダ內を往復運動するビス トン及びディ スプレーサと、前記ビス トンを移動させるリユアモータとを具備してなるフリービス トン型のスターリング機関において、ビス トンのス トロ一クを検知するス トロ一ク検 知手段と、該ス トロ一ク検知手段にて検知したス トロークを目標ス トロークと比較し てピス トンのス トロークが目標ス トロークになるよう、前記リニアモータを駆動制御 する制御手段とを備えたことを特徴としている。
この構成によると、 リニァモータを駆動するとビストンとディスプレーサとが所定 の位相差で往復運動して作動媒体を圧縮及び膨張して冷凍サイクルが運転される。そ して、 ス トロ一ク検知手段によりビス トンのス トロ一クが検知され、 制御手段により ピス トンのス トロークが目標ス トロークに設定される。 目標ス トロークは、 例えば、 スターリング機関の低温側と高温側の温度の関数式により算出されて設定される。 また本発明は、作動ガスを封入したシリンダ內を往復運動するビス トン及びディス プレーザと、前記ビス トンを移動させるリニアモータとを具備してなるフリービスト ン型のスターリング機関において、スタ一リング機関の運転状況に対応したビス トン の目標ス トロークを動作テーブルとして記憶し、該動作テーブルに基づいて前記リ二 ァモータを駆動制御する制御手段を備えたことを特徴としている。
この構成によると、 リニアモータを駆動するとビストンとディスプレーサとが所定 の位相差で往復運動して作動媒体を圧縮及び膨張して冷凍サイクルが運転される。制 御手段は、スターリング機関の運転状況に対応したビス トンの目標ス トロークを動作 テーブルとして記憶しており、該動作テーブルに基づいてビス トンのス トロ一クを目 標ストロークに設定する。
また本発明は、 前 ス トローク検知手段によるピス トンのス トローク検 は、 リニ ァモータへの印加電圧 V t、 リニアモータの消費電流 I、 リニアモータのインダクタ ンスし、 リニアモータの抵抗成分 R、 前記印加電圧 V t と消費電流 I との位相差 0力、 ら逆起電力 V gを演算式
V g =V t -R I c o s 9 - L s i n e - d I /d t
により求め、 逆起電力 V gがビストンのス トロ一ク X pの関数であることから、 スト ローク X pを演算により求める。
特に、 スターリング機関の負荷が軽いとき、 前記位相差 0 0と近似し、 リニアモ ータの抵抗成分 Rを位相差 0の関数として上記演算式を
V g = V t -R ( θ ) I
と簡素化することができる。 この場合、 前記位相差 0を、 スターリング機関の低温側 と高温側の温度の関数として演算により求めることができる。 また本発明は、 前記動作テーブルが、 スターリング機関の起動開始からの経過時間 を変数とする 1次元テーブルやスターリング機関の低温側と高温側の温度を変数と する 2次元テ一ブルであることを特徴としている。
さらに本発明では、前記ビス トンと前記ディスプレーサの衝突を検知する衝突検知 手段を設け、該衝突検知手段が衝突を検知すると前記制御手段は前記リニアモータの 駆動電圧を所定値低下させることを特徴としている。
スターリング機関の起動開始時や冷凍能力が高い時にビストンとディスプレーサ が急接近して衝突が起こりやすくなるが、 この構成によると、衝突が起きてもそれを 検知して瞬時に危険を回避することができる。 この場合、 前記制御手段が低下させる 前記リユアモータの駆動電圧の所定値は、スターリング機関の低温側と髙温側の温度 の関数式により算出されて設定される。
そして、 前記衝突検知手段による衝突検知方法は、 リニアモータへの印加電圧を所 定値上昇させたとき、 リニァモータの消費電流が所定値を越えたことを検知する方法 やリニアモータへの印加電圧を一定にしたとき、 リユアモータの消費電流の変動値が 所定値を越えたことを検知する方法が考えられる。
なお、 このような衝突を検知した場合の制御は、 衝突を検知してから所定時間が経 過すると終了し、その後は目標ストロークに基づいたリニァモータの駆動制御に復帰 する。
また本発明は、前記ビス トンとディスプレーサの間隔に対応したビス トンの目標ス トロークの補正データテーブルを記憶し、 冷凍機個々の前記間隔に基づいて冷凍機 個々の目標ストロークを前記補正データテーブルにより補正することを特徴として いる。 この構成によると、 スターリング機関の組立誤差や部品精度によって冷凍機 個々の目標ス トロ一クが異なるため、目標ストロークを補正する補正データを記憶し 冷凍機個々の前記間隔を入力して、冷凍機個々の目標ス トロークを補正して設定する ことができる。
また本発明は、スターリング機関の入力電圧又はリニアモータの消費電流に対応し たビス トンの目標ス トロ一クの補正データを記憶し、前記入力電圧又は前記消费電流 の変動に基づいて目標ス トロ一クを前記補正データにより補正することを特徴とし ている。 この構成によると、 スタ一リング機関の入力電圧やリニアモータの消費電力 の変動によりピス トンのストロ一クが変動するため、補正された目標ス トロークに対 応するリユアモータの駆動電圧を電源部により生成してビス トンを補正した目標ス トロークで駆動することができる。
図面の簡単な説明
図 1 は、 本発明の第 1 の実施形態におけるスターリ ング冷凍機の断面図で ある。
図 2は、 本発明の第 1 の実施形態におけるスターリ ング冷凍機の制御回路 ブロック図である。
図 3は、 本発明の第 1 の実施形態におけるスターリ ング冷凍機の制御動作 フロ一チヤ一 トである。
図 4は、 本発明の第 2の実施形態におけるスターリ ング冷凍機のプロ ック 図である。
図 5は、 本発明の第 2の実施形態におけるスターリ ング冷凍機の電源電圧 検知部にコンパレータを用いた場合の制御回路ブロ ック図である。
図 6は、 本発明の第 2の実施形態におけるスターリ ング冷凍機の電源電圧 検知部にアナログアンプを用いた場合の制御回路ブロ ック図である。
図 7は、 本発明の第 3の実施形態におけるスターリ ング冷凍機のプロ ック 図である。
図 8は、 本発明の第 3の実施形態におけるスターリ ング冷凍機の運転制御 に用いられるルックアツプテ一ブルを説明するための模式図である。
図 9は、 本発明の第 3の実施形態における他の例を示したブロ ック図であ る。
図 1 0は、 本発明の第 4の実施形態におけるスターリ ング冷凍機のプロ ッ ク図である。
図 1 1 は、 本発明の第 4の実施形態におけるスターリ ング冷凍機の他の例 を示したブロ ック図である。
図 1 2は、 本発明の第 5の実施形態のスターリ ング冷凍機を示す断面図で ある。 図 1 3は、 本発明の第 5の実施形態のスターリ ング冷凍機の接続状態を示 す図である。
図 1 4本発明の第 5の実施形態のスターリ ング冷凍機の制御ボッ ク スの 構成を示すプロ ック図である。
図 1 5は、 本発明の第 5の実施形態のスターリ ング冷凍機のマイク ロ コン ピュータの構成を示すブロ ック図である。
図 1 6は、 本発明の第 5の実施形態のスターリ ング冷凍機のリニアモータ の等価回路図である。
図 1 7は、 本発明の第 5の実施形態のスタ一リ ング冷凍機のリニアモータ の入力電圧 V t と逆起電力 V gの関係を示すべク トル図である。
図 1 8は、 本発明の第 5の実施形態の駆動電圧と電流の出力波形を示す図 である。
図 1 9は、 本発明の第 5の実施形態のスタ一リ ング冷凍機のス トロ一ク制 御のプログラムの一例を示すフローチヤ一トである。
図 2 0は、 本発明の第 7の実施形態のスターリ ング冷凍機の動作を示すフ ローチャー トである。
図 2 1 は、 本発明の第 9の実施形態のスターリ ング冷凍機の動作を示すフ 口—チヤ一トである。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について、 図を参照して説明する。
図 1 は、 本発明の第 1 の実施形態におけるフ リービス トン型スターリ ング 冷凍機の構造を示した断面図である。 まず、 本実施の形態におけるスターリ ング冷凍機の構造について説明する。 図 1 に示したよ う に、 スターリ ング冷 凍機本体には、 内部に円筒状の空間を有するシリ ンダ 3が設けられており 、 当該シリ ンダ空間内には、 ビス トン 1およびディスプレーサ 2が同軸上に嵌 装されている。 シリ ンダ 3内の作動空間には、 ヘリ ウムガス、 水素ガス、 窒 素ガスなどの作動ガスが充填されている。
このディ スプレーサ 2によって仕切られる作動空間のう ち、 ビス ト ン 1側 め空間を圧縮空間 （圧縮室） 9、 シリ ンダ閉塞端側の空間を膨張空間 （膨張 室） 1 0 という。 この圧縮空間 9 と膨張空間 1 0 とをシリ ンダ 3外で結ぶ経 路上には蓄熱材である再生器 1 2が備えられており、 再生器 1 2内は作動ガ スが通過可能な構造となっている。
また、 圧縮空間 9で発生する熱を外部へ放出するための放熱部 4 3、 膨張 空間 1 0で発生する低温を外部へ伝達する冷却部 4 5が、 それぞれの空間を 囲むよ うに形成されている。 この放熱部 4 3および冷却部 4 5には、 それぞ れの温度を検出するための温度検出センサ 4 4 , 4 6が設けられている。 さ らに、 ディ スプレーサ 2は、 共振用パネ 7によって冷凍機本体ケ一シング 4 1に接続されている。
また、 ピス トン 1 は、 リニアモータ 1 3 よって駆動される構成となってお り、 このリ ニアモータ 1 3は、 電源駆動回路 4 8によって電力が供給され、 その入力電流が冷凍機入力電流検出部 5 2によってモニタ されている （図 2 参照） 。
次に、 本実施の形態におけるスターリ ング冷凍機の動作原理について説明 する。 本冷凍機は、 いわゆる逆スターリ ング冷凍サイ クルを利用して冷凍効 果を得る
ものである。 ピス ト ン 1 はリ ニアモータ 1 3により駆動されて正弦運動する。 ビス トン 1 の動きによ り圧縮空間 9 内の作動ガスは正弦波状の圧力変化を 示す。 圧縮された作動ガスは放熱部 4 3で圧縮熱を放出し、 シリ ンダ 3外に 設けられた再生器 1 2を通過する際に予冷され、 膨張空間 1 0へと流入する。 ディ スプレーサ 2は、 定常運転時にはピス ト ン 1 と同周期で一定の位相差 をもって正弦運動し、 その位相差や振幅は共振用パネ 7のパネ定数や、 時々 刻々 と変化する圧縮空間 9 と膨張空間 1 0 との圧力差、 ディ スプレーサ 2の 質量、 動作周波数等によって決まる。 · この位相差については、 一般的には 9 0 ° 程度が最適条件であるといわれている。
膨張空間 1 0へと流入した作動ガスは、 このディ スプレーサ 2 の正弦運動 によ り膨張し、 これによつて膨張空間 1 0内の温度は著しく低下する。 この とき発生した極低温を冷却部 4 5を介して冷凍庫内へ伝達することによ り 、 所望の冷凍効果が得られる。
次に、 本実施の形態におけるスターリ ング冷凍機の制御回路について説明 する。 図 2は、 上記スターリ ング冷凍機の制御回路の構成を示すブロ ック図 である。 この図に示されるよ う に、 放熱部 4 3および冷却部 4 5に設けられ た温度検出センサ 4 4 , 4 6で検出された温度情報 （T h , T c ) 1 温度 検出部 4 7 を介して制御マイク ロ コンピュータ 4 9に入力される。 こ こで、 T hは放熱部 4 3の温度、 T c は冷却部 4 5 の温度である。 また、 冷凍機入 力電流検出部 5 2において検出された入力電流情報 （ I ) も制御マイク ロコ ンピュータ 4 9に入力される。
制御マイク ロコンピュータ 4 9では、 上記の各入力信号が予め記憶された 基準となる値の範囲内であるかどうかを判定し、 その判定結果に基づいてス ターリ ング冷凍機を制御するための制御信号を導出し、 P W M ( Pulse Widt h Modulation) 出力部 5 1 に対して出力する。 P W M出力部 5 1 は、 この制 御信号に基づきパルス幅変調を行ないスタ一リ ング冷凍機を制御する。
図 3は、 本実施形態における制御動作のフローチャー トである。 図に示さ れるよ うに、 ステップ # 1 でスターリ ング冷凍機の運転が開始されると、 ス テツプ # 2で温度情報 （T h、 T c ) および入力電流情報 （ I ) が検知され る。
つづいて、 ステップ # 3で上記情報に基づき、 予め定めた基準値の範囲内 であるかを判定することによって、 衝突の危険性が判定される。 これは、 上 記情報を総合することによ り ビス トンス トロ一ク幅が特定されるため、 衝突 の危険性が検知可能となることによる。 こ こで、 予め定めた基準とは、 試行
(テーブルルックアツプ方式など） を行なう ことによ り集められた衝突時の 情報をもとに設定されるものである。
ステップ # 3で衝突する危険性がないと判定された場合は、 ステップ # 4 で一定値だけ入力電流を増加させる。 増加させる電流量は極端なビス ト ンス トローク幅の増大を抑制するため、 極力小さ く抑えることが好ま しい。 また、 逆にステップ # 3で衝突する危険性があると判定された場合には、 それ以上 の入力電流を冷凍機に供給しないよ う に制御マイ ク ロ コ ンピュータ 4 9 に て制御する。
以上において説明したよ うに、 リ ニアモータに入力される電流値と圧縮空 間内および膨張空間内の温度と をモニタ し、 これらの値を予め試行によ り得 られた基準値と比較すること によってピス ト ンやディ スプレーザの衝突危 険性を判定し、 この判定結果に基づいてスターリ ング冷凍機を運転すること により、 ビス トンやディスプレーサなどの内部部品同士が衝突することが防 止されると と もに、 ピス トンやディスプレ ザなどの内部部品の衛突を回避 した上での最大出力運転が実現される。
図 4は、 本発明の第 2の実施形態におけるスターリ ング冷凍機の制御回路 のブロ ック図である。 なお、 上述の第 1 の実施形態と同じ部分については同 一の符号を付し、 その説明は省略する。
図 4に示したよ うに、 外部電源 5 0から供給された供給電力の電圧値は、 電源電圧検知部 5 9 にて検知され、 この電圧値情報が制御マイク ロ コンピュ —タ 4 9へと入力される。 制御マイ ク ロ コンピュータ 4 9は入力された電圧 値情報を処理し、 リ ニアモータ 1 3に供給される電力の電圧値が適正な値と なるよ う にイ ンバ一タ電源回路制御部 5 3 を介してイ ンバ一タ電源回路 5 4へと制御信号を出力する。 この制御信号に基づいてィンバ一タ電源回路 5 4にて適正な電圧値に変換された電力がリ ニアモータ 1 3へと供給される。 こ こで、 ィンバータ電源回路制御部 5 3からイ ンバータ電源回路 5 4へと出 力される制御信号は、 ィンバ一タ電源回路での P W M制御におけるパルス幅 の変調を行なう信号である。
この電源電圧検知部 5 9 と して、 コンパレ一タを採用 した場合の回路例を 図 5に示す。 外部電源から供給された供給電力の電圧値を検知するために、 抵抗 5 8によって供給電力の電圧値を分圧し、 電圧の変化がコンパレータ 5 7によって制御マイクロコンピュータ 4 9へと入力される。 このとき、 供給 電力の電圧値の髙低によ り、 制御マイク ロコンピュータ 4 9への入力は、 入 力 A、 入力 B、 入力（：、 入力 Dと段階的に送信される。 制御マイクロコ ンビ ユ ータ 4 9へと送信された信号は、 たとえば下記の表 1 に基づいて閾値電圧 毎に出力信号が決定され、 イ ンバ一タ電源回路 5 4へと適正にパルス幅変調 表 1
制御マイクロコンピュータ
入力 制御マイクロコンピュータの
閾値電)土 (V)
出力
A B C D
0 0 0 0 V≤90 出力停止
基準幅より広レ、幅のパルスを
1 0 0 0 90<V< 95
出力
1 1 0 0 95≤V< 150 基準幅のパルスを出力 基準幅より狭レ、幅のパルスを
1 1 1 0 150≤V< 110
出力
1 1 1 1 110≤V 出力停止
Λ Λ έ圧 Λ ¾ ¾ έi 上記表 1 を参照して、 たとえば、 制御マイク ロコンピュータ 4 9への入力 A / B Z C Z Dが 0 Z 0 / 0 / Oの場合には、 供給電力の電圧値が 9 0 V以 下であると判断し、 イ ンバータ電源回路 5 4への出力を停止し、 スターリ ン グ冷凍機 4 0の運転を停止する。 また、 制御マイク ロコンピュータ 4 9への 入力が 1 1 / 1ノ 1 の場合には、 供給電力の電圧値が 1 1 0 V以上である と判断し、 同じくインバータ電源回路 5 4への出力を停止してスターリ ング 冷凍機 4 0の運転を停止する。 制御マイクロコンピュータ 4 9への入力が 1 1ノ 0 / 0の場合には、 供給電力の電圧値が 9 5 V以上、 1 0 5 V未満で あると判断して、 基準の幅のパルス信号を出力する。 上記以外の場合には、 その電圧値情報に基づいて、 基準の幅のパルスのパルス幅変調を行なう こと によ り、 適切な電圧値へと是正する。
また、 電源電圧検知部 5 9 と して、 アナログアンプを採用 した場合の回路 例を図 6に示す。 この場合、 アナログアンプ 5 6によって供給電力の電圧値 を 0〜 5 Vに変換し、 この変換された電圧を制御マイ ク ロ コ ンピュータ 4 9 へと入力する。 制御マイク ロコンピュータ 4 9に入力された電圧信号を演算 処理し、 イ ンバータ電源回路 5 4へと送信する。 供給電力の電圧値が異常で あると判断された場合には、 イ ンバ一タ電源回路 5 4への出力を停止し、 ス タ一リ ング冷凍機 4 0の運転を停止する。
以上のよ うに、 供給電力の電圧値の変動を電源電圧検知手段によって検知 し、 この情報をもとに制御マイク ロコンピュータにて適正な電圧値となるよ うにパルス幅変調を行ない、 この出力信号を用いてイ ンバ一タ電源回路によ つてスターリ ング冷凍機への入力電力の電圧値を調整するこ とによ り 、 最適 な運転条件が確保される。 また、 供給電力の電圧値が異常であると判断した 場合には、 スターリ ング冷凍機への電力の供給を停止させることによ り、 內 部部品の衝突などによるスターリ ング冷凍機の破損を防止するこ とが可能 となる。
図 7は、 本発明の第 3の実施形態におけるスタ一リ ング冷凍機のプロ ック 図である。 なお、 上述の第 1の実施形態および第 2の実施形態と同じ部分に ついては、 図中同一の符号を付し、 その説明は省略する。 本実施の形態におけるスターリ ング冷凍機では、 上述の第 1 の実施形態と 同様、 放熱部 4 3および冷却部 4 5に温度を測定するための温度検出センサ 4 4 , 4 6が取付けられている。 これら温度検出センサ 4 4 , 4 6によって 検出された温度情報は、 制御マイ ク ロ コンピュータ 4 9へと温度検出部 4 7 を介して入力され、 制御マイ ク ロ コンピュータ 4 9内に予め記憶されている ルックアップテーブル （図 8参照） を参照することによ りその出力信号が決 定され、 インバータ電源回路 5 4へと出力される。 なお、 このルックアップ テーブルは、 予め試行を行なう ことによ り、 スターリ ング冷凍機の内部部品 が衝突する異常加熱および異常冷却状態のデータを収集するこ とによって 得られた情報を用いる。
また他の例と して、 図 9に示したよ うに、 ピス トン 1 を挟んで圧縮空間 9 の反対側に位置するバウンス空間 （背圧室） 8内の温度を検出することによ つて、 異常を検知することも可能である。 この場合には、 温度センサ 5 5を バウンス空間 8を構成する本体ケ一シング 9 に取付けることによ り、 バウン ス空間 8内の温度を間接的にモニタ している。 なお、 バウンス空間 8の温度 によって異常が検知されるのは、 圧縮空間 9 とバウンス空間 8 とが連通して いるために、 圧縮空間 9が異常加熱された場合にバゥンス空間 8 も異常に加 熱されるためである。
図 1 0は、 本発明の第 4の実施形態におけるスターリ ング冷凍機のプロ ッ ク図である。 本実施の形態におけるスターリ ング冷凍機は、 バランスマスの 異常振動を検出するこ とによって、 ピス トンやディスプレーザといった内部 部品の衝突危険性を検知し、 未然にこの衝突を防止する機構を備えたスター リ ング冷凍機である。 なお、 上述の第 1 の実施形態〜 3 と同じ部分について は同一の符号を付し、 その説明は省略する。
図を参照して、 スターリ ング冷凍機 4 0の本体ケ一シング 9にはバランス マス 4 2が、 マススプリ ング 6 3およびマススプリ ング支持部材 6 4を介し て接続されている。 このバランスマス 4 2は、 スターリ ング冷凍機 4 0本体 の振動を抑えるために取付けられるものである。 スターリ ング冷凍機 4 0が 異常振動状態にある場合にはこのバランスマス 4 2 も異常振動するため、 こ のバランスマス 4 2 の振幅を監視するこ とによ り 、 スターリ ング冷凍機の異 常を検知することが可能となる。
スターリ ング冷凍機 4 0が正常動作している場合のバランスマス 4 2の 振幅範囲を予め測定しておき、 バランスマス 4 2の近傍に設置された光セン サ 6 0 , 6 1 によって、 バランスマス 4 2の振幅を監視する。 異常振動が発 生した場合には光センサの発光部 6 0から照射される光線が、 バランスマス によって遮られるため、 光センサの受光部 6 1 にまで達しない。 この場合、 制御マイ ク ロ コ ンピュータ 4 9 に光センサ受光部 6 1 から入力される電圧 信号が減少する。 これを検知した制御マイ ク ロコ ンピュータ 4 9は、 直ちに イ ンバータ電源回路 5 4への出力を停止し、 スターリ ング冷凍機 4 0の運転 を停止する。
以上によ り、 スターリ ング冷凍機の異常振動を検知するこ とによって、 内 部部品の衝突が未然に防止され、 スターリ ング冷凍機が破損することが防止 可能となる。 なお、 光センサの変わり に、 図 1 1 に示したよ うな接触センサ 6 2をバランスマス 4 2 の近傍に設置し、 バランスマス 4 2 が異常振動時に 接触センサ 6 2に接触するこ とによ り、 異常振動を検知するよ うにしてもよ レヽ o
上述のすべての実施の形態では、 ビス トンとディスプレーサとが同軸上に 嵌装されたスターリ ング冷凍機に本発明を適用 した場合を例示して説明 し たが、 別個に圧縮機と膨張機とが設けられたスターリ ング冷凍機にも適用可
WEである。
また、 上述のすべての実施の形態では、 ディスプレーサが共振用コイルバ ネでスターリ ング冷凍機の本体ケ一シングに接続されているものを例示し たが、 特にこれに限定されるものではなく、 共振用コイルパネに代えてガス パネや板パネなどを利用 したスターリ ング冷凍機であってもよい。
さらには、 上述の第 1 の実施形態および第 3の実施形態では、 圧縮空間お よび膨張空間の温度を検出するための温度検出センサを放熱部および冷却 部に設けることで間接的に検出した場合を示しているが、 圧縮空間および膨 張空間内に温度検出センサを設け、 直接作動ガスの温度を測定する構成と し てもよい。
図 1 2は第 5の実施形態のスターリ ング冷凍機を示す断面図である。 スタ ーリ ング冷凍機 4 0は、 軸方向に分割された略円筒形状のシリ ンダ 3内に、 円柱形のビス トン 1及びディスプレーサ 2が內嵌されている。 ビス トン 1 と ディスプレーサ 2 とは圧縮空間 9 (以下、 「ウォームセクショ ン」 という場 合がある） を介して同軸に配置されている。
シリ ンダ 3 の先端にはディ スプレーサ 2 との間に膨張空間 1 0 (以下、 「コールドセク ショ ン」 という場合がある） が形成されている。 圧縮空間 9 と膨張空間 1 0 とはヘリ ゥム等の作動媒体が流通する媒体流通路 1 1 によ り連通している。 媒体流通路 1 1 内には、 作動媒体の熱を蓄積すると と もに 蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器 1 2が配されている。 シリ ンダ 3の 略中間には鍔部 3 a が突設されている。 鍔部 3 a には ドーム状の耐圧容器 4 が取り付けられ、 内部を密閉してバウンス空間 8が形成されている。
ビス トン 1 は後端でビス トン支持パネ 5 と一体化され、 ディ スプレーサ 2 はビス トン 2の中心孔 1 a を貫通する口 ッ ド 2 a を介してディ スプレーサ 支持パネ 6 と一体化されている。 ビス トン支持パネ 5 とディ スプレーサ支持 パネ 6 とはボル ト 2 2によ り連結されている。 後述するよ うに、 ピス トン 1 が往復運動する とディ スプレーサ 2 はその慣性力によってピス ト ン 2 に対 して所定の位相差を有して往復運動を行う よ うになっている。
バウンス空間 8内のシリ ンダ 3には内側ヨーク 1 8が外嵌されている。 内 側ヨーク 1 8には隙間 1 9 を介して外側ヨーク 1 7が対峙している。 外側ョ —ク 1 7には駆動用コイル 1 6が内装され、 隙間 1 9には環状の永久磁石 1 5が移動可能に配されている。 永久磁石 1 5は力ップ状のス リーブ 1 4 を介 してピス トン 1 と一体化されている。 これによ り、 駆動用コイル 1 6に電圧 を印加するこ と によってビス ト ン 1 を軸方向に移動させる リ ニアモータ 1 3が構成されている。
駆動用コイル 1 6には、 リー ド線 2 0、 2 1 が接続されている。 リー ド線 2 0、 2 1 は、 耐圧容器 4 の壁面をハーメチックシール端子 3 7 (図 1 3参 照） を介して貫通し、 制御ボックス 3 0に接続されている。 制御ボックス 3 0によってリ ニアモータ 1 3の駆動電源が供給されるよ うになっている。 上記構成のスターリ ング冷凍機 4 0は、 リ ユアモータ 1 3 によってピス ト ン 1が往復運動すると、 ディ スプレーサ 2の慣性力によってビス トン 1 に対 して所定の位相差でディ スプレーサ 2が往復運動する。 これによ り、 圧縮空 間 9 と膨張空間 1 0 との間を作動媒体が移動して逆スタ一リ ングサイ クル が構成される。 即ち、 作動媒体が圧縮されることによって高温側となる圧縮 空間 9で発生した熱は媒体流通路 1 1 を介して大気中へ放出され、 更に作動 媒体は再生器 1 2に熱を蓄積して膨張空間 1 0へ移動する。
再生器 1 2 によ り冷却された作動媒体は低温側と なる膨張空間 1 0で膨 張されることによって更に冷える。 そして、 作動媒体が媒体流通路 1 1 を通 じて圧縮空間 9へ移動する際に再生器 1 2 に蓄えられた熱によって加熱さ れる。 この動作を繰り返して膨張空間 1 0 (コール ドセクショ ン） の冷凍が 行われるよ うになっている。
図 1 3は、 制御ボックス 3 0 とスターリ ング冷凍機 4 0 との接続状態を示 す図である。 スターリ ング冷凍機 4 0には膨張空間 1 0、 圧縮空間 9、 バウ ンス空間 8の温度 T c 、 T h、 T b をそれぞれ検知する温度センサ 3 4、 3 5、 3 6が取り付けられている。
制御ボックス 3 0には温度センサ 3 4、 3 5、 3 6の出力をそれぞれ A/ D変換する T c AZD変換部 1 0 8、 T h A/D変換部 1 0 9、 T b A/D 変換部 1 1 0が設けられている。 また、 リー ド線 2 0、 2 1 を介してハ一メ チック シール端子 3 7 にはリ ニアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 が接続さ れている。 リ ニアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 は、 リ ニアモータ 1 3の駆 動電圧を出力する。
図 1 4は、 制御ボックス 3 0の更に詳細を示すブロ ック図である。 制御ボ ックス 3 0には、 各種演算等を行うマイ ク ロ コンピュータ 1 0 4が設けられ る。 マイク ロ コンピュータ 1 0 4には、 制御ボックス 3 0の各部に電源を供 給する電源部 1 0 5が接続されている。
また、 マイク ロ コンピュータ 1 0 4には、 電源部 1 0 5の入力電圧を検出 する電圧センサ一 （不図示） の検出値を AZD変換して入力する電圧値入力 部 1 0 2及びリ ニアモータ 1 3 の消費電流を検出する電流センサ 3 3の検 出値を A/D変換して入力する電流値入力部 1 0 3が接続されている。 更に、 制御ボック ス 3 0を リ セッ トする リ セッ ト部 1 0 6、 PWMイ ンバーター波 形を生成する発振部 1 0 7、 書換可能な不揮発性記憶素子 （E E P R OM) から成ってデータを記憶する記憶部 1 1 1 がマイ ク ロコンピュータ 1 0 4 に接続されている。
後述するように、 電圧値入力部 1 0 2からの入力に応じてマイ クロ コンビ ユ ータ 1 0 4から電源部 1 0 5に制御信号が送信される。 これによ り、 電源 部 1 0 5の出力電圧が制御される。 また、 リ ニアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 は、 マイク ロ コ ンピュータ 1 0 4の制御によつて電源部 1 0 5の出力電 圧を P WMイ ンバーター波形に変換してリ ユアモータ 1 3 に供給するよ う になっている。
図 1 5は、 マイ ク ロ コンピュータ 1 0 4の内部構成を示すブロ ック図であ る。 マイク ロコンピュータ 1 0 4内には、 制御プログラムが記憶された読出 し専用の R OM 1 2 1 、 演算の一時記憶を行う R AM I 2 2、 運転時間等を 計時するタイマ一 1 2 3、 入出力用の I /Oポー ト 1 2 5が C P U 1 2 4に 接続される。 C P U 1 2 4が R OM 1 2 1 から読出した制御プロ グラムを実 行することによ りスターリ ング冷凍機 4 0の制御が行われる。
リニアモータ 1 3の駆動を制御する方法と して、 リニアモータ 1 3の駆動 電圧を検知して目標ス トロークに対応した駆動電圧に制御するステップ制 御と、 ビス トン 1 のス トロ一クを検知して所望のス トロークに制御.するス ト ローク制御とが考えられる。
ステップ制御は、 電圧値入力部 1 0 2から入力された電圧値および電流値 入力部 1 0 3から入力された電流値に基づいて算出された、 駆動中のリ ニア モータ 1 3の駆動電圧と、 ビス トン 1 の目標ス ト ロ一クに対応した駆動電圧 とをマイク ロコンピュータ 1 0 4によ り比較して、 リ ユアモータ駆動用電圧 出力部 1 0 1から出力される駆動電圧をステップ状に調整して行われる。 ス トローク制御は、 マイク ロコンピュータ 1 0 4により駆動中のリニアモ ータ 1 3の駆動電圧、 消費電流、 イ ンダクタ ンス、 抵抗成分から演算するこ とによ り ピス トン 1 のス トロークを検出し、 記憶部 1 1 1 (図 1 4参照） に 記憶された目標ス ト ローク と比較して、 リユアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 から出力される駆動電圧を目標ス ト ロークに対応した駆動電圧に調整し て行われる。
ビス ト ン 1 のス ト ロ一クの検出方法を説明するため、 図 1 6にリ ニアモ一 タ 1 3 の等価回路を示す。 リユアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 から駆動電 圧 V t が与えられると、 リ ニアモータ 1 3には電流 I が流れ、 抵抗成分 R及 びインダクタンス Lによ り電圧降下が生じて逆起電力 V gが発生する。
電流 I は駆動電圧 V t に対して位相のずれがあるため、 位相差を 0 とする と、 図 1 7のベク トル図に示すよ うに、 抵抗成分 R及びインダクタンスしに よる電圧降下はそれぞれ R I c o s θ , L s i n 0 * d l Z d t となる。 従 つて、 逆起電力 V gは下記の式 （ 1 ) で表される。 また、 逆起電力 V g はス トロ一ク X pの関数になるため、 下記の式 （ 2 ) によっても表される。
V g = V t - R I c o s fl - L s ί η θ - d l / d t · · · ( 1 )
V g = f ( X p ) · · · ( 2 )
図 1 8は駆動電圧 V t と電流 I の出力波形を示す図である。 位相差 0 は以 下のよ うに求めることができる。即ち、駆動電圧 V tの電圧のピーク位置（位 相角 9 0 ° ) を位置 Aと して、 位置 Aから所定角度、 例えば 1 0 ° 、 2 0 ° 遅れた位置を位置 B (位相角 1 0 0 ° ) 、 位置 C (位相角 1 1 0 ° ) とする。 また、 位置 A、 B、 Cの時の電流 I をそれぞれ I A、 I B、 I C とする と、 位相差 0 は以下のよ うになる。
I A≥ I B > I C の時、 0 ≤ 5 °
I B > I A≥ I C の時、 5 ° < 0 ≤ 1 0 °
I B ≥ I C > I A の時、 1 0 ° < 0 ≤ 1 5 °
I C > I B > I A の時、 Θ > 1 5。
上記のよ うに、 位置 A、 B、 Cの遅れ角度を 1 0 ° にすると 5 ° の分解能 で位相差 0 を判定することが可能となる。 遅れ角度をよ り小さくすれば分解 能を高くするこ とができると と もに、 測定ポイン ト数を増加させると よ り広 範囲の位相差を測定することが可能となる。 上記式 （ 1 ) 、 （ 2 ) において、 L、 Rは既知であり、 V t、 I はそれぞ れ電圧値入力部 1 0 2及び電流値入力部 1 0 3から与えられるこ とによ り 位相差 0 が求められるので、 マイク ロコンピュータ 1 0 4によ りス トローク X pを演算するこ とができる。
また、 位相差 Θ Oの時、 上記式 （ 1 ) は下記の式 （ 3 ) のよ うに近似す ることができる。 従って、 スターリ ング冷凍機 4 0の負荷が軽い場合は位相 差 0 0 となるため、 式 （ 3 ) を用いてス トローク X p を求めてもよい。
V g = V t - R I · · · ( 3 )
しかし、 スターリ ング冷凍機 4 0の負荷が大き く なると位相差 0 は大きく なるため、 位相差 0 の影響を完全に無視することはできない。 そこで、 上記 の式 （ 3 ) において、 抵抗成分 Rにスターリ ング冷凍機 4 0の負荷を考慮す ることが望ま しい。 スターリ ング冷凍機 4 0の負荷は、 スターリ ング冷凍機 4 0の高温側の温度と低温側の温度との関数によ り表わすこ とができる。 高温側の温度と して、 ウォームセクショ ン 9の温度 T hまたはバウンス空 間 8の温度 T b を用いる。 低温側の温度と して、 コールドセク ショ ン 1 0の 温度 T c を用いる。 従って、 上記の式 （ 3 ) に替えて下記の式 （ 4 ) または 式 （ 5 ) を用いることができる。 そして、 マイク ロ コンピュータ 1 0 4 は、 式 （ 4 ) または式 （ 5 ) と式 （ 2 ) との関係からピス トン 1 のス トローク X pを求めるこ とができる。
V g = V t — R(T h、 T c ) I · · · ( 4 )
V g = V t — R(T b、 T c ) I · · · ( 5 )
記憶部 1 1 1 (図 1 4参照） にはスタ一リ ング冷凍機 4 0の運転状況に応 じたビス ト ン 1 の目標ス トロ一クが記憶されている。 表 2は、 記憶部 1 1 1 に記憶された目標ス トロークのテーブルを示している。 TcXTh. Tb ~30。C 30。C~40。C 40。C~50。C 50。C〜60。C
10。C〜20。C 5.9mm 5.7mm 5.5mm 5.3mm
0。C〜10。C 6.0mm 5.8mm 5.6mm 5.4mm 一 10oC〜0。C 6.2mm 6.0mm 5.8mm 5.6mm 一 20。C〜一 10oC 6.4mm 6.2mm 6.0mm 5.8mm
-30°C〜一 20。C 6.5mm 6.3mm 6.2mm 5.9mm
表 2 同表によると、 目標ス ト ロークはスターリ ング冷凍機 40の低温側の温度 及び高温側の温度の 2次元 （マ ト リ ック ス） テーブルになっており 、 これら の温度帯に応じて異なる値になっている。
コール ドセクショ ン 1 0の温度 T cは、 1 0¾：〜 2 0で、 0で〜 1 0 、
— 1 0T；〜 0°C、 - 2 0 °C 1 0で、 - 3 0 °C 2 0°C、 の 5つの範囲 に区分けされている。 ウォームセクショ ン 9の温度 T hまたはバウンス空間 8の温度 T bは、 〜 3 0°C、 30 〜 4 0°C、 40で〜 50 、 5 0° (：〜 6 0で、 の 4つの範囲に区分けされている。 これらの温度範囲や温度の区切り は一例であって上記に限定されるものではない。
図 1 9は、 この温度を変数とする目標ス トロークのテーブルを参照するプ ログラムのフローチヤ一 トである。 まず、 ウォームセクショ ン温度 T hを T h温度センサ 3 5 . T h AZD変換部 1 0 9で検知 · デジタル変換して測定 する （ステップ # 5 1 ) 。 その温度が、 6 0°C未満 3 0で以上の範囲にある か確認する （ステップ # 5 2 , 5 3 ) 。 6 0で以上の場合は 5 9でに、 3 0°C 以下の場合は 2 9 °Cに整える （ステップ # 5 4 , 5 5 ) 。 その値を 1 0で割 つて小数点以下を切り捨てて整数化し、 さ らにその値から 2を引いて、 F T hを求める （ステップ # 56) 。
次に、 丁 じ の温度を丁 温度センサョ ' 丁 11八 0変換部 1 0 8で検 知 · デジタル変換して測定し、 3 0を加える （ステップ # 5 7 ) 。 その温度 が、 50で未満 0°C以上の範囲にあるか確認する （ステップ # 5 8 , 5 9 ) 。 5 0 °C以上の場合は 4 9でに、 0で以下の場合は 0 °Cに整える （ステップ # 6 1 ) 。 その値を 1 0で割って小数点以下を切り捨てて整数化し、 F T cを 求める （ステップ # 6 2 ) 。 R OM上のテーブルが存在する先頭ア ドレス T AZDに 4 ( 4 一 F T c ) と F T h とを加えて、 ターゲッ トア ドレスを算出 する （ステップ # 6 3 ) 。 そのア ドレスのデータを A c と して取り込み （ス テツプ # 6 4 ) 、 目標ス トローク とする （ステップ # 6 5 ) 。
なお、 ウォームセクショ ン温度 T hのかわり に、 ノくゥンス空間の温度 T b を用いても同様の効果が得られる。
スターリ ング冷凍機 4 0は低温側の温度が低いほど作動媒体のガス圧が 安定して駆動されており、 同様に高温側の温度が高いほど作動媒体のガス圧 が安定して駆動されている。 従って、 起動直後等の作動媒体のガス圧が不安 定なと きはリ ニアモータ 1 3 によ り ビス ト ン 1 が小さいス トロークで駆動 される。 これによ り、 ビス トン 1 とディスプレーサ 2 との衝突が低減される。 そして、 起動後の時間経過によって作動媒体のガス圧が安定すると徐々にス トロークを大き く して、 高い冷凍能力で運転する。
また、 起動直後にはス トロ一クを小さ く しリ ニアモータ 1 3の往復運動の 速度を速く してガス圧を早く安定させると と もに、 ス ト ロークを大きくする と往復運動の速度を遅く して行き過ぎによる衝突を回避すると良い。
尚、 ビス ト ン 1 とディ スプレーサ 2 とが所定距離以内に接近した際や衝突 の発生を検知した場合には、 前述のステップ制御に切り換える。 これによ り、 直前の駆動電圧よ り も低い駆動電圧でリ ニアモータ 1 3 を駆動して衝突を 回避した駆動に復帰できるよ うになつている。
目標ス ト ロークはテーブルから抽出するのではなく 演算によ り求めても よレ、。 例えば、 目標ス トローク X b を式 （ 6 ) 或いは式 （ 7 ) のよ うに温度 T c、 T hの関数によ り表わすことができる。 式 （ 6 ) または式 （ 7 ) によ り 目標ス トロークを演算すると、 よ りなめらかにス トロ一クを調整すること ができると と もに、 記憶部 1 1 1 のデータ量を削減することができる。
X b =(a 1 T c + a 2)(a 3 T h + a 4) · · · ( 6 )
X b =(^ 1 T c 2 + i3 2 T c + 3 3)(^ 4 T h 2 + ^ 5 T h + /36) · · · ( 7 )
( , ~ a 4 , β ! ~ /3 6は定数）
次に、 本発明の第 6の実施形態のスターリ ング冷凍機について説明する。 この実施形態は、 後述する衝突検知手段を用いることによ り 、 ス ト ローク制 御に加え、 ビス トン 1 とディスプレーサ 2の衝突による危険な状態の回避が 行えるよ うにしたものである。
上記第 5の実施形態において、 マイ ク ロ コ ンピュータ 1 0 4はリ ニアモー タ 1 3の駆動電圧を徐々に上昇させ、 ビス トン 1 とディ スプレーサ 2の衝突 の危険があるス ト ロ一ク付近になると、 目標ス トロークが得られるまでゆつ く り と上昇させる。 このよ うに駆動電圧を上昇させているときは、 ピス トン 1 とディスプレーサ 2のス ト ロークのバランスが うまく取れていないため、 比較的衝突が起こりやすく なる。 したがって、 も し衝突が検知されれば、 直 ちにビス トン 1 のス トロ一クを小さくすることによ り、 衝突による危険な状 態を回避するこ とが必要である。
この場合の衝突を検知する具体的方法について説明する。 この方法は、 駆 動電圧を上昇させれば、 リ ニアモータ 1 3の消費電流が増加することを利用 している。 リ ニアモータ 1 3 の等価回路における駆動電圧 V t と消費電流 I の関係を予測演算し、 駆動電圧を所定値上昇させたとき、 予測演算して得ら れた消費電流値に数パーセン ト上乗せした衝突検知電流値 Aを演算記憶す る。 そして、 実際の消費電流値を電流センサ 3 3により測定し、 上記衝突検 知電流値 Aと比較する。 測定値が衝突検知電流値 Aを越えた場合は衝突と判 断し、 危険回避を行う。 危険回避の具体的方法については後述する。
また、 ピス トン 1 の目標ス トロークが得られ、 一定の駆動電圧でリニアモ —タ 1 3 を制御しているときは、 ビス トン 1 とディスプレーサ 2の接近時の 間隔が非常に小さ く なつているため、 負荷や入力電圧の少しの変動でも衝突 する危険がある。
この場合の衝突検知の具体的方法について説明する。 この方法は、 ピス ト ン 1 とディ スプレーサ 2が衝突すれば、 リニアモータ 1 3の消費電流が周期 的に変動するこ とを利用 している。 すなわち、 ピス トン 1 の運動が目標ス ト ロークに到達し、 一定の駆動電圧でリ ニアモータ 1 3 を制御している場合、 通常、 消費電流値も一定になるはずであるが、 ビス トン 1 とディスプレーサ 2の衝突が起こると、 衝突のたびに周期的に電流値が大きく変動する。 その とき、 衝突と判断できることを利用している。
まず、 目標ス トロークが得られた時点で、 消費電流値を検出して記憶する。 そして、 その値に数パーセン 卜を掛けて衝突検知電流変動値 Bを演算記憶す る。 そして、 安定時の電流を 0 . 1秒単位で繰り返し測定 · 記憶し、 1秒毎 にその変動値を下記の式で演算する。
変動値 = 1秒中の電流の最大値一 1秒中の電流の最小値
この変動値と衝突検知電流変動値 B と比較する。 変動値が衝突検知電流変 動値 Bを越えた場合は、 衝突と判断し回避処理を行う。 こ こで、 上記記載の 時間 0 . 1秒、 1秒は、 一例であり、 これに限定されるものではない。 ちな みに、 この衝突検知方法は、 駆動電圧 V tが所定電圧を越えている場合に働 かせると良い。
上記のよ うに 2種類の衝突検知方法を用いて、 ビス トン 1 とディスプレー サ 2の衝突の検知を行なっている。 そして、 実際衝突が検知されれば、 ス ト ローク制御から、 ステップ制御に移行し、 ス トローク制御でコン ト ロールし ていた駆動電圧からステップで減ら し、 所定電圧低めの駆動電圧でリニアモ ータ 1 3 を駆動制御することになる。
この減らす駆動電圧のステ ツプ数は、 ウォームセクショ ンの温度 T h と コ —ル ドセク ショ ンの温度 T c による関数となっており 、 基本的に、 ウォーム セク ショ ンの温度 T h、 コール ドセク ショ ンの温度 T c が高く なるとステツ プ数は大き くなるよ うに設定されている。 表 3にその一例を示す。
Figure imgf000028_0001
表 3 なお、 ウォームセクショ ン温度 T hの代わり にバウンス空間温度 T bでも 代用可能であり、 また、 ステップ数を T hまたは T c についての一次関数や 二次関数に変換するこ とも可能である。 このよ うにして衝突を検知すると、 ス トロ一ク制御からステップ制御に移 行し、 リ ニアモータ 1 3の駆動電圧をステップ数で下げることにより、 ビス トン 1 のス ト ロークが瞬時に小さ く なり 、 衝突による危険な状態を回避して 安全に駆動制御することが可能となる。
さらに、 衝突を検知した場合にス トロ一ク制御からステップ制御に移行し たが、 逆にステップ制御からス トローク制御に戻ることが必要になる。 これ には、 時間による方法を取っていて、 ステップ制御に移行した時点から所定 時間経過後 （例えば 2 0秒後） 、 ス トローク制御に復帰するよ うに設計して いる。 そして、 ステップ制御を行なっている間は衝突検知を停止している。 この場合、 上記所定時間も負荷の変動にリ ンク させることが可能で、 ゥォ —ムセク ショ ンの温度 T h と コール ドセク ショ ンの温度 T c を変数とする 2次元テーブルを利用するとよい。 表 4にその一例を示す。 基本的には、 ゥ オームセク ショ ンの温度 T hが高く 、 コール ドセク ショ ンの温度 T c が低い と時間が長く なるよ うに設計されている。
Figure imgf000029_0001
表 4
また、 ウォームセクショ ン温度 T hの代わり にバウンス空間温度 T b でも 代用可能であり 、 また、 衝突検知の停止時間 （上記所定時間） をウォームセ クショ ン温度 T hまたはコール ドセクショ ン温度 T c についての一次関数 や二次関数に変換すること も可能である。
次に、 本発明の第 7の実施形態のスターリ ング冷凍機について説明する。 本実施形態は、 スターリ ング冷凍機 4 0の組立誤差や部品精度等の寸法に応 じてマイ ク ロ コンピュータ 1 0 4 によ り 目標ス ト ロ一ク を補正するよ う に なっている。 また、 スターリ ング冷凍機 4 0の組立誤差や部品精度によってビス トン 1 とディ スプレーサ 2 との間隔等の寸法に個体差が生じる。 この時、 全製品の スターリ ング冷凍機 4 0 を表 2 と同じテーブルの目標ス ト ロークを用いて ス トロ一ク制御を行う と、 ビス トン 1 とディ スプレーサ 2 との衝突が発生す る場合がある。
このため、 記憶部 1 1 1 には目標ス ト 口一クを補正する補正データが格納 されている。 例えば、 記憶部 1 1 1 にはピス トン 1 とディ スプレーサ 2 との 間隔に対応した係数 k のテーブルが記憶される。 製造工程では、 スターリ ング冷凍機 4 0 の各個体に対してのビス ト ン 1 とディ スプレーサ 2 と の間 隔を計測し記憶部 1 1 1 に格納する。 したがって、 スターリ ング冷凍機 4 0 の各個体に対応する係数 k ,がテーブルから定まることになる。
スターリ ング冷凍機 4 0の駆動時にマイ ク ロ コンピュータ 1 0 4 によつ て、 記憶部 1 1 1 に格納された表 2から目標ス ト ローク X bが、 ピス トン 1 とディスプレーサ 2 との間隔に応じた係数 k ,のテーブルから係数 k ！がそ れぞれ読出され、 式 （ 8 ) に示すよ う に目標ス ト ローク X bが補正される。 そして、 補正された目標ス トローク X b ' を基にス トローク制御が行われる よ うになつている。
X b ' = k J X b · · · ( 8 )
スターリ ング冷凍機 4 0に供給される電圧が変動すると、 電源部 1 0 5の 出力電圧も変動する。 これによ り、 リニアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 か ら リ ニアモータ i 3 に出力される駆動電圧が目標ス ト ロークに対応しない 電圧になる場合がある。 このため、 記憶部 1 1 1 には電源部 1 0 5の出力電 圧を補正する補正データが格納されている。 例えば、 記憶部 1 1 1 には電源 部 1 0 5の入力電圧に対応した係数 k 2のテーブルが記憶される。
スターリ ング冷凍機 4 0の駆動時にマイ ク ロ コ ンピュータ 1 0 4によつ て表 2の目標ス ト ロークが読出され、 該目標ス ト ロークに応じた駆動電圧が 求められる。 同時に記憶部 1 1 1 から電源部 1 0 5の入力電圧に応じた係数 k 2が読出され、 式 （ 9 ) に示すよ うに電源部 1 0 5の出力電圧 V bが補正 される。 そして、 補正された出力電圧 V b ' がリ ニアモータ駆動用電源出力 部 1 0 1 に供給され、 目標ス ト ロークに対応した駆動電圧がリ ニアモータ 1 3に供給されるよ う になつている。
V b ' = k 2 V b · · · ( 9 )
また、 リニアモータ 1 3の消費電流 I が変動すると、 インダクタンス L及 び抵抗成分 R (図 1 6参照） の電圧降下の変化によ り リニアモータ 1 3 に加 わる電圧が変動する。 これによ り、 所望のス ト ロークが得られない場合があ る。 このため、 記憶部 1 1 1 にはリニアモータ 1 3の駆動電圧を補正する補 正データが格納されている。 例えば、 記憶部 1 1 1 には消費電流に対応した 係数 k 3のテーブルが記憶される。
スターリ ング冷凍機 4 0の駆動時にマイク ロ コンピュータ 1 0 4 によつ て表 2の目標ス ト ロークが読出され、 目標ス ト ロークに応じた駆動電圧 V c が求められる。 同時に電流入力部 1 0 3の入力に基づいて記憶部 1 1 1 から 係数 k 3が読出され、 式 （ 1 0 ) に示すよ う に駆動電圧 V cが補正される。 そして、 補正された駆動電圧 V c ' によ り リニアモータ 1 3が駆動されるよ うになっている。
V c ' = k a V c · · · ( 1 0 )
上記の係数 k ,、 k 2、 k 3はテーブルと して複数の値が格納されるが、 係 数 k ,、 k 2、 k 3を演算により求める式を記憶部 1 1 1 または R OM 1 2 1 に格納してもよい。
上記構成のスター リ ング冷凍機 4 0の動作を図 2 0のフローチヤ一 トを 参照して説明する。 まず、 ステップ # 1 0ではコール ドセク ショ ンの温度 T c及びウォームセク ショ ンの温度 T hを温度センサ 3 4、 3 5により検知し、 T c AZD変換部 1 0 8及び T h A/D変換部 1 0 9 を介してマイ ク ロ コ ンピュータ 1 0 4に送信する。
ステップ # 1 1 では、 マイ ク ロコンピュータ 1 0 4によって記憶部 1 1 1 に記憶された目標ス ト ロ一クのテーブルから、 温度 T c 、 T hに対応する目 標ス ト ローク X b を抽出する。 ステップ # 1 2では、 記憶部 1 1 1 に記憶さ れた補正係数のテーブルから、 ビス トン 1 とディスプレーサ 2 との間隔に応 じた補正係数 k ,を抽出する。ステップ # 1 3では、 目標ス トロークを式（ 8 ) に基づいて補正し、 目標の目標ス トローク X b ' を得る。
ステップ # 1 4ではスターリ ング冷凍機 4 0の入力電圧 （電源部 1 0 5の 入力電圧） を検出する。 ステップ # 1 5では記憶部 1 1 1 に記憶された補正 係数 k 2のテーブルから、 入力電圧に対応した補正係数 k 2を抽出する。 ステ ップ # 1 6では、 電源部 1 0 5の出力電圧を式 （ 9 ) に基づいて補正し、 安 定した出力電圧 V b ' を得る。 '
ステップ # 1 7では目標ス ト ロ一クで駆動するための駆動電圧 V c をマ イク口 コンピュータ 1 0 4によ り演算する。 ステップ # 1 8ではリニアモ一 タ 1 3の消费電流 I を電流センサ 3 3で検知し、 電流値入力部 1 0 3を介し てマイク ロコンピュータ 1 0 4に入力する。
ステップ # 1 9では、 記憶部 1 1 1 に記憶された補正係数 k 3のテーブル から、消費電流 I に対応した補正係数 k 3を抽出する。 ステップ # 2 0では、 リニアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1から出力する駆動電圧を式 （ 1 0 ) に 基づいて補正し、 目標ス ト ロークに狂いが生じない駆動電圧 V c ' を得る。 ステ ップ tt 2 1 ではリ ニアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 から駆動電圧 V c ' を出力してリニアモータ 1 3に印加する。 ステップ # 2 2では、 上記 式 （ 1 ) ( 2 ) に基づいてピス トン 1のス トローク X pを検出する。 ステツ プ # 2 3では検出したス トローク X pが目標ス トローク X b ' に一致してい るかを判別する。
ス ト ローク X p と 目標ス ト ローク X b ' とが一致していない場合は、 ステ ップ # 1 4〜 # 2 3を繰り返し、 検出したス トローク X pに基づいて駆動電 圧 V c を再度演算する （ステ ップ # 1 7 ) 。 ス ト ローク X p と 目標ス ト ロー ク X b ' とがー致すると、 ステップ # 1 0に戻り 、 スターリ ング冷凍機 4 0 の運転状況の変化に対応して目標ス ト ロークを調整する動作が繰り返し行 われる。
本実施形態によると、 ビス トン 1 のス トロークを検出して目標ス トローク に制御すると ころのス トローク制御を行う ことによ り、 ピス トン 1 とデイ ス プレーサ 2 との衝突を回避すると と もに、 スタ一リ ング冷凍機 4 0の冷凍能 力を向上させることができる。 また、 記憶部 1 1 1 にスターリ ング冷凍機 4 0の運転状況に応じた目標ス トロークのテーブルが記憶されるので、 運転状況に応じた目標ス トロークで リ ニアモータ 1 3 を駆動することができる。 従って、 ピス トン 1 とディスプ レーザ 2 との衝突を回避すると と もに、 スターリ ング冷凍機 4 0の冷凍能力 をより向上させるこ とができる。
また、 記憶部 1 1 1 をマイ ク ロ コンピュータ 1 0 4内臓の R O M 1 2 1 と は別に設けているため、 マイ ク ロ コンピュータ 1 0 4の負荷を軽減すると と もに、 大容量のデータを格納することができる。 これによ り、 種々の運転状 況に応じた目標ス ト ロークを記憶してきめ細かい制御を行う こ とができる。 更に、 スターリ ング冷凍機 4 0の組立誤差や部品精度等による寸法バラッ キに応じて目標ス ト ロークを補正するので、 スターリ ング冷凍機 4 0の個体 差によるビス トン 1 とディスプレーサ 2 との衝突を回避するこ とができる。 加えて、 スターリ ング冷凍機 4 0に供給される電圧の変動やリニアモータ 1 3の消費電流の変動に応じてアイ ク 口 コ ンピュータ 1 0 4 によ り電源部 1 0 5の出力電圧或いはリニアモータ 1 3の駆動電圧を補正するので、 よ り 安定した目標ス ト ロ一クでリニアモータ 1 3 を駆動できる。
次に、 第 8の実施形態のスターリ ング冷凍機について説明する。 本実施形 態の構成は前述の図 1 2〜図 2 0に示す第 5〜第 7実施形態と同様であり、 表 5に示すよ うに、 記憶部 1 1 1 に記憶された目標ス ト ロークのテーブルが 異なっている。
Figure imgf000033_0001
表 5
同表によると、 目標ス ト ロークは、 スターリ ング冷凍機 4 0の起動後の時 間経過を変数とする 1次元 （リ ニア） テーブルとなっており、 時間経過に従 つて増加している。時間経過はタイマー 1 2 3 (図 1 5参照） によ り計測し、 経過時間に対応した目標ス ト ロ一クになるよ う にビス ト ン 1 のス ト ロ一ク が調整される。 前述の図 2 0に示すフローチヤ一トのステップせ 1 0におい て、 タイマ一 1 2 3 によって起動後の時間を検出するこ とによ り第 5実施形 態と同様に制御するこ とができる。
これによ り、 起動直後の不安定な時期は、 目標ス トロークを小さく してピ ス トン 1 とディスプレーサ 2 との衝突を回避すると と もに、 安定状態になる ほど目標ス ト ロ一クを大き く して冷却能力を高く できるよ うになつている。 尚、 起動直後は経過時間によって表 5に示すテーブルから目標ス 卜ロークを 抽出し、 所定時間経過後 （例えば 1 2 0秒後） に、 低温側と高温側の温度に よって表 2 に示すテーブルから 目標ス ト ローク を抽出する と よ り きめ細か い制御が可能になる。
次に本発明の第 9の実施形態について説明する。 図 2 1 は、 第 9の実施形 態のスターリ ング冷凍機の動作を示すフローチャー トである。 本実施形態は、 スター リ ング冷凍機 4 0 の入力電圧 V及びリ ニアモータ 1 3 の消費電流 I に基づいて目標ス ト ロークのテーブル （表 2参照） を補正して作成し、 この テーブルを随時更新するよ うになっている。 ' まず、 ステップ # 3 0ではスターリ ング冷凍機 4 0の入力電圧 Vを検出す る。 ステップ # 3 1 ではリニアモータ 1 3の消费電流 I を電流センサ 3 3で 検知し、 電流値入力部 1 0 3を介してマイク ロコンピュータ 1 0 4に入力す る。 ステップ # 3 2では、 記億部 1 1 1 に格納された表 6に示す補正テ一ブ ルから、 入力電圧 V及び消費電流 I に基づいて基準時の目標ス トロ一ク X b ' ( I m、 V n ) を抽出する。 表 6において、 列方向には入力電圧 Vに応じ て 4段階に区分けされ、 行方向には消費電流 I に応じて 4段階に区分けされ ている。 例えば、 I = I 4、 V = V 4であったとすると、 抽出される基準時の 目標ス トローク X b ' ( I V 4 ) は、 5 . 7 m mとなる。 I w V 1 V 2 V 3 V4
I 1 6.3nm 6.2mm 6.1議 6. Οιτηι
I 2 6.2, 6.1mm 6. Οιπη 5.9國
I 3 6.1mm 6. Onm 5.9麵 5.8mm
I 4 6. Onm 5.9nm 5.8隱 5.7mm
表 6 基準時の目標ス ト ローク X b ' ( 1 、 V) は、 例えばコールドセクショ ン の温度 T cが一 1 5で、 ウォームセクショ ンの温度 T hが 4 5でのときの目 標ス ト ローク X b ' ( I 、 V) が記憶されている。
ス タ ー リ ング冷凍機 4 0の入力電圧 V及びリ ニアモータ 1 3の消費電流
I が変動すると、 リ ニアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 (図 1 4参照） から 所定の目標ス ト ロ一ク X b に応じた駆動電圧を出力しても ビス トン 1 が目 標ス トローク X bで駆動されない。 そのため、 入力電圧 V及び消費電流 I に 応じて目標ス トローク X bの捕正が必要となる。
ステップ # 3 3では、 基準時の目標ス トローク X b ' ( 1 、 V) に基づい て、 前述の表 2 と同様の目標ス ト ローク X b ' のテーブルが作成され、 記憶 部 1 1 1 に記憶される。 すなわち、 表 2における T c =— 1 5ΐ、 T h = 4
5 ¾：での目標ス ト ロークの値が 6. O mmから 5. 7 mmに補正されるため、 表 7のよ うなテーブルが作成されることになる。 表 7では、 表 2に示す目標 ス ト ローク X b に対して各条件下の目標ス ト ローク X b ' が同じ比率 （ 9
5 %) になっている。
T c\T h, T b ~30。C 30。C〜40。C 40°C〜50UC S0eC〜60eC
10UC〜20。C 5.6mn 5.4mm 5.2mm 5. Onm
0°C〜10°C 5.7mm 5.5nm 5.3nm 5. Imm 一 10°C〜0°C 5.9mm 5.7mm 5.5nm 5.3rmi 一 20。C〜一 10°C 6.1nm 5.9mm 5.7mm 5.5mm 一 30°C〜一 20°C 6.2mm 6. Omn 5.9mm 5.6mm
表- ステ ップ # 3 4ではコ 一ノレ ドセクショ ンの温度 T c及びウォームセクシ ヨ ンの温度 T h を温度センサ 3 4、 3 5によ り検知し、 T c AZD変換部 1 0 8及び T h AZD変換部 1 0 9 を介してマイ ク ロ コ ンピュータ 1 0 4に 入力する。 ステップ # 3 5では、 マイク ロコンピュータ 1 0 4によって記憶 部 1 1 1 に記憶された目標ス ト ローク X b ' のテ一ブル （表 7参照） から、 温度 T c 、 T hに対応する 目標ス トローク X b ' を抽出する。
ステップ # 3 6では、 リ ニァモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 から出力する 駆動電圧 V c を目標ス トローク X b ' に基づいて演算する。 ステップ # 3 7 ではリ ニアモータ駆動用電圧出力部 1 0 1 から駆動電圧 V c を出力 してリ ニァモータ 1 3に印加する。 ステップ # 3 8では、 上記式 （ 1 ) ( 2 ) に基 づいてビス トン 1 のス ト ローク X pを検出する。
ステップ # 3 9では、 マイク ロコンピュータ 1 0 4によって記憶部 1 1 1 に記憶された目標ス ト ローク X bのテーブル （表 2参照） から、 温度 T c、 T hに対応する 目標ス ト口一ク X bを抽出する。 ステップ # 4 0では検出し たス トローク X pが目標ス トロ一ク X bに一致しているかを判別する。
ス トローク X p と 目標ス トローク X b とが一致していない場合は、 ステツ プ # 3 6〜 # 4 0を繰り返し、 検出したス トローク X pに基づいて駆動電圧 V c を再度演算してリ ニアモータ 1 3を駆動する。 ス ト ロ一ク X p と 目標ス ト ロ一ク X b とがー致するとステップ # 3 0に戻り 、 スタ一リ ング冷凍機 4 0の運転状況の変化に対応して目標ス トローク X b ' のテーブルを書換えて 同じ動作が繰り返し行われる。 産業上の利用可能性
以上説明したよ うたよ うに本発明によると、 各種情報検出手段、 衝突危険 性検知手段および電流制御手段によってピス ト ンおよびディ スプレーサの 衝突の回避されることで、 冷凍機の破損を防止することが可能となる。 さら には、 運転開始直後等の急冷時において、 衝突危険性回避範囲内でのスター リ ング冷凍機の最大冷凍態力を引き出すことが可能となる。
また、 外部電源から供給される供給電力の電圧値を監視したり、 スターリ ング機関の各部の温度を監視したり、 マススプリ ングの振動を監視したりす ることによって異常状態を検知し、 スターリ ング冷凍機を停止させることに よ り、 未然に内部部品の衝突を防止することが可能となる。
また本発明によると、 ビス トンのス トロークを検出して目標ス トロークに制御 するス トロ一ク制御を行うことにより、 ビス トンとディスプレーサとの衝突を回 避するとともに、 スターリング冷凍機の冷凍能力を向上させることができる。 ま た、 記憶部にスターリング冷凍機の運転状況に応じた目標ス トロークが記憶され るので、 運転状況に応じた目標ス トロ一クでリニアモータを駆動することができ る。 従って、 ピス トンとディスプレーサとの衝突を回避するとともに、 スターリ ング冷凍機の冷凍能力をより向上させることができる。
また、 記憶部をマイク口コンピュータ内臓の R O M等とは別に設けているため マイク口コンピュータの負荷を軽減することができるとともに、 大容量のデータ を格納することができる。 これにより、 種々の運転状況に応じた目標ス トローク を記憶してきめ細かい制御を行うことができる。
また、 本発明によると、 スターリング冷凍機の起動後の時間に応じた目標ス ト ロークや、 スターリング冷凍機の低温側及び高温側の温度に応じた目標ス トロー クを記憶するので、 例えば、 起動直後の作動媒体のガス圧が不安定なときはリニ ァモータを小さいストロ一クで駆動し、 起動後の時間経過によって作動媒体のガ ス圧が安定すると徐々にス トロークを大きくすることができる。 従って、 スター リング冷凍機起動時におけるビス トンとディスプレーサとの衝突が低滅されると ともに、 高い冷凍能力で運転することができる。 また、 本発明によると、 スターリング冷凍機の寸法バラツキに基づいて目標ス トロ一クを補正する補正データを記憶部に記憶するので、 スターリング冷凍機の 個体差によるビス トンとディスプレーザとの衝突を回避することができる。
また、 本発明によると、 スターリング冷凍機の入力電圧や、 リニアモータの消 費電流に基づいてリユアモータの駆動電圧を補正するので、 より安定した目標ス トロークでのビス トン駆動を実現できる。
また、 本発明によると、 スターリング冷凍機の入力電圧や、 リニアモータの消 費電流に基づいてリユアモータの駆動電圧を補正する補正データを書換えるので、 より高精度に目標ス トロークでのビストン駆動を実現できる。

Claims

請求の範囲 · 作動ガスを充填したシリンダ内に嵌装され、 駆動手段に駆動されて往復運 動するビストンと、 前記シリンダ内で前記ビストンと同軸上に嵌装され、 前記ビス トンの往復運動による力を受けて前記ビストンと位相差をもって 往復運動するディスプレーザと、 前記ディスプレーサを間に挟むように前 記シリンダ内に区画形成される膨張室および圧縮室と、 前記膨張室の温度 を検出する第 1の温度検出手段と、 前記圧縮室の温度を検出する第 2の温 度検出手段と、 前記ビス トンの駆動に用いられる入力電流を検出する入力 電流検出手段と、 前記第 1および第 2の温度検出手段によって検出された 温度と、前記入力電流検出手段によって検出された入力電流とに基づいて、 前記ビストンおよび前記ディスプレーザの少なくとも一方の衝突危険性を 検知する検知手段とを備えたことを特徴とするスターリング機関。
. 前記温度検出手段および入力電流検出手段により検出された温度および 入力電流が、 前記検知手段によって予め定めた基準値未満と判定されだ場 合には、 前記駆動手段に供給する入力電流を増加させ、 予め定めた基準値 以上と判定された場合には、 それ以上入力電流を増加させない電流制御手 段を備えたことを特徴とする請求項 1に記載のスターリング機関。
. シリンダ内に嵌装され、 駆動手段に駆動されて往復動するピス トンと、 前 記シリンダ内に嵌装され、 前記ビストンと位相差をもって往復動するディ スプレーサと、 前記ビス トンおよびディスプレーザの間に区面形成された 圧縮室と、 前記デ'イスプレーサを挟んで前記圧縮室と反対側に位置する膨 張室と、 前記駆動手段に電力を供給するインバ一タ電源回路と、 前記ディ スプレーザが、 前記ビストンおよび前記シリンダの閉塞端のいずれかに衝 突する衝突危険性を検知する衝突危険性検知手段と、 前記衝突危険性検知 手段によって検知された情報をもとに、 前記ィンバ一タ電源回路から前記 駆動手段へと供給される電力を制御するインバータ電源回路制御手段とを 備えたことを特徴とするスターリング機関。
. 前記衝突危険性検知手段が、 前記インバータ電源回路へと入力される電力 の電圧を検知する電源電圧検知手段であることを特徴とする請求項 3に記 載のスターリング機関。
前記電源電圧検知手段が、 コンパレータによって構成されていることを特 徴とする請求項 4に記載のスターリング機関。
前記電源電圧検知手段が、 アナログアンプによって構成されていることを 特徴とする請求項 4に記載のスターリング機関。
前記衝突危険性検知手段が、 前記膨張室内の温度を検出する第 1の温度検 出手段と、 前記圧縮室内の温度を検出する第 2の温度検出手段とであるこ とを特徴とする請求項 3〜 6のいずれかに記載のスタ一リング機関。 前記衝突危険性検知手段が、 前記ピス トンを挟んで前記圧縮室と反対側に 位置する背圧室内の温度を検出する温度検出手段であることを特徴とする 請求項 3〜 6のいずれかに記載のスターリング機関。
前記シリンダを保持固定するケーシングと、 前記ケーシングに取付けられ 前記ビストンおよびディスプレーサの往復動によって生ずる前記ケーシン グの振動を吸収するバランスマスと、 前記バランスマスの振動を検出する バランスマス振動検出手段とをさらに備え、 前記衝突危険性検知手段が、 前記バランスマス振動検出手段であることを特徴とする請求項 3に記載の スターリ ング機関。
. 前記バランスマス振動検出手段が、 前記バランスマスの中心位置か らの振幅を検出する光センサであることを特徴とする請求項 9に記載のス ターリング機関。
. 前記バランスマス振動検出手段が、 前記バランスマスと接触するこ とによりその位置を検出する接触センサであることを特徴とする請求項 9 に記載のスターリング機関。
. 作動ガスを封入したシリンダ内を往復運動するビストン及びディ スプレーザと、 前記ビス トンを移動させるリニァモータとを具備してなる フリ一ビス トン型のスターリ ング機関において、 ビス トンのス トロ一クを 検知するス トローク検知手段と、 該ス トロ一ク検知手段にて検知したス 卜 ロークを目標ス トロークと比較してビス トンのス トロークが目標ストロー クになるよう、 前記リニアモータを駆動制御する制御手段とを備えたこと を特徴とするスターリング機関。
. 作動ガスを封入したシリンダ内を往復運動するビス トン及びディ スプレーザと、 前記ビス トンを移動させるリニアモータとを具備してなる フリ一ビス トン型のスターリ ング機関において、 スターリ ング機関の運転 状況に対応したビス トンの目標ス トロ一クを動作テ一ブルとして記憶し、 該動作テーブルに基づいて前記リニアモータを駆動制御する制御手段を備 えたことを特徴とするスターリング機関。
. 前記制御手段は、 冷凍機の運転状況に対応したピス トンの目標ス ト ロークを動作テーブルとして記憶し、 該動作テーブルに基づいて前記リニ ァモータを駆動制御することを特徴とする請求項 1 2に記載のスターリン グ機関。
. 前記目標ス トロークがスターリング機関の低温側と高温側の温度 の関数式により算出されて設定されることを特徴とする請求項 1 2に記載 のスターリ ング機関。
. 前記ス トローク検知手段によるピス トンのス トローク検知は、 リニ ァモータへの印加電圧 V t、 リニアモータの消費電流 I、 リニアモータの インダクタンスし、 リニアモータの抵抗成分 R、 前記印加電圧 V t と消費 電流 I との位相差 0から逆起電力 V gを演算式 V g = V t - R I c o s Θ - L s i n Θ · d l Z d tにより求め、 逆起電力 V gがピス トンのス ト口 ーク X pの関数であることから、 ス トローク X pを演算により求める請求 項 1 2に記載のスターリング機関。
. スターリング機関の負荷が軽いとき、 前記位相差 0 ^ 0 と近似し、 リニァモータの抵抗成分 Rを位相差 0の関数として上記演算式を V g = V t一 R ( θ ) I と簡素化することを特徴とする請求項 1 6に記載のスター リ ング機関。
. 前記位相差 0を、 スターリング機関の低温側と高温側の温度の関数 として演算により求めることを特徴とする請求項 1 7に記載のスターリン グ機関。
. ' 前記動作テーブルは、 スターリング機関の起動開始からの経過時間 を変数とする 1次元テーブルであることを特徴とする請求項 1 3又は 1 4 に記載のスターリング機関。
. 前記動作テーブルは、 スターリング機関の低温側と高温側の温度を 変数とする 2次元テーブルであることを特徴とする請求項 1 3又は 1 4に 記載のスターリング機関。
. 前記動作テーブルは、 スターリング機関の起動開始からの経過時間 を変数とする 1次元テ一ブルと、 スターリング機関の低温側と高温側の温 度を変数とする 2次元テーブルとの 2つのテーブルから成り、 スターリン グ機関の運転状態に応じて一方を選択することを特徴とする請求項 1 3又 は 1 4に記載のスターリング機関。
. 前記ビス トンと前記ディスプレーサの衝突を検知する衝突検知手 段を設け、 該衝突検知手段が衝突を検知すると前記制御手段は前記リニア モータの駆動電圧を所定値低下させることを特徴とする請求項 1 2に記載 のスターリ ング機関。
. 前記衝突検知手段による衝突検知は、 リニアモータへの印加電圧を 所定値上昇させたとき、 リユアモータの消費電流が所定値を越えたことを 検知して求める請求項 2 2に記載のスターリング機関。
. 前記衝突検知手段による衝突検知は、 リニアモータへの印加電圧を 一定にしたとき、 リニァモータの消費電流の変動値が所定値を越えたこと を検知して求める請求項 2 2に記載のスターリング機関。
. 前記制御手段が低下させる前記リニアモータの駆動電圧の所定値 は、 スターリング機関の低温側と高温側の温度の関数式により算出されて 設定されることを特徴とする請求項 2 2〜2 5のいずれかに記載のスター リング機関。
. 衝突を検知してから所定時間が経過した後に、 目標ス トロークに基 づいたリニァモータの駆動制御に復帰することを特徴とする請求項 2 2〜 2 5のいずれかに記載のスターリ ング機関。
. 前記ビス トンとディスプレーザの間隔に対応したビス トンの目標 ス トロークの補正データテーブルを記憶し、 冷凍機個々の前記間隔に基づ いて目標ス トロークを前記補正データテーブルにより補正することを特徵 とする請求項 1 2〜 1 5のいずれかに記載のスターリング機関。
. スターリング機関の入力電圧又はリニアモータの消費電流に対応した ビス トンの目標ス トロ一ク補正データを記憶し、前記入力電圧又は前記消费電 流の変動に基づいて目標ス トロ一クを前記補正データにより補正することを 特徴とする請求項 1 2〜 1 5のいずれかに記載のスターリング機関。
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