WO2006035540A1 - Ac power generator and stirling refrigerator employing the same - Google Patents

Ac power generator and stirling refrigerator employing the same Download PDF

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WO2006035540A1
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Takashi Komori
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Sharp Kabushiki Kaisha
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/06Linear motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53873Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with digital control
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

Definitions

  • the present invention relates to an AC power generation device that outputs single-phase AC power and a Stirling refrigerator using the AC power generation device.
  • An AC power generator is a variable voltage that can change both the voltage and frequency of the output AC waveform by controlling the duty ratio of the switching element (the ratio of the ON period to one carrier cycle).
  • a variable frequency (WVF) circuit that is, an inverter circuit is used.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application No. 11-187654
  • the conventional AC power generation device described above is based on the assumption that the DC voltage input to the inverter circuit is always constant during one cycle of the AC waveform.
  • the duty ratio of the pulse has been determined.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an inverter circuit card or the like even when the input DC voltage fluctuates during one cycle of the AC voltage.
  • AC power generator that produces an ideal sine curve with output AC voltage waveform
  • V is to provide a Stirling refrigerator.
  • the AC power generation device of the present invention is an inverter circuit that converts DC power into AC power. And a voltage measurement circuit for measuring the voltage of the DC power and a microcomputer for inputting a voltage signal for specifying the measured voltage and controlling the inverter circuit by PWM (Pulse Width Modulation) using the voltage signal. ing.
  • the microcomputer also adjusts the duty ratio for each carrier period in PWM control so that the waveform of the AC power becomes a sine curve when the voltage signal fluctuates.
  • the waveform of the AC power output from the AC power generation device can be brought close to an ideal sine curve.
  • a Stirling refrigerator of the present invention includes a linear motor that includes the above-described AC power generation device and a coil to which AC power is supplied, and uses a magnetic force generated around the coil, and a piston that reciprocates by the linear motor. And a displacer that reciprocates due to pressure fluctuation caused by the reciprocating motion of the piston.
  • the AC power generation device outputs the AC voltage applied to the linear motor so that the waveform of the AC voltage does not become a distorted waveform different from the sine curve. Adjust the AC power voltage waveform. Therefore, the vibration of the Stirling refrigerator caused by the reciprocating motion of the piston and the displacer can be reduced.
  • the waveform of the AC voltage output from the AC power generation device draws an ideal sine curve.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of an AC power generation device used in Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a block diagram of a microcomputer used in the AC power generation device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the ONZOFF operation of the U-phase transistor of Embodiment 1 and the set value of the up-Z down timer.
  • FIG. 4 ONZOFF operation and up-Z down timer of V-phase transistor of Embodiment 1 It is a figure which shows the relationship with a setting value.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a U-phase voltage pulse and a V-phase voltage pulse.
  • FIG. 6 is a flowchart for explaining an AC power shaping process of the embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the Stirling refrigerator of the embodiment.
  • the AC power generation device of the present embodiment has an inverter circuit 100.
  • the inverter circuit 100 has four switching elements and is connected to a linear motor M housed in the Stirling refrigerator 40, for example, in the manner shown in FIG.
  • the four switching elements are transistors Gu, Gx, Gv, and Gy, each with a flywheel diode connected between the source and drain electrodes
  • the transistor Gu and the transistor Gx are connected in series, and the transistor Gv and the transistor Gy are connected in series.
  • the linear motor M has one terminal connected to a node between the transistor Gu and the transistor Gx, and the other terminal connected to a node between the transistor Gv and the transistor Gy.
  • a smoothing capacitor C is provided in parallel with the inverter circuit 100.
  • a rectifier D is provided in parallel to the smoothing capacitor C.
  • an AC power supply G is provided in parallel with the rectifier D.
  • a capacitor CC for stabilizing the potential of the inverter circuit 100 is provided. Further, between the capacitor C and the capacitor CC and the inverter circuit 100, a resistor R and a resistor R are provided in parallel to the capacitors C and CC. Resistance
  • Capacitor CCC is connected in parallel.
  • Capacitor CCC consists of resistor R and resistor R Is to stabilize the potential of the node between the two.
  • a node between the resistor R and the resistor R is a voltage sensor of the microcomputer 1000.
  • the micro computer 1000 Detected by the mouth computer 1000. Using the potential value, the micro computer 1000 detects the value of the DC voltage input to the inverter circuit 100. In short, a voltage signal specifying the voltage of DC power input to the inverter circuit 100 is input to the voltage sensor.
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining the configuration of a microcomputer 1000 for controlling a single-phase linear motor in which one PWM inverter control timer (one channel) is built.
  • the microcomputer 1000 of the AC power generation device includes a clock circuit as an oscillator, a CPU (Central Processing Unit) as a calculation means, and a rewritable storage means.
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • the RAM is a storage means for temporarily storing the results of the operation performed by the CPU in accordance with the program stored in the ROM, and may include temporary storage means such as a register. Furthermore, the clock is used to form a clock pulse that is a basis for operating a timer described later using a signal transmitted from the oscillator.
  • the microcomputer 1000 is provided with two registers corresponding to the two phases of the up-Z down timer 1! /, Respectively. This register determines the setting value described later. This setting value determines the amplitude and frequency of the signal wave (sin wave) in PWM control. In addition, the setting value is determined by the microcomputer 1000 when the duty ratio of the peak voltage pulse constituting the target AC waveform, that is, the maximum voltage value of the AC voltage and the frequency of the target AC waveform are input. Calculated automatically.
  • the above-described ROM in the ROM is set so that the phase angle difference between the U phase and the V phase is 180 degrees. Is set.
  • the PWM control signal output from the U-phase control circuit is sent to the gate electrodes of transistors Gu and Gx.
  • the PWM control signal output from the V-phase control circuit is sent to the gate electrodes of transistors Gv and Gy.
  • the up / down timer 1 is set to the set values SI, S2, ...
  • a PWM control signal is automatically output from microcomputer 1 000 to U-phase transistors Gu and Gx, and after transistor Gx is turned off, transistor Gu is turned on. Thereafter, the transistor Gu is automatically turned OFF a predetermined time before the ON timing of the transistor Gx.
  • the microcomputer 1000 automatically outputs a PWM control signal to the U-phase transistor Gx. As a result, the transistor Gx is turned ON.
  • the transistor Gv is always OFF and the transistor Gy is always ON.
  • the up / down timer 1 is set to the set value during the count-up ... Sn-1, Sn respectively
  • the PWM control signal is automatically output from the microcomputer 1000 to the V-phase transistors Gv and Gy, and after the transistor Gy is turned off, the transistor Gv is turned on. Thereafter, the transistor Gv is automatically turned OFF a predetermined time before the ON timing of the transistor Gy.
  • the microcomputer 1000 automatically outputs a PWM control signal to the V-phase transistor Gy. As a result, the transistor Gy is turned ON.
  • the set value of each register of up Z down timer 1 is changed for each carrier period.
  • the set values SI, S2, 1 and Sn for each carrier period of up Z down timer 1 in Figs. 3 and 4 are the width of the voltage pulse W
  • W2 to Wn-l, Wn changes sequentially as a graph showing the relationship between time and Wn draws a sine wave.
  • a waveform is formed only by the transistors Gu and Gy.
  • a waveform is formed only by transistors Gv and Gx, and in the entire cycle, as shown in Fig. 5 (c), the waveform of the U phase described above is formed.
  • the V and V phase waveforms are output alternately with a 180 ° phase shift.
  • Voltage signal power that specifies the voltage of the signal, that is, the DC power input to the inverter circuit 100. After being acquired by the voltage sensor shown in FIG. It is stored in RAM.
  • the voltage command value V (t) of the next voltage pulse that has been previously determined and stored in the RAM, and the value of the frequency f of the AC waveform are read out from the RAM force.
  • the voltage command value V (t) of the next voltage pulse is a value determined based on the maximum effective voltage of the AC waveform input to the microcomputer 1000 by the user. This value indicates the magnitude of the voltage applied to the linear motor by the voltage pulse.
  • the next set value S (t) is calculated using the duty ratio D (t) and the maximum value Sp of the set value, that is, the maximum value of the up / down timer 1 shown in FIGS. decide.
  • the maximum value Sp of the set value is the peak value of the PWM control carrier wave, and is a predetermined value.
  • the set value S (t) is used to output a PWM control signal to each transistor as described with reference to FIGS.
  • the voltage pulse of the immediately following carrier cycle corresponding to the fluctuation of the DC voltage that is, the input voltage Vdc (t) to the inverter circuit 100.
  • the process of correcting the duty ratio D (t) is executed every carrier period.
  • the duty ratio D (t) of the voltage pulse is corrected so that the AC waveform draws an ideal sine curve. Therefore, according to the AC power generation device of the present embodiment as described above, an ideal sine curve is obtained. AC power to draw is generated.
  • S8 it is determined whether or not the force has ended one carrier cycle.
  • S8 if one carrier cycle is not completed, the power carrier that repeats the process in S8 is repeated. If one carrier cycle completes, the process in S9 is executed.
  • the piston reciprocates by the linear motor, and thereby the displacer reciprocates.
  • one end of each of the piston and the displacer is fixed to the panel. Therefore, if the waveform of the AC voltage applied to the linear motor M deviates from the ideal sine curve, the Stirling refrigerator vibration due to the reciprocating motion of the piston and the displacer may increase. If the AC power generation device described above is used, the waveform of the AC voltage applied to the linear motor is likely to be an ideal sine curve. Therefore, the AC power generation device described above is very suitable for controlling the Stirling refrigerator 40.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the Stirling refrigerator 40 of the embodiment.
  • a cylindrical piston 1 and a displacer 2 are fitted in a cylindrical cylinder 3 composed of two parts.
  • the piston 1 and the displacer 2 are provided via a compression space 9 and have an axis Y as a common drive shaft.
  • An expansion space 10 is formed on the distal end side of the displacer 2.
  • the compression space 9 and the expansion space 10 communicate with each other via a medium flow passage 11 through which a working medium such as helium flows.
  • a regenerator 12 is provided in the medium flow passage 11. The regenerator 12 accumulates the heat of the working medium and supplies the accumulated heat to the working medium.
  • a flange 3a is provided in the middle of the cylinder 3.
  • a dome-shaped pressure vessel 4 must be attached to the collar 3a
  • a bounce space (rear space) 8 sealed by is formed.
  • the piston 1 is integrated with the support panel 5 on the rear end side.
  • the displacer 2 is integrated with the support panel 6 through a rod 2a passing through the center hole la of the piston 1.
  • the support panel 5 and the support panel 6 are connected by bolts and nuts 22.
  • the displacer 2 reciprocates in a state having a predetermined phase difference with respect to the piston 1 due to the inertial force generated between the piston 1 and the displacer 2.
  • An inner yoke 18 is fitted on the outer side of the cylinder 3 in the bounce space 8.
  • the outer yoke 17 is opposed to the inner yoke 18 through the gap 19.
  • a drive coil 16 is fitted inside the outer yoke 17.
  • An annular permanent magnet 15 is movably provided in the gap 19.
  • the permanent magnet 15 is integrated with the piston 1 through a cup-shaped sleeve 14.
  • the inner yoke 18, the outer yoke 17, the drive coil 16, and the permanent magnet 15 constitute a linear motor 13 (M) that moves the piston 1 along the axis Y.
  • Lead wires 20 and 21 are connected to the drive coil 16.
  • the lead wires 20 and 21 pass through the wall surface of the pressure vessel 4 and are connected to the inverter circuit 100 of the AC power generation device.
  • Drive power is supplied to the linear motor 13 (M) by the IPM 200 of the AC power generator.
  • the piston 1 is driven by the linear motor 13.
  • the piston 1 is supported on the support panel 5 by inertia. Therefore, piston 1 moves so that the relationship between its position and time draws a sine wave.
  • the working gas in the compression space 9 moves so that the relationship between the pressure and time draws a sine wave.
  • the working gas compressed in the compression space 9 first releases heat from the compression space 9 as a heat exchange part for heat dissipation.
  • the compressed working gas is cooled by a regenerator 12 provided around the displacer 2. Thereafter, the compressed working gas flows from the regenerator 12 into the expansion space 10 as a heat exchange part for heat absorption.
  • the working gas in the expansion space 10 is expanded by the movement of the displacer 2.
  • the temperature of the expanded working gas decreases.
  • the working gas in the expansion space 10 moves so that the relationship between its pressure and time draws a sine wave.
  • the sine wave indicating the relationship between the pressure of the working gas in the expansion space 10 and time is a waveform having a predetermined phase difference from the sine wave indicating the relationship between the pressure of the working gas in the compression space 9 and time.
  • the waveform changes with the same period.
  • the displacer 2 reciprocates with a predetermined phase difference with respect to the piston 1.
  • the refrigeration capacity in the expansion space 10 is determined by the degree of fluctuation in the pressure of the working gas in the expansion space 10 caused by the reciprocating motion of the displacer 2. Further, the pressure in the expansion space 10 is a relative change between the displacer 2 and the piston 1 caused by the change between the phase of the piston 1 and the phase of the displacer 2, that is, the difference between the pressure in the expansion space 10 and the pressure in the compression space 9. Fluctuates depending on the position
  • the relative positional relationship between the displacer 2 and the piston 1 is determined by the mass of the displacer 2, the panel constant of the support panel 6, and the frequency of the piston 1.
  • the mass of the displacer 2 and the panel constant of the support panel 6 are determined at the time of design.
  • the PWM control signal output from the microcomputer 1000 to the inverter circuit 100 is a digital signal, that is, a pulse waveform.
  • This pulse waveform is converted into an analog signal, that is, a sine wave in the inverter circuit 100.
  • the frequency of this sine wave becomes the frequency of piston 1 of Stirling refrigerator 40.
  • PWM is used as described above when converting a digital signal into an analog signal. In other words, multiple pulses that are sequentially output from the microcomputer 100 gradually change from a small force to a large force, and after reaching the peak width, gradually return to a smaller one. Has been. Thereby, an AC waveform is generated.

Abstract

In accordance with variation in a DC voltage, i.e. an input voltage Vdc(t) to an inverter circuit, the duty ratio D(t) of a voltage pulse in the carrier period immediately after is modified. More specifically, processing for correcting the duty ratio D(t) is carried out for every one carrier period. Consequently, the duty ratio D(t) of the voltage pulse is corrected so that the AC waveform draws an ideal sine curve even if the input voltage Vdc(t) is varied. Thus, it is possible to obtain an AC power generator capable of supplying stable AC power.

Description

明 細 書  Specification
交流電力生成装置およびそれが用いられたスターリング冷凍機 技術分野  AC power generation device and Stirling refrigerator using the same
[0001] 本発明は、単相交流電力を出力する交流電力生成装置およびそれが用いられた スターリング冷凍機に関するものである。  TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an AC power generation device that outputs single-phase AC power and a Stirling refrigerator using the AC power generation device.
背景技術  Background art
[0002] 従来より、直流電力を交流電力に変換する交流電力生成装置が用いられている。  Conventionally, an AC power generation device that converts DC power into AC power has been used.
交流電力生成装置としては、スイッチング素子のデューティ比(1キャリア周期に対す る ON期間の比率)を制御することによって、出力される交流波形の電圧および周波 数の双方を変更することができる可変電圧可変周波数 (WVF : Variable Voltage Variable Frequency)回路、すなわちインバータ回路が使用されている。  An AC power generator is a variable voltage that can change both the voltage and frequency of the output AC waveform by controlling the duty ratio of the switching element (the ratio of the ON period to one carrier cycle). A variable frequency (WVF) circuit, that is, an inverter circuit is used.
特許文献 1:特願平 11― 187654号公報  Patent Document 1: Japanese Patent Application No. 11-187654
発明の開示  Disclosure of the invention
発明が解決しょうとする課題  Problems to be solved by the invention
[0003] 上記従来の交流電力生成装置は、交流波形 1周期の間において、常に、インバー タ回路に入力される直流電圧が一定であるという仮定に基づいて、交流電圧の波形 を構成する各電圧パルスのデューティ比が決定されている。 [0003] The conventional AC power generation device described above is based on the assumption that the DC voltage input to the inverter circuit is always constant during one cycle of the AC waveform. The duty ratio of the pulse has been determined.
[0004] し力しながら、交流電圧の 1周期の間に、インバータ回路へ入力される直流電圧が 変動する場合には、前述のデューティ比を用いてインバータ回路を構成するスィッチ ング素子を制御すると、インバータ回路力 出力される交流電圧の波形は、理想的な 交流電圧の波形とは異なるものとなる。 [0004] However, if the DC voltage input to the inverter circuit fluctuates during one cycle of the AC voltage, the switching elements constituting the inverter circuit are controlled using the above-described duty ratio. Inverter circuit force The output AC voltage waveform is different from the ideal AC voltage waveform.
[0005] 本発明は、前述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、交流電圧の 1周 期の間に、入力される直流電圧が変動する場合にも、インバータ回路カゝら出力される 交流電圧の波形が理想的なサインカーブを描く交流電力生成装置およびそれが用[0005] The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an inverter circuit card or the like even when the input DC voltage fluctuates during one cycle of the AC voltage. AC power generator that produces an ideal sine curve with output AC voltage waveform and
V、られたスターリング冷凍機を提供することである。 V, is to provide a Stirling refrigerator.
課題を解決するための手段  Means for solving the problem
[0006] 本発明の交流電力生成装置は、直流電力を交流電力へ変換するインバータ回路 と、直流電力の電圧を測定する電圧測定回路と、測定された電圧を特定する電圧信 号が入力され、電圧信号を用いてインバータ回路を PWM (Pulse Width Modulatio n)制御するマイクロコンピュータとを備えている。また、マイクロコンピュータは、電圧 信号が変動した場合にも交流電力の波形がサインカーブになるように、 PWM制御に おいて、 1キャリア周期ごとに、デューティ比を調整する。 [0006] The AC power generation device of the present invention is an inverter circuit that converts DC power into AC power. And a voltage measurement circuit for measuring the voltage of the DC power and a microcomputer for inputting a voltage signal for specifying the measured voltage and controlling the inverter circuit by PWM (Pulse Width Modulation) using the voltage signal. ing. The microcomputer also adjusts the duty ratio for each carrier period in PWM control so that the waveform of the AC power becomes a sine curve when the voltage signal fluctuates.
[0007] 上記の構成によれば、交流電力生成装置から出力される交流電力の波形を理想 的なサインカーブに近づけることができる。  [0007] According to the above configuration, the waveform of the AC power output from the AC power generation device can be brought close to an ideal sine curve.
[0008] 本発明のスターリング冷凍機は、前述の交流電力生成装置と交流電力が供給され るコイルとを有しそのコイルの周囲に生じる磁力を用いるリニアモータと、リニアモータ によって往復運動するピストンと、ピストンの往復運動に起因する圧力変動によって 往復運動するディスプレーサとを備えて 、る。  [0008] A Stirling refrigerator of the present invention includes a linear motor that includes the above-described AC power generation device and a coil to which AC power is supplied, and uses a magnetic force generated around the coil, and a piston that reciprocates by the linear motor. And a displacer that reciprocates due to pressure fluctuation caused by the reciprocating motion of the piston.
[0009] 上記のスターリング冷凍機によれば、交流電力生成装置は、リニアモータに印加さ れる交流電圧の波形がサインカーブとは異なる歪な波形になることがな 、ように、自 らが出力する交流電力の電圧波形を調整する。したがって、ピストンとディスプレーサ の往復運動に起因するスターリング冷凍機の振動を低減することができる。 [0009] According to the above Stirling refrigerator, the AC power generation device outputs the AC voltage applied to the linear motor so that the waveform of the AC voltage does not become a distorted waveform different from the sine curve. Adjust the AC power voltage waveform. Therefore, the vibration of the Stirling refrigerator caused by the reciprocating motion of the piston and the displacer can be reduced.
発明の効果  The invention's effect
[0010] 本発明によれば、交流電力生成装置力 出力される交流電圧の波形が理想的な サインカーブを描く。  [0010] According to the present invention, the waveform of the AC voltage output from the AC power generation device draws an ideal sine curve.
[0011] この発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連し て理解されるこの発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。  [0011] The above and other objects, features, aspects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention which is understood in conjunction with the accompanying drawings.
図面の簡単な説明  Brief Description of Drawings
[0012] [図 1]実施の形態 1で用いられる交流電力生成装置の構成を説明するための図であ る。  FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of an AC power generation device used in Embodiment 1.
[図 2]実施の形態 1の交流電力生成装置において用いられるマイクロコンピュータの ブロック図である。  FIG. 2 is a block diagram of a microcomputer used in the AC power generation device according to the first embodiment.
[図 3]実施の形態 1の U相のトランジスタの ONZOFF動作とアップ Zダウンタイマの 設定値との関係を示す図である。  FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the ONZOFF operation of the U-phase transistor of Embodiment 1 and the set value of the up-Z down timer.
[図 4]実施の形態 1の V相のトランジスタの ONZOFF動作とアップ Zダウンタイマの 設定値との関係を示す図である。 [Fig. 4] ONZOFF operation and up-Z down timer of V-phase transistor of Embodiment 1 It is a figure which shows the relationship with a setting value.
[図 5]U相の電圧パルスと V相の電圧パルスとを説明するための図である。  FIG. 5 is a diagram for explaining a U-phase voltage pulse and a V-phase voltage pulse.
[図 6]実施の形態の交流電力整形処理を説明するためのフローチャートである。  FIG. 6 is a flowchart for explaining an AC power shaping process of the embodiment.
[図 7]実施の形態のスターリング冷凍機の構造を示す断面図である。  FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the Stirling refrigerator of the embodiment.
符号の説明  Explanation of symbols
[0013] 40 スターリング冷凍機、 100 インバータ回路、 1000 マイクロコンピュータ。  [0013] 40 Stirling refrigerator, 100 inverter circuit, 1000 microcomputer.
発明を実施するための最良の形態  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0014] まず、図 1〜図 7を用いて、実施の形態の交流電力生成装置およびそれが用いら れたスターリング冷凍機を説明する。  [0014] First, an AC power generation device according to an embodiment and a Stirling refrigerator using the AC power generation device will be described with reference to FIGS.
[0015] 図 1に示すように、本実施の形態の交流電力生成装置は、インバータ回路 100を有 している。インバータ回路 100は、 4つのスイッチング素子を有し、図 1に示すような態 様で、たとえば、スターリング冷凍機 40に内装されたリニアモータ Mに接続されてい る。 4つのスイッチング素子は、トランジスタ Gu、 Gx、 Gv、および Gyであり、それぞれ には、ソース電極とドレイン電極との間にフライホイールダイオードが接続されている  As shown in FIG. 1, the AC power generation device of the present embodiment has an inverter circuit 100. The inverter circuit 100 has four switching elements and is connected to a linear motor M housed in the Stirling refrigerator 40, for example, in the manner shown in FIG. The four switching elements are transistors Gu, Gx, Gv, and Gy, each with a flywheel diode connected between the source and drain electrodes
[0016] 図 1から分力るように、トランジスタ Guとトランジスタ Gxとは直列に接続されていると ともに、トランジスタ Gvとトランジスタ Gyとは直列に接続されている。また、リニアモー タ Mは、一方の端子がトランジスタ Guとトランジスタ Gxとの間のノードに接続され、か つ、他方の端子がトランジスタ Gvとトランジスタ Gyとの間のノードに接続されている。 As shown in FIG. 1, the transistor Gu and the transistor Gx are connected in series, and the transistor Gv and the transistor Gy are connected in series. The linear motor M has one terminal connected to a node between the transistor Gu and the transistor Gx, and the other terminal connected to a node between the transistor Gv and the transistor Gy.
[0017] また、インバータ回路 100に対して並列に平滑コンデンサ Cが設けられている。この 平滑コンデンサ Cに対して並列に整流器 Dが設けられている。さらに、整流器 Dに対 して並列に交流電源 Gが設けられて 、る。  In addition, a smoothing capacitor C is provided in parallel with the inverter circuit 100. A rectifier D is provided in parallel to the smoothing capacitor C. Further, an AC power supply G is provided in parallel with the rectifier D.
[0018] また、インバータ回路 100の電位を安定させるためのコンデンサ CCが設けられてい る。また、コンデンサ Cおよびコンデンサ CCとインバータ回路 100との間には、コンデ ンサ Cおよび CCに対して並列に抵抗器 Rおよび抵抗器 Rが設けられている。抵抗  [0018] Further, a capacitor CC for stabilizing the potential of the inverter circuit 100 is provided. Further, between the capacitor C and the capacitor CC and the inverter circuit 100, a resistor R and a resistor R are provided in parallel to the capacitors C and CC. Resistance
1 2  1 2
器 Rおよび抵抗器 Rは、直列に接続されており、インバータ回路 100の 2つの入力 R and resistor R are connected in series, and the two inputs of inverter circuit 100
1 2 1 2
端子同士の間の電圧を分圧する分圧回路として機能する。また、抵抗器 Rに対して  It functions as a voltage dividing circuit that divides the voltage between the terminals. Also, for resistor R
2 並列にコンデンサ CCCが接続されている。コンデンサ CCCは、抵抗器 Rと抵抗器 R との間のノードの電位を安定させるためのものである。 2 Capacitor CCC is connected in parallel. Capacitor CCC consists of resistor R and resistor R Is to stabilize the potential of the node between the two.
2  2
[0019] また、抵抗器 Rと抵抗器 Rとの間のノードは、マイクロコンピュータ 1000の電圧セ  In addition, a node between the resistor R and the resistor R is a voltage sensor of the microcomputer 1000.
1 2  1 2
ンサに接続されている。したがって、抵抗器 Rと抵抗器 Rとの間のノードの電位がマ  Connected to the sensor. Therefore, the potential of the node between resistor R and resistor R is
1 2  1 2
イク口コンピュータ 1000によって検知される。その電位の値を用いて、マイクロコンビ ユータ 1000は、インバータ回路 100に入力される直流電圧の値を検出する。要する に、インバータ回路 100へ入力される直流電力の電圧を特定する電圧信号が電圧セ ンサに入力される。  Detected by the mouth computer 1000. Using the potential value, the micro computer 1000 detects the value of the DC voltage input to the inverter circuit 100. In short, a voltage signal specifying the voltage of DC power input to the inverter circuit 100 is input to the voltage sensor.
[0020] 図 2は、 PWMインバータ制御用のタイマが 1つ(1チャンネル)内蔵された単相リニ ァモータ制御用のマイクロコンピュータ 1000の構成を説明するためのブロック図であ る。  FIG. 2 is a block diagram for explaining the configuration of a microcomputer 1000 for controlling a single-phase linear motor in which one PWM inverter control timer (one channel) is built.
[0021] 図 2に示すように、本実施の形態の交流電力生成装置のマイクロコンピュータ 1000 は、発振器としてのクロック回路と、演算手段としての CPU (Central Processing Uni t)と、書替え可能な記憶手段としての RAM (Random Access Memory)と、読出専 用の ROM (Read Only Memory)とを備えている。 ROMには、 4つのスイッチング素 子としてのトランジスタを制御するためのプログラムが格納されている。  As shown in FIG. 2, the microcomputer 1000 of the AC power generation device according to the present embodiment includes a clock circuit as an oscillator, a CPU (Central Processing Unit) as a calculation means, and a rewritable storage means. RAM (Random Access Memory) and read-only ROM (Read Only Memory). The ROM stores a program for controlling the transistors as the four switching elements.
[0022] また、 RAMは、 ROMに格納されたプログラムに従って CPUで行なわれた演算結 果を一時的に記憶するための記憶手段であり、レジスタなどの一時記憶手段も含ま れていてもよい。さらに、クロックは、発振器から送信されてきた信号を用いて、後述 するタイマを動作させるための基本となるクロックパルスを形成するためのものである  [0022] The RAM is a storage means for temporarily storing the results of the operation performed by the CPU in accordance with the program stored in the ROM, and may include temporary storage means such as a register. Furthermore, the clock is used to form a clock pulse that is a basis for operating a timer described later using a signal transmitted from the oscillator.
[0023] また、マイクロコンピュータ 1000には、アップ Zダウンタイマ 1の 2つの相それぞれ に対応した 2つのレジスタが設けられて!/、る。このレジスタによって後述する設定値が 決定される。この設定値は、 PWM制御における信号波(sin波)の振幅および周波数 を決定するものである。また、設定値は、目標とする交流波形を構成するピーク時の 電圧パルスのデューティ比、すなわち交流電圧の最大電圧値、および、目標とする 交流波形の周波数が入力されれば、マイクロコンピュータ 1000によって自動的に算 出される。 [0023] In addition, the microcomputer 1000 is provided with two registers corresponding to the two phases of the up-Z down timer 1! /, Respectively. This register determines the setting value described later. This setting value determines the amplitude and frequency of the signal wave (sin wave) in PWM control. In addition, the setting value is determined by the microcomputer 1000 when the duty ratio of the peak voltage pulse constituting the target AC waveform, that is, the maximum voltage value of the AC voltage and the frequency of the target AC waveform are input. Calculated automatically.
[0024] また、 U相と V相との位相角の差は、 180度となるように、前述の ROM内のプロダラ ムが設定されている。 U相コントロール回路から出力された PWM制御信号は、トラン ジスタ Guおよび Gxのそれぞれのゲート電極に送信される。また、 V相コントロール回 路から出力された PWM制御信号は、トランジスタ Gvおよび Gyのそれぞれのゲート 電極に送信される。 [0024] In addition, the above-described ROM in the ROM is set so that the phase angle difference between the U phase and the V phase is 180 degrees. Is set. The PWM control signal output from the U-phase control circuit is sent to the gate electrodes of transistors Gu and Gx. The PWM control signal output from the V-phase control circuit is sent to the gate electrodes of transistors Gv and Gy.
[0025] 次に、図 3および図 4を用いて、本実施の形態の交流電力生成装置におけるトラン ジスタ Gu, Gx, Gv,および Gyのそれぞれのキャリア周期ごとの開閉動作のタイミン グを説明する。  Next, the timing of the opening / closing operation for each carrier period of the transistors Gu, Gx, Gv, and Gy in the AC power generation device of the present embodiment will be described using FIG. 3 and FIG. .
[0026] 図 3に示す U相の設定値に基づいて U相コントロールが PWM信号を出力している 期間においては、カウントアップ中にアップ Zダウンタイマ 1が設定値 SI, S2,…の それぞれの値になると、 U相のトランジスタ Guおよび Gxには、マイクロコンピュータ 1 000から自動的に PWM制御信号が出力され、トランジスタ Gxが OFFになった後、ト ランジスタ Guは ONする。その後、トランジスタ Guは、トランジスタ Gxの ONタイミング より所定時間前に、自動的に OFFする。また、カウントダウン中にアップ Zダウンタイ マ 1が設定値 SI, S2,…のそれぞれの値になると、 U相のトランジスタ Gxには、マイ クロコンピュータ 1000から自動的に PWM制御信号が出力される。それにより、トラン ジスタ Gxは ONする。  [0026] During the period in which the U-phase control outputs a PWM signal based on the U-phase set value shown in Fig. 3, the up / down timer 1 is set to the set values SI, S2, ... When the value is reached, a PWM control signal is automatically output from microcomputer 1 000 to U-phase transistors Gu and Gx, and after transistor Gx is turned off, transistor Gu is turned on. Thereafter, the transistor Gu is automatically turned OFF a predetermined time before the ON timing of the transistor Gx. When the up / down timer 1 reaches the set values SI, S2,... During the countdown, the microcomputer 1000 automatically outputs a PWM control signal to the U-phase transistor Gx. As a result, the transistor Gx is turned ON.
[0027] なお、本実施の形態の U相の PWM制御信号が出力されている図 3に示す期間に おいては、トランジスタ Gvは常に OFFしており、トランジスタ Gyは常に ONしている。  Note that in the period shown in FIG. 3 in which the U-phase PWM control signal of this embodiment is output, the transistor Gv is always OFF and the transistor Gy is always ON.
[0028] 図 4に示す V相の設定値に基づいて V相コントロールが PWM信号を出力している 期間においては、カウントアップ中にアップ/ダウンタイマ 1が設定値… Sn-1, Snの それぞれの値になると、 V相のトランジスタ Gvおよび Gyには、マイクロコンピュータ 10 00から自動的に PWM制御信号が出力され、トランジスタ Gyが OFFになった後、トラ ンジスタ Gvは ONする。その後、トランジスタ Gvは、トランジスタ Gyの ONタイミングよ り所定時間前に、自動的に OFFする。また、カウントダウン中にアップ Zダウンタイマ 1が設定値 Sn-1, Snのそれぞれの値になると、 V相のトランジスタ Gyには、マイクロ コンピュータ 1000から自動的に PWM制御信号が出力される。それにより、トランジス タ Gyは ONする。  [0028] Based on the V-phase setting value shown in Fig. 4, during the period when the V-phase control outputs the PWM signal, the up / down timer 1 is set to the set value during the count-up ... Sn-1, Sn respectively When the value becomes, the PWM control signal is automatically output from the microcomputer 1000 to the V-phase transistors Gv and Gy, and after the transistor Gy is turned off, the transistor Gv is turned on. Thereafter, the transistor Gv is automatically turned OFF a predetermined time before the ON timing of the transistor Gy. When the up Z down timer 1 reaches the set values Sn-1 and Sn during the countdown, the microcomputer 1000 automatically outputs a PWM control signal to the V-phase transistor Gy. As a result, the transistor Gy is turned ON.
[0029] なお、本実施の形態の V相の PWM制御信号が出力されている図 4に示す期間に おいては、トランジスタ Guは常に OFFしており、トランジスタ Gxは常に ONしている。 [0029] Note that during the period shown in FIG. 4 during which the V-phase PWM control signal of the present embodiment is output. The transistor Gu is always off and the transistor Gx is always on.
[0030] 本実施の形態においては、アップ Zダウンタイマ 1のそれぞれのレジスタの設定値 は、キャリア周期ごとに変更される。つまり、図 3および図 4におけるアップ Zダウンタ イマ 1のキャリア周期ごとの設定値 SI, S2, 1および Snは、電圧パルスの幅 WIn the present embodiment, the set value of each register of up Z down timer 1 is changed for each carrier period. In other words, the set values SI, S2, 1 and Sn for each carrier period of up Z down timer 1 in Figs. 3 and 4 are the width of the voltage pulse W
1, W2〜Wn-l, Wnの値と時間との関係を示すグラフがサイン波を描くように、順 次変化する。 1, W2 to Wn-l, Wn changes sequentially as a graph showing the relationship between time and Wn draws a sine wave.
[0031] 図 3と図 4とを比較すると分力るように、リニアモータ Mに流れる電圧パルスが正と負 で逆になつている。それらのこと以外は U相の制御と V相の制御とは全く同様である。 なお、 U相の PWM制御信号と V相の PWM制御信号とは、前述のように、交流波形 の半周期ごとに、交互に出力されている。  [0031] The voltage pulses flowing through the linear motor M are reversed between positive and negative, as shown in FIG. 3 and FIG. Except for these, the U-phase control and V-phase control are exactly the same. As described above, the U-phase PWM control signal and the V-phase PWM control signal are alternately output every half cycle of the AC waveform.
[0032] したがって、本実施の形態においては、 U相の電圧パルスを出力しているタイミング において、リニアモータ Mに正電圧が印加され、 V相の電圧パルスを出力しているタ イミングにお 、て、リニアモータ Mに負電圧が印加されるものとする。  Therefore, in the present embodiment, at the timing when the positive voltage is applied to the linear motor M and the V-phase voltage pulse is output at the timing when the U-phase voltage pulse is output, Thus, a negative voltage is applied to the linear motor M.
[0033] また、 1サイクルの前半にお!、ては、図 5 (a)に示すように、トランジスタ Guおよび Gy のみによって波形が形成される。 1サイクルの後半においては、図 5 (b)に示すように 、トランジスタ Gvおよび Gxのみによって波形が形成され、 1サイクルの全体では、図 5 (c)に示すように、前述の U相の波形と V相の波形とは、 180° 位相がずれた状態で 、交互に出力される。  [0033] Further, in the first half of one cycle, as shown in FIG. 5 (a), a waveform is formed only by the transistors Gu and Gy. In the second half of one cycle, as shown in Fig. 5 (b), a waveform is formed only by transistors Gv and Gx, and in the entire cycle, as shown in Fig. 5 (c), the waveform of the U phase described above is formed. The V and V phase waveforms are output alternately with a 180 ° phase shift.
[0034] 次に、図 6を用いて、本実施の形態の交流電力生成装置のマイクロコンピュータ 10 00が行なう交流電力整形処理を説明する。  Next, an AC power shaping process performed by microcomputer 10000 of the AC power generation device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0035] 本実施の形態の交流電力整形処理においては、まず、 S1において、 tの値が 0設 定に設定される。この tは、電圧パルスのゼロクロス位相からの順番を示す値である。 次に、 S2において、前回の tの値に 1が加えられる。要するに、電圧パルスの順番を 1 つずつ繰り上げていく処理がなされる。その後、 S3において、 t番目の電圧パルスの 出力時にインバータ回路 100へ入力されていた入力電圧 Vdc (t)の値が RAMから 読み出される。入力電圧 Vdc (t)の値は、抵抗器 Rと抵抗器 Rとの間の電位を示す  [0035] In the AC power shaping process of the present embodiment, first, in S1, the value of t is set to 0. This t is a value indicating the order from the zero cross phase of the voltage pulse. Next, in S2, 1 is added to the previous value of t. In short, the voltage pulse sequence is incremented one by one. Thereafter, in S3, the value of the input voltage Vdc (t) input to the inverter circuit 100 when the t-th voltage pulse is output is read from the RAM. The value of the input voltage Vdc (t) indicates the potential between resistors R and R
1 2  1 2
信号、すなわちインバータ回路 100へ入力される直流電力の電圧を特定する電圧信 号力 図 1に示す電圧センサによって取得された後、電圧パルスの順番 tに対応して RAMに記憶されているものである。 Voltage signal power that specifies the voltage of the signal, that is, the DC power input to the inverter circuit 100. After being acquired by the voltage sensor shown in FIG. It is stored in RAM.
[0036] 次に、 S4において、予め決定されて RAMに記憶されていた次の電圧パルスの電 圧指令値 V (t)および交流波形の周波数 fの値が RAM力 読み出される。次の電圧 パルスの電圧指令値 V(t)は、ユーザによってマイクロコンピュータ 1000へ入力され た交流波形の最大実効電圧に基づいて決定された値であり、交流波形を構成する ゼロクロス力ら t番目の電圧パルスによってリニアモータに印加される電圧の大きさを 示す値である。また、交流波形の周波数 fとは、 PWM制御における信号波(サイン力 ーブ)の周波数である。なお、交流波形の最大電圧を Vmaxとすると、電圧指令値 V ( t) = (Vmax/^2) X sin (2 X π X f X t)の関係式が成立する。その後、 S5におい て、入力電圧 Vdc (t)に応じて変更される PWM制御におけるデューティ比 D (t) =V (t)ZVdc (t)を算出する。次に、 S6において、デューティ比 D (t)と設定値の最大値 Sp、すなわち、図 3および図 4に示すアップダウンタイマ 1の最大値とを用いて、次の 設定値 S (t)を決定する。ここで、設定値の最大値 Spは、 PWM制御の搬送波のピー ク値であり、予め定められた値である。  Next, in S4, the voltage command value V (t) of the next voltage pulse that has been previously determined and stored in the RAM, and the value of the frequency f of the AC waveform are read out from the RAM force. The voltage command value V (t) of the next voltage pulse is a value determined based on the maximum effective voltage of the AC waveform input to the microcomputer 1000 by the user. This value indicates the magnitude of the voltage applied to the linear motor by the voltage pulse. The frequency f of the AC waveform is the frequency of the signal wave (sine force curve) in PWM control. If the maximum voltage of the AC waveform is Vmax, the relational expression of voltage command value V (t) = (Vmax / ^ 2) X sin (2 X π X f X t) is established. After that, in S5, the duty ratio D (t) = V (t) ZVdc (t) in the PWM control that is changed according to the input voltage Vdc (t) is calculated. Next, in S6, the next set value S (t) is calculated using the duty ratio D (t) and the maximum value Sp of the set value, that is, the maximum value of the up / down timer 1 shown in FIGS. decide. Here, the maximum value Sp of the set value is the peak value of the PWM control carrier wave, and is a predetermined value.
[0037] なお、 D (t) = (Wt/T) = (1 -St/Sp)という関係式が成立する。ここで、パルス 幅 Wtは、 t番目の電圧パルスの幅、すなわちスイッチング素子の ON時間であり、 T は PWM制御における搬送波の周期、すなわちキャリア周期である。故に、次の設定 値 St=Sp X [l— D (t)]という関係式が成立する。したがって、次の設定値 Stは、次 の電圧パルスのデューティ比 D (t)と設定値の最大値 Spとを用いて容易に算出され る。  Note that the relational expression D (t) = (Wt / T) = (1−St / Sp) is established. Here, the pulse width Wt is the width of the t-th voltage pulse, that is, the ON time of the switching element, and T is the period of the carrier in the PWM control, that is, the carrier period. Therefore, the following set value St = Sp X [l-D (t)] is established. Therefore, the next set value St is easily calculated using the duty ratio D (t) of the next voltage pulse and the maximum set value Sp.
[0038] その後、 S7において、設定値 S (t)を用いて、図 3および図 4を用いて説明したよう に、各トランジスタへ PWM制御信号を出力する。  [0038] After that, in S7, the set value S (t) is used to output a PWM control signal to each transistor as described with reference to FIGS.
[0039] 前述のように、本実施の形態の交流電力生成装置によれば、直流電圧、すなわち インバータ回路 100への入力電圧 Vdc (t)の変動に対応して、直後のキャリア周期の 電圧パルスのデューティ比 D (t)を変更する。つまり、キャリア周期 1周期ごとにデュー ティ比 D (t)を修正する処理が実行される。この処理により、電圧パルスのデューティ 比 D (t)は、交流波形が理想的なサインカーブを描くように、修正される。したがって、 前述のような本実施の形態の交流電力生成装置によれば、理想的なサインカーブを 描く交流電力が生成される。 [0039] As described above, according to the AC power generation device of the present embodiment, the voltage pulse of the immediately following carrier cycle corresponding to the fluctuation of the DC voltage, that is, the input voltage Vdc (t) to the inverter circuit 100. Change the duty ratio D (t). In other words, the process of correcting the duty ratio D (t) is executed every carrier period. Through this process, the duty ratio D (t) of the voltage pulse is corrected so that the AC waveform draws an ideal sine curve. Therefore, according to the AC power generation device of the present embodiment as described above, an ideal sine curve is obtained. AC power to draw is generated.
[0040] 次に、 S8において、キャリア周期 1周期が終了した力否かが判別される。 S8におい て、キャリア周期 1周期が終了していなければ、 S8の処理を繰り返し続ける力 キヤリ ァ周期 1周期が終了していれば、 S9の処理が実効される。 S9においては、 t=nであ るか否か、すなわち、交流波形 1周期のうちの最後のキャリア周期であるか否が判別 される。 S9において、 t=nであれば、 S1の処理が実行される力 t=nでなければ、 S 2において、 tが 1繰り上げられ、次のキャリア周期のデューティ比を調整する処理が 実行される。  [0040] Next, in S8, it is determined whether or not the force has ended one carrier cycle. In S8, if one carrier cycle is not completed, the power carrier that repeats the process in S8 is repeated. If one carrier cycle completes, the process in S9 is executed. In S9, it is determined whether or not t = n, that is, whether or not it is the last carrier period in one AC waveform period. In S9, if t = n, the force for executing the process of S1 is not t = n.In S2, t is incremented by 1 and the process of adjusting the duty ratio of the next carrier cycle is executed. .
[0041] 上記本実施の形態の交流電力生成装置が用いられれば、より効果的な使用が可 能となるスターリング冷凍機を以下説明する。  [0041] A Stirling refrigerator that can be used more effectively if the AC power generation device of the present embodiment is used will be described below.
[0042] なお、スターリング冷凍機においては、後述するように、リニアモータによってピスト ンが往復運動し、それにより、ディスプレーサが往復運動する。また、ピストンおよび ディスプレーサのそれぞれは、その一端がパネに固定されている。したがって、リニア モータ Mに印加される交流電圧の波形が理想的なサインカーブからずれると、ピスト ンとディスプレーサとの往復運動に起因したスターリング冷凍機の振動が大きくなる おそれがある。前述の交流電力生成装置を用いれば、リニアモータに印加される交 流電圧の波形が理想的なサインカーブになり易くなる。そのため、前述の交流電力 生成装置は、スターリング冷凍機 40の制御において非常に適したものである。  In the Stirling refrigerator, as will be described later, the piston reciprocates by the linear motor, and thereby the displacer reciprocates. In addition, one end of each of the piston and the displacer is fixed to the panel. Therefore, if the waveform of the AC voltage applied to the linear motor M deviates from the ideal sine curve, the Stirling refrigerator vibration due to the reciprocating motion of the piston and the displacer may increase. If the AC power generation device described above is used, the waveform of the AC voltage applied to the linear motor is likely to be an ideal sine curve. Therefore, the AC power generation device described above is very suitable for controlling the Stirling refrigerator 40.
[0043] 以下、図に基づいて、本実施の形態のスターリング冷凍機を説明する。  [0043] Hereinafter, the Stirling refrigerator of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
図 7は、実施の形態のスターリング冷凍機 40を示す断面図である。スターリング冷 凍機 40においては、 2つの部分で構成されている円筒形状のシリンダ 3内に、円柱 形のピストン 1およびディスプレーサ 2が嵌め込まれている。ピストン 1とディスプレー サ 2とは、圧縮空間 9を介して設けられ、共通の駆動軸として軸 Yを有している。  FIG. 7 is a cross-sectional view showing the Stirling refrigerator 40 of the embodiment. In the Stirling refrigerator 40, a cylindrical piston 1 and a displacer 2 are fitted in a cylindrical cylinder 3 composed of two parts. The piston 1 and the displacer 2 are provided via a compression space 9 and have an axis Y as a common drive shaft.
[0044] ディスプレーサ 2の先端側に膨張空間 10が形成されている。圧縮空間 9と膨張空 間 10とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路 11を介して連通している。媒 体流通路 11内には、再生器 12が設けられている。再生器 12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。シリンダ 3の略中間には鍔部 (フ ランジ) 3aが設けられている。鍔部 3aにはドーム状の耐圧容器 4が取り付けられること によって密閉されたバウンス空間(背面空間) 8が形成されている。 An expansion space 10 is formed on the distal end side of the displacer 2. The compression space 9 and the expansion space 10 communicate with each other via a medium flow passage 11 through which a working medium such as helium flows. A regenerator 12 is provided in the medium flow passage 11. The regenerator 12 accumulates the heat of the working medium and supplies the accumulated heat to the working medium. In the middle of the cylinder 3, a flange 3a is provided. A dome-shaped pressure vessel 4 must be attached to the collar 3a A bounce space (rear space) 8 sealed by is formed.
[0045] ピストン 1は後端側で支持パネ 5と一体ィ匕されている。ディスプレーサ 2はピストン 1 の中心孔 laを貫通するロッド 2aを介して支持パネ 6と一体ィ匕されている。支持パネ 5 と支持パネ 6とはボルトおよびナット 22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、ピストン 1とディスプレーサ 2との間に生じ る慣性力によって、ピストン 1に対して所定の位相差を有する状態で往復運動を行な The piston 1 is integrated with the support panel 5 on the rear end side. The displacer 2 is integrated with the support panel 6 through a rod 2a passing through the center hole la of the piston 1. The support panel 5 and the support panel 6 are connected by bolts and nuts 22. As will be described later, when the piston 1 reciprocates, the displacer 2 reciprocates in a state having a predetermined phase difference with respect to the piston 1 due to the inertial force generated between the piston 1 and the displacer 2.
[0046] バウンス空間 8内のシリンダ 3の外側には内側ヨーク 18が嵌め込まれている。内側ョ ーク 18には隙間 19を介して外側ヨーク 17が対向して 、る。外側ヨーク 17の内側に は駆動用コイル 16が嵌め込まれている。隙間 19には環状の永久磁石 15が移動可 能に設けられている。永久磁石 15はカップ状のスリーブ 14を介してピストン 1と一体 化されている。内側ヨーク 18、外側ヨーク 17、駆動用コイル 16、および永久磁石 15 によって、ピストン 1を軸 Yに沿って移動させるリニアモータ 13 (M)が構成されている An inner yoke 18 is fitted on the outer side of the cylinder 3 in the bounce space 8. The outer yoke 17 is opposed to the inner yoke 18 through the gap 19. A drive coil 16 is fitted inside the outer yoke 17. An annular permanent magnet 15 is movably provided in the gap 19. The permanent magnet 15 is integrated with the piston 1 through a cup-shaped sleeve 14. The inner yoke 18, the outer yoke 17, the drive coil 16, and the permanent magnet 15 constitute a linear motor 13 (M) that moves the piston 1 along the axis Y.
[0047] 駆動用コイル 16には、リード線 20および 21が接続されている。リード線 20および 2 1は、耐圧容器 4の壁面を貫通し、交流電力生成装置のインバータ回路 100に接続 されている。交流電力生成装置の IPM200によってリニアモータ 13 (M)に駆動電力 が供給される。 [0047] Lead wires 20 and 21 are connected to the drive coil 16. The lead wires 20 and 21 pass through the wall surface of the pressure vessel 4 and are connected to the inverter circuit 100 of the AC power generation device. Drive power is supplied to the linear motor 13 (M) by the IPM 200 of the AC power generator.
[0048] 上記構成のスターリング冷凍機 40は、リニアモータ 13 (M)によってピストン 1が往 復運動すると、ピストン 1に対して所定の位相差を有する状態でディスプレーサ 2が往 復運動する。これにより、圧縮空間 9と膨張空間 10との間を作動媒体が移動する。そ の結果、逆スターリングサイクルが形成される。  In the Stirling refrigerator 40 configured as described above, when the piston 1 moves back and forth by the linear motor 13 (M), the displacer 2 moves back and forth with a predetermined phase difference with respect to the piston 1. As a result, the working medium moves between the compression space 9 and the expansion space 10. As a result, a reverse Stirling cycle is formed.
[0049] 上述の本実施の形態のスターリング冷凍機 40は、交流電力生成装置のインバータ 回路 100によって所定の交流波形の駆動電圧がリニアモータ 13 (M)に印加されると 、ピストン 1がその所定の交流波形の駆動電圧に対応した周期およびストロークで往 復運動を行なう。したがって、リニアモータ 13に印加される駆動電圧を制御すること により、ピストン 1の往復運動の周期およびストロークを制御することが可能である。  [0049] In the above-described Stirling refrigerator 40 of the present embodiment, when a drive voltage having a predetermined AC waveform is applied to the linear motor 13 (M) by the inverter circuit 100 of the AC power generation device, the piston 1 is set to the predetermined Back and forth movement is performed with a period and stroke corresponding to the drive voltage of the AC waveform. Therefore, it is possible to control the cycle and stroke of the reciprocating motion of the piston 1 by controlling the drive voltage applied to the linear motor 13.
[0050] 次に、上記本実施の形態のフリーピストン型スターリング冷凍機の動作原理をより詳 細に説明する。 [0050] Next, the operating principle of the free piston type Stirling refrigerator of the present embodiment will be described in more detail. Explain in detail.
[0051] ピストン 1は、リニアモータ 13により駆動される。ピストン 1は、支持パネ 5に弹性的に 支持されている。そのため、ピストン 1は、その位置と時間との関係が正弦波を描くよう に運動する。  The piston 1 is driven by the linear motor 13. The piston 1 is supported on the support panel 5 by inertia. Therefore, piston 1 moves so that the relationship between its position and time draws a sine wave.
[0052] また、ピストン 1の動きにより、圧縮空間 9内の作動ガスは、その圧力と時間との関係 が正弦波を描くように運動する。圧縮空間 9内で圧縮された作動ガスは、まず、放熱 用熱交換部としての圧縮空間 9から熱を放出する。次に、圧縮された作動ガスは、デ イスプレーサ 2の周囲に設けられた再生器 12で冷却される。その後、圧縮された作動 ガスは、再生器 12から吸熱用熱交換部としての膨張空間 10へ流入する。  [0052] Further, due to the movement of the piston 1, the working gas in the compression space 9 moves so that the relationship between the pressure and time draws a sine wave. The working gas compressed in the compression space 9 first releases heat from the compression space 9 as a heat exchange part for heat dissipation. Next, the compressed working gas is cooled by a regenerator 12 provided around the displacer 2. Thereafter, the compressed working gas flows from the regenerator 12 into the expansion space 10 as a heat exchange part for heat absorption.
[0053] 膨張空間 10の作動ガスは、ディスプレーサ 2の動きにより膨張する。膨張した作動 ガスは、その温度が低下する。膨張空間 10内の作動ガスは、その圧力と時間との関 係が正弦波を描くように運動する。膨張空間 10内の作動ガスの圧力と時間との関係 を示す正弦波は、圧縮空間 9内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波に対 して、所定の位相差を有する波形であるが、同じ周期で変化する波形である。すなわ ちディスプレーサ 2はピストン 1に対して所定の位相差を有する状態で往復運動する  The working gas in the expansion space 10 is expanded by the movement of the displacer 2. The temperature of the expanded working gas decreases. The working gas in the expansion space 10 moves so that the relationship between its pressure and time draws a sine wave. The sine wave indicating the relationship between the pressure of the working gas in the expansion space 10 and time is a waveform having a predetermined phase difference from the sine wave indicating the relationship between the pressure of the working gas in the compression space 9 and time. However, the waveform changes with the same period. In other words, the displacer 2 reciprocates with a predetermined phase difference with respect to the piston 1.
[0054] 膨張空間 10における冷凍能力は、ディスプレーサ 2の往復運動によって生じる膨 張空間 10内の作動ガスの圧力の変動の度合いによって決定される。また、膨張空間 10の圧力は、ピストン 1の位相とディスプレーサ 2の位相との変化、すなわち膨張空 間 10の圧力と圧縮空間 9の圧力との差によって生じるディスプレーサ 2とピストン 1と の相対的な位置の変化によって変動する。 [0054] The refrigeration capacity in the expansion space 10 is determined by the degree of fluctuation in the pressure of the working gas in the expansion space 10 caused by the reciprocating motion of the displacer 2. Further, the pressure in the expansion space 10 is a relative change between the displacer 2 and the piston 1 caused by the change between the phase of the piston 1 and the phase of the displacer 2, that is, the difference between the pressure in the expansion space 10 and the pressure in the compression space 9. Fluctuates depending on the position
[0055] ディスプレーサ 2とピストン 1との相対的な位置関係は、ディスプレーサ 2の質量、支 持パネ 6のパネ定数およびピストン 1の周波数により決定される。また、ディスプレー サ 2の質量および支持パネ 6のパネ定数は、設計時に決定されるものである。  [0055] The relative positional relationship between the displacer 2 and the piston 1 is determined by the mass of the displacer 2, the panel constant of the support panel 6, and the frequency of the piston 1. The mass of the displacer 2 and the panel constant of the support panel 6 are determined at the time of design.
[0056] マイクロコンピュータ 1000からインバータ回路 100へ出力される PWM制御信号は 、デジタル信号すなわちパルス波形である。このパルス波形は、インバータ回路 100 においてアナログ信号すなわち正弦波に変換される。この正弦波の周波数が、スタ 一リング冷凍機 40のピストン 1の周波数になる。 [0057] なお、デジタル信号をアナログ信号に変換するときには、上述したように PWMが用 いられる。つまり、マイクロコンピュータ 100から順次出力される複数のパルスは、その 幅力 小さいもの力も大きなものへと除々に変化し、ピークの幅になった後、除々に 小さなものへと戻っていくように構成されている。それにより、交流波形が生成される。 [0056] The PWM control signal output from the microcomputer 1000 to the inverter circuit 100 is a digital signal, that is, a pulse waveform. This pulse waveform is converted into an analog signal, that is, a sine wave in the inverter circuit 100. The frequency of this sine wave becomes the frequency of piston 1 of Stirling refrigerator 40. [0057] Note that PWM is used as described above when converting a digital signal into an analog signal. In other words, multiple pulses that are sequentially output from the microcomputer 100 gradually change from a small force to a large force, and after reaching the peak width, gradually return to a smaller one. Has been. Thereby, an AC waveform is generated.
[0058] この発明を詳細に説明し示してきた力 これは例示のためのみであって、限定ととつ てはならず、発明の精神と範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定されることが 明らかに理解されるであろう。  [0058] The power that has been described and illustrated in detail This invention is for purposes of illustration only and is not limiting, and the spirit and scope of the invention is limited only by the appended claims. Will be clearly understood.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
[1] 直流電力を交流電力へ変換するインバータ回路(100)と、  [1] An inverter circuit (100) that converts DC power into AC power;
前記直流電力の電圧を測定する電圧測定回路 (R , R )  Voltage measurement circuit (R, R) for measuring the voltage of the DC power
1 2 と、  1 2 and
前記測定された電圧を特定する電圧信号が入力され、前記電圧信号を用いて前 記インバータ回路(100)を PWM (Pulse Width Modulation)制御するマイクロコンビ ユータ(1000)とを備え、  A voltage signal specifying the measured voltage, and a microcomputer (1000) for controlling the inverter circuit (100) using the voltage signal by PWM (Pulse Width Modulation).
前記マイクロコンピュータ(1000)は、前記電圧信号が変動した場合にも前記交流 電力の波形がサインカーブになるように、前記 PWM制御において、 1キャリア周期ご とに、デューティ比を調整する、交流電力生成装置。  The microcomputer (1000) adjusts the duty ratio for each carrier period in the PWM control so that the waveform of the AC power becomes a sine curve even when the voltage signal fluctuates. Generator.
[2] 請求項 1に記載の交流電力生成装置(100, 1000)と前記交流電力が供給される コイル(16)とを有し、該コイル(16)の周囲に生じる磁力を用いるリニアモータ(13)と 前記リニアモータに(13)よって往復運動するピストン(1)と、 [2] A linear motor (100) having the AC power generation device (100, 1000) according to claim 1 and a coil (16) to which the AC power is supplied, and using a magnetic force generated around the coil (16) 13) and a piston (1) reciprocated by the linear motor (13);
前記ピストン(1)の往復運動に起因する圧力変動によって往復運動するディスプレ ーサ(2)とを備えた、スターリング冷凍機。  A Stirling refrigerator comprising a displacer (2) that reciprocates due to pressure fluctuations caused by reciprocation of the piston (1).
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