WO2006082713A1

WO2006082713A1 - スターリング冷凍システム

Info

Publication number: WO2006082713A1
Application number: PCT/JP2006/300798
Authority: WO
Inventors: Haruhiko Murakami
Original assignee: Sharp Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2006-08-10
Also published as: JP2006214650A; JP3881998B2

Abstract

　制御装置は、ピストンを最大ストロークで運動させることが決定され、ＰＷＭの変調率が最大変調率に達しており、かつ、現在のストロークが最大ストロークよりも所定値以上小さい場合に、過変調の制御を実行する。それにより、ピストンを最大ストロークにする状態であるにもかかわらず、ピストンのストロークが最大ストロークになっていない場合に、冷凍能力を最大限に発揮することができるスターリング冷凍システムが得られる。

Description

明細書

スターリング冷凍システム

技術分野

[0001] 本発明は、スターリング冷凍機と、スターリング冷凍機を制御する制御装置とを有するスターリング冷凍システムに関するものである。

背景技術

[0002] 従来から、制御装置によってスターリング冷凍機の冷凍能力の制御が行なわれている。スターリング冷凍機は、ピストンのストロークの大きさに応じて冷凍能力が決定される。したがって、制御装置は、大きな冷凍能力が必要とされる場合には、ピストンのストロークを大きくする。一方、制御装置は、小さな冷凍能力が必要とされる場合には、ピストンのストロークを/ J、さくする。

特許文献 1 :特開 2003— 314919号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] し力しながら、上記従来のスターリング冷凍システムにおいては、スターリング冷凍機のピストンを最大ストロークで駆動させることが必要であるにもかかわらず、負荷が大きいために、ピストンを最大ストロークで駆動できないことがある。その結果、スターリング冷凍機が所望の冷凍能力を発揮することができず、対象物を急速に冷凍することができないことがある。

[0004] 本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、ピストンを最大スト口ークで駆動させる状態であるにもかかわらず、ピストンのストロークが最大ストロークで駆動されていない場合に、ピストンのストロークを最大ストロークに近づけ、所望の冷凍能力を発揮することができるスターリング冷凍システムを提供することである。課題を解決するための手段

[0005] 本発明のスターリング冷凍システムは、スターリング冷凍機と、スターリング冷凍機を PWM (Pulse Width Modulation)によって制御する制御装置とを備えている。制御装置は、ピストンを最大ストロークで駆動させる状態力否かを判定するピストン状態判定部と、ピストン状態判定部によってピストンを最大ストロークで駆動させる状態であると判定された場合に、 PWMによって生成された交流波形の振幅の変調率が最大変調率（100%)に達しているか否かを判定する変調率判定部と、変調率判定部によつて変調率が最大変調率に達していると判定された場合に、ピストンの現在のスト口ークが最大ストロークよりも所定値以上小さいか否かを判定するストローク判定部と、ストローク判定部によってピストンの現在のストロークが最大ストロークよりも所定値以上小さ、と判定された場合に、過変調の制御を実行する変調制御部とを含んで、る

[0006] 上記の制御によれば、過変調の制御によってピストンのストロークを最大ストロークに近づけることができ、負荷が大きい場合にも所望の冷凍能力を得ることができる。

[0007] 過変調の制御においては、仮想の変調率が最大ストローク Z (最大ストローク一所定値）になるように、 PWMが実行されることが望ましい。

[0008] スターリング冷凍機においては、ピストンとディスプレーサとが衝突することを防止するために、ピストンのストロークが検知される。しかしながら、ストロークの検知は、 PW Mによって生成される交流波形がサインカーブであることを前提に行なわれるため、過変調の制御にお、てはストロークの検知をすることができな、。

[0009] 上記の制御によれば、過変調の制御中においても、ピストンのストロークが大きくなり過ぎることに起因してピストンとディスプレーサとが衝突することが防止される。従つて、スターリング冷凍機の損傷のおそれが低減される。

[0010] また、前述のシステムは、スターリング冷凍機の高温部または低温部の温度を検出し、制御装置へ高温部または低温部の温度情報を送信する温度検出器を備えており、変調制御部が、過変調の制御中に、高温部の温度が過変調の制御を実行する直前の高温部の温度よりも低下している力、または、低温部の温度が過変調の制御を実行する直前に記憶された低温部の温度よりも上昇して、る場合に、過変調の制御を終了することが望ましい。

[0011] 上記の制御によれば、スターリング冷凍機の負荷が小さくなつているにも関わらず、過変調の制御が継続されることが防止されるため、ピストンが最大ストロークよりも大きなストロークで駆動することが防止される。そのため、ピストンとディスプレーサとが衝突することが防止される。従って、スターリング冷凍機の損傷のおそれが低減される。

[0012] また、前述のシステムは、 PWMによって交流波形を生成するために制御装置へ直流電圧を出力する直流生成部をさらに備え、制御装置が、直流電圧を検出する電圧検出器を含み、変調制御部が、過変調の制御中に、直流電圧が過変調の制御を実行する直前の直流電圧よりも大きくなつている場合に、過変調の制御を終了することが望ましい。

[0013] 上記の制御によれば、直流電圧の不慮の上昇に起因してピストンが最大ストロークよりも大きなストロークで駆動してしまうことが防止され、ピストンとディスプレーサとが衝突することが防止される。従って、スターリング冷凍機の損傷のおそれが低減される。

[0014] また、前述のシステムは、スターリング冷凍機の高温部の温度を検出し、制御装置へ高温部の温度情報を送信する高温検出器と、スターリング冷凍機の低温部の温度を検出し、制御装置へ低温部の温度情報を送信する低温検出器とを備えており、制御装置が、高温部と低温部との温度差を算出する温度差算出部を含み、変調制御部が、過変調の制御中に、温度差が過変調の制御を実行する直前の温度差よりも小さくなつて!/、る場合に、過変調の制御を終了することが望ま、。

[0015] 上記の制御によれば、スターリング冷凍機の負荷が小さくなつているにも関わらず、過変調の制御が継続されることが防止される。それにより、ピストンが最大ストロークよりも大きなストロークで駆動してしまうことが防止され、ピストンとディスプレーサとが衝突することが防止される。従って、スターリング冷凍機の損傷のおそれが低減される。発明の効果

[0016] 本発明によれば、ピストンを最大ストロークで駆動させる状態であるにもかかわらず、ピストンのストロークが最大ストロークで駆動されていない場合に、ピストンのストロークを最大ストロークに近づけ、所望の冷凍能力を発揮することができるスターリング冷凍システムが得られる。

[0017] 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。

図面の簡単な説明 [0018] [図 1]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。

[図 2]実施の形態のスターリング冷凍機のリニアモータと制御装置との関係を説明するための図である。

[図 3]実施の形態の交流電力生成装置の構成を説明するための図である。

[図 4]実施の形態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構成図である。

[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。

[図 6]リニアモータの電流の位相、電圧の位相、およびピストンの位相の関係を説明するための参考図である。

[図 7]定常時のリニアモータの等価回路図である。

[図 8]実施の形態の冷却庫の現在のストローク算出処理を説明するためのフローチヤートである。

[図 9]過変調制御における電圧波形を説明するための図である。

[図 10]過変調制御における高温部および低温部の温度変化を示す図である。

[図 11]過変調制御処理を説明するためのフローチャートである。

[図 12]過変調制御処理を説明するためのフローチャートである。

[図 13]過変調制御処理の他の例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

[0019] 1 ピストン、 13 リニアモータ、 30 制御装置、 40 スターリング冷凍機。

発明を実施するための最良の形態

[0020] まず、実施の形態の冷却庫に用いられるスターリング冷凍機を説明する。

図 1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。

[0021] 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 (背圧空間） 8が形成されている。

[0022] 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に対して所定の位相差を有する状態で往復運動を行なう。

[0023] バウンス空間 8内のシリンダ 3の外周側には内側ヨーク 18が嵌め込まれている。内側ヨーク 18は隙間 19を介して外側ヨーク 17に対向して、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はカップ状スリーブ 14を介してピストン 1と一体ィ匕されている。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が構成されている。駆動用コイル 16には、リード線 20および 21が接続され、制御装置 30によってリニアモータ 13に駆動電力が供給されるようになって、る。

[0024] 上記構成のスターリング冷凍機 40は、リニアモータ 13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。

[0025] 上述の実施の形態のスターリング冷凍機 40は、所定の交流波形の駆動電圧がリニァモータ 13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及びストロークで往復運動を行なう。従って、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の往復運動の周期及びストロークを制御できる。

[0026] 次に、上記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。ピストン 1が、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ことにより、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変化し、圧縮空間 9から熱を放出し、ディスプレーサ 2の周囲に設けられた再生器 12 で冷却されながら膨張空間 10へ流入する。

[0027] 膨張空間 10の作動ガスは、ディスプレーサ 2の動きにより膨張し、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変化し、ディスプレーサ 2をピストン 1に対して所定の位相差を有する状態で往復運動させる。また、図 1に示す制御装置 30 (この内部には、電流センサ 33が内蔵されている。）、スターリング冷凍機 40の低温部としての膨張空間 10の温度を測定するためのサーミスタ回路 (Tcサーミスタ）、および高温部としての圧縮空間 9の温度を測定するためのサーミスタ回路 (Thサーミスタ）が設けられている。尚、デジタル信号をアナログ信号に変換するときには PWMが用いられる。つまり、制御装置 30から順次出力される複数のパルスは、その幅が正弦波形に対応して変化するように構成され、交流が生成される。

[0028] 図 2は、制御装置 30とスターリング冷凍機 40との電気的な接続の状態を示す図である。スターリング冷凍機 40の外側面には、低温部の温度 Tcを検知する温度センサ 34および高温部の温度 Thを検知する温度センサ 35が取り付けられている。

[0029] 制御装置 30には、温度センサ 34の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換する TcAZD変換部 108および温度センサ 35の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換する ThAZD変換部 109が設けられている。また、リード線 20, 21及びハーメチックシール端子 37を介して、駆動電力を出力する IPM (Intelligent Power Module) 200がリニアモータ 13に接続されている。

[0030] 次に、図 3〜図 5を用いて、実施の形態の制御装置 30内に設けられた IPM200およびマイクロコンピュータ 1000を説明する。図 3に示すように、本実施の形態のリニアモータ（M)つまり前述のリニアモータ 13の駆動電圧の制御においては、 IPM200力 S 用いられる。 IPM200には、インバータ回路 100が内蔵されている。インバータ回路 1 00は、 4つのスイッチング素子を有し、図 3に示すような態様で、スターリング冷凍機 4 0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。図 3から分かるように、トランジスタ G uとトランジスタ Gxとは直列に接続され、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、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。

[0031] また、インバータ回路 100に対して並列にコンデンサ Cとコンデンサ CCとの直列回路が接続されている。この直列回路に整流器 Dの出力側が接続され、この整流器 D の入力側に交流電源 Gが接続されて、コンデンサ C及びコンデンサ CCによる倍電圧回路が構成されている。また、コンデンサ C及びコンデンサ CCとインバータ回路 100 との間には、コンデンサ C及び CCに対して並列に抵抗器 R1及び抵抗器 R2が接続され、インバータ回路 100の入力端子間電圧を分圧する分圧回路が構成されている。また、抵抗器 R1と抵抗器 R2との間のノードの電位を安定させるためのコンデンサ CC Cが抵抗器 R2に対して並列に接続され、抵抗器 R1と抵抗器 R2との間のノードがマイク口コンピュータ 1000の電圧センサポートに接続されて!、る。マイクロコンピュータ 1000には、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直流電圧センサに入力される。

[0032] さらに、リニアモータ (M)の 2つの端子に、電圧計として機能する回路 Vの入力端子力 S 1対 1の関係で接続され、回路 Vで得られた電圧値がマイクロコンピュータ 1000の U相電圧センサポート及び V相電圧センサポートのそれぞれへ送信される。また、直流電源とリニアモータ (M)との間には、電流計として機能する回路 Aが設けられ、回路 Aで得られた電流値がマイクロコンピュータ 1000の電流センサポートへ送信される

[0033] 電圧値および電流値の取得手法は次のようなものである。電圧値の取得は、リニアモータ (M)に印加される電圧が回路 Vによって分圧され、その分圧された電圧値がマイクロコンピュータ 1000に入力される。マイクロコンピュータ 1000は、その電圧値を AZD変換し実際の電圧値を算出する。また、電流値の取得は、シャント抵抗 Sの両端の電位差がオペアンプを含む回路 Aによって増幅され、その増幅された電位差の値がマイクロコンピュータ 1000に入力される。マイクロコンピュータ 1000は、その増幅された電位差の値を AZD変換し電流値を算出する。

[0034] 図 4は、 PWMインバータ制御用のタイマが 1つ（1チャンネル）内蔵されたリニア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。図 4に示すように、本実施の形態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、演算部としての CPU (Central Processing Unit)と、書替え可能な記憶部としての RAM (Random Access Memory)と、読出専用の ROM (Read Only Me mory)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。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部であり、レジスタなどの一時記憶部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。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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、リユアモータ（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いて、リニアモータ (M)に負電圧が印加されるものとする。また、 1サイクルの前半においては、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、 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 G X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、 U相の波形と V相の波形とが、 180° 位相がずれた状態で交互に出力される。

[0038] なお、スターリング冷凍機の制御において、ピストン 1とディスプレーサ 2とは、所定周波数で駆動しなければ共振しない。つまり、ピストン 1の往復運動の周波数力ビストン 1とディスプレーサ 2との共振周波数力も大きく異なると、スターリング冷凍機 40を駆動させることができない。したがって、 PWMの信号波を構成する前述の設定値のデータ列と時間との関係は、必ず所定の共振周波数のサインカーブを描くように設定されている必要がある。

[0039] ただし、後述する過変調の制御においては、図 5 (d)に示す期間 T1および T2のそれぞれにおいては、 PWMのパルス幅は最大値である。つまり、インバータ回路 100 に入力される直流電圧の大きさの電圧がリニアモータ (M)に印加される。また、期間 T1および T2のそれぞれ以外の期間においては、仮想の変調率のサインカーブの一部が描かれるように、 PWMのパルス幅が変化する。なお、仮想の変調率は、後で詳細に述べる力過変調の制御における仮想のサインカーブの変調率を意味する。

[0040] 次に、リニアモータ（M)のピストン 1のスローク Xを検出する方法について説明する。本実施の形態のスターリング冷凍機 40においては、次のようにして、ピストン 1のストローク Xが検知される。

[0041] まず、制御装置 30の定常時の駆動状態について図 6および図 7を用いて説明をする。

図 6は、定常時においてリニアモータ（M)に印加される電圧 V、リニアモータ（M)のコイル 16に流れる電流 I、リニアモータ（M)のコイル 16に発生する誘起電圧 E、及び、ピストン 1の変位 Tの関係を示した図である。図 7は、リニアモータ（M)の等価回路図である。また、図 7に示すように、誘起電圧 Eによって生じる電流 Iの流れの方向と、印加電圧 Vによって生じる電流の流れの方向とは逆である。

[0042] 図 6に示すように、電流 Iはリニアモータ（M)のインダクタンス（図 7に示す L)の影響で、印加電圧 Vよりも Θだけ位相が遅れている。ここで、リニアモータ (M)に作用する推力の大きさは、電流 Iの値に推力定数 αを乗じた値となる。また、図 9に示す等価回路図から分力るように、誘起電圧 Εは、次の式（1)で表される。

[0043] E=V-RX I X cos 0 -L X sin Q X (dl/dt) · · · (1) したがって、モータ卷線抵抗 Rおよびインダクタンス Lが予め分かっていれば、図 3 に示す回路 Vによって取得される電圧 Vと図 3に示す回路 Aによって取得される電流 Iとを用いて誘起電圧 Eを計算することができる。尚、位相差 0は電圧 Vがピーク時の位相の値と電流 Iがピークの時の位相の値との差を算出することによって得られる。又、推力定数 αは予め実験によって算出され、モータ巻き線抵抗 Rおよびインダクタンス Lは、予め測定された値である。

[0044] また、ピストンのストローク Xは、次の式（2)によって規定される。

X= 2 X [V-RX I X cos Θ -L X sin Q X (dl/dt) ]/ (2 X π X f X a ) · · · (2) このように、位相差 θ、モータ卷線抵抗 R、電圧 V、電流 I、印加周波数 f、および推力定数 aが分力つていれば、ストローク Xを算出することができる。尚、前述のスト口ーク Xの算出方法は、特開 2003— 314919号公報および特開 2003— 65244号公報により詳細に開示されている。

[0045] 次に、図 8を用いて、「現在のストローク Xの算出処理」を説明する。

図 8に示す「現在のストローク Xの算出処理」においては、まず、 S81において、電流波形のピークの位相と電圧波形のピークの位相との差である位相差 Θが算出される。次に、 S82において、マイクロコンピュータ 1000は、図 3に示す回路 Aから送信されてきた信号を用いてシャント抵抗 Sを流れる電流 Iを算出する。その後、 S83において、マイクロコンピュータ 1000は、図 3に示す回路 Vから送信されてきた信号を用いてリニアモータ (M)に印加される電圧 Vを算出する。次に、 S84において、位相差 Θ 、電圧 V、電流 I、卷線抵抗値 R、および前述の式（1)を用いて、誘起電圧 Eを算出する。その後、 S85においては、ストローク Xを前述の式（2)を用いて算出する。

[0046] 次に、図 9を用いて、変調率および過変調の制御について説明する。

変調率とは、交流波形の最大振幅、すなわちインバータ回路 100に入力される直流電圧に対する実際の交流波形の振幅の比を意味する。したがって、最大変調率とは、 100%である。変調率が 0%〜 100%までの間においては、交流波形はサイン力ーブになる。一方、変調率が 100%を超えると、すなわち、過変調の制御が行なわれると、交流波形は仮想のサインカーブの上部および下部がカットされた形状になる。

[0047] 図 9に示すように、交流波形は、変調率が大きくなるにしたがって、交流波形 Aから交流波形 Cまで変化する。変調率が 100%のとき、交流波形 cは、その振幅力インバータ回路 100に入力される直流電圧の値に一致する。また、変調率が 100%を超えるまでの通常の振幅変調の制御の期間においては、交流波形はサインカーブを描く力一方、過変調の制御の期間においては、交流波形 Dで示されるように、交流波形は仮想のサインカーブの上部および下部がカットされた形状になる。

[0048] 尚、過変調の制御中においては、交流波形はサインカーブではないため変調率を規定することはできな、が、上部および下部がカットされなければ描かれたであろう仮想のサインカーブの変調率によって、過変調の制御中の変調率を規定し、本実施の形態においては以下この変調率を仮想の変調率と言う。

[0049] また、変調率が大きいほど、交流波形によって囲まれる面積が大きくなり、リニアモータ（M)に入力されるエネルギが大きくなる。また、過変調の制御の上部および下部力 Sカットされたサインカーブが描かれる場合においても、仮想の変調率が大きいほど、その交流波形によって囲まれる面積は大きぐピストン 1に与えられるエネルギも大きい。

[0050] 従って、本実施の形態においては、最大ストロークでピストン 1を動作させなければならないときに、スターリング冷凍機 40の負荷が大きいためピストン 1のストロークが最大値にならない場合には、過変調の制御を実行することによってピストンのストロークを大きくする制御が実行される。それにより、ピストン 1のストロークは最大ストロークに近づくため、スターリング冷凍機は所望の冷凍能力に近づくことになる。

[0051] また、過変調の制御が実行されているときには、リニアモータ (M)に印加される交流電圧の波形がサインカーブではなくなるため、前述のストローク検知を実行することができない。前述のストローク検知は、電圧波形がサインカーブであることを前提に行なわれる制御であるためである。

[0052] 従って、ピストン 1とディスプレーサ 2との衝突を防止するために、過変調の制御の継続を制限する必要がある。それは、スターリング冷凍機の負荷力、さくなれば、ビストン 1は同じ変調率であってもより大きなストロークで往復運動するため、ピストン 1とデイスプレーサ 2とが衝突する虞があるためである。したがって、過変調の制御中において、過変調の制御が実行される直前に比較して、スターリング冷凍機の負荷が小さくなれば、過変調の制御を終了することが望ましい。スターリング冷凍機の負荷が小さくなつたことは、高温部 (圧縮空間 9)の温度 Thが過変調の制御の直前に比較して低くなつたこと、低温部 (膨張空間 10)の温度 Tcが過変調の制御の直前に比較して高くなつたこと、または、高温部の温度 Thと低温部の温度 Tcとの差が過変調の制御の直前に比較して小さくなつたことによって判別することが可能である。また、インバータ回路 100に入力される直流電圧 V(D)が過変調の直前に比較して大きくなつた場合には、仮想の変調率が変更されなくても、より大きなエネルギがピストン 1に与えられるため、過変調の制御を終了することが望ましい。

[0053] また、一般的には、図 10に示すように、スターリング冷凍機は、急速冷凍運転のタイミングにおいて、高温部の温度 Thと低温部の温度 Tcとの差が大きくなる。つまり、高温部の温度 Thは除々に大きくなり、低温部の温度 Tcは除々に小さくなる。したがつて、このような図 10に示す温度変化の状態が崩れた場合に、過変調の制御が終了されれば、ディスプレーサ 2とピストン 1とが接触するという不都合を防止することが可能となる。

[0054] 次に、図 11および図 12を用いて、本実施の形態のスターリング冷凍機の制御装置にて行われる変調制御処理を説明する。まず、 S1において急速冷凍運転が必要か否かが判別される。急速冷凍運転は、例えば、スターリング冷凍機を搭載した冷蔵庫の据付が完了し電源が投入されたとき、除霜運転が終了したとき、または貯蔵食品を急速冷凍するとき等に必要とされる。急速冷凍運転が必要か否かは、マイクロコンビユータ 1000の制御モードにおける条件によって決定される。

[0055] S1にお、て、急速冷凍運転が必要でなければ、変調制御処理は実行されず、急速冷凍運転が必要であれば、 S2において最大ストローク指令が出されている力否かが判別される。つまり、ピストン 1を最大ストロークで駆動させる状態か否かが判別され、最大ストロークで駆動させな、状態すなわち最大ストローク指令が出されて、なヽ状態であれば変調率制御処理は実行されず、最大ストローク指令が出されて、れば S3において変調率が最大変調率（100%)になっている力否かが判別される。変調率が最大変調率（100%)になっている力否かは、図 3の回路 Vからマイクロコンピュータ 1000へ出力される電圧パルスの最大値がインバータ回路 100に入力される直流電圧の値になっているか否かで判別される。

[0056] S3において、リニアモータ (M)に印加されている交流電圧の変調率が最大変調率

(100%)になっていなければ変調率制御処理は行われないが、リニアモータ（M)に印加されて、る交流電圧の変調率が最大変調率になって、れば、 S4にお、て現在のピストン 1のストロークが「最大ストロークー所定値 A」以下のストロークであるか否かが判別される。この判別は、前述のストローク検知によって得られた実際のピストン 1 のストロークの値と「最大ストローク—所定値 A」の記憶値とを用いて行なわれる。なお、「最大スロークー所定値 A」の値は予め ROMに記憶されている。次に、 S4において、ピストン 1の実際のストロークの値が「最大ストロークー所定値 A」以下の値でなければ、変調率制御処理は行われないが、ピストン 1の実際のストロークの値が「最大ストロークー所定値 A」以下の値であれば、 S5の処理が実行される。

[0057] S5において現在の温度 Tc及び現在の温度 Th、現在の温度 Th—温度 Tc、並びに、現在のインバータ回路 100に入力されている直流電圧 V(D)の値が RAMに記憶され、過変調制御処理が実行される。温度 Tcは図 2に示す温度センサ 34によって検出された低温部の温度であり、温度 Thは図 2に示す温度センサ 35によって検出された高温部の温度であり、直流電圧 V(D)は図 3に示す直流電圧センサによって取得された電圧である。

[0058] 次に、 S6において最大ストローク Z (最大ストロークー所定値 A)という式によって規定される仮想の変調率が算出され、この仮想の変調率によって規定されるサイン力ーブの一部が用、られる過変調の制御によってピストン 1が往復運動する。つまり、最大ストロークを超えないストロークでピストン 1が動作するように過変調の制御が実行される。なお、最大ストロークは、ピストン 1とディスプレーサ 2とが衝突しないように予め定められて ROMに入力されて!/、る値である。

[0059] 過変調の制御の実行中は、ストロークの値を算出することができないため、ピストン 1とディスプレーサ 2とが衝突する虞がある力最大ストローク Z (最大ストローク一所定値 A)という式によって規定される仮想の変調率でピストン 1を動作させれば、ピストン 1とディスプレーサ 2とが衝突することが防止され、負荷が大きいために急速冷凍をすることができな、と、う不具合が防止される。 [0060] 次に、図 12の S10において、最大ストローク指令が出力されている力否かが判別され、最大ストローク指令が出力されていなければ、 S29において制御装置 30は過変調の制御を終了する。一方、 S10において、最大ストローク指令が出力されていれば、 S11において、温度 Thの値が S5における温度 Thの記憶値よりも低下したか否かが判別され、それが低下していれば、 S17において Hフラグがセットされている力否かが判別される。 Hフラグは、後述する S26のステップにおいて設定されるフラグであり、温度 Thの記憶値が増加していることを示すフラグである。 S 17において Hフラグがセットされていなければ、制御装置 30はスターリング冷凍機 40の負荷が低下したと判断し、ピストン 1とディスプレーサ 2とが衝突するのを防止するために、 S29において過変調の制御を終了する。また、 S17において、 Hフラグがセットされていれば、 S 18において仮想の変調率が H%低下 (ダウン）され、 Hフラグがリセットされ、かつ、温度 Thの記憶値として前回の記憶値 3度の値が新たに記憶される。その後、 S10の処理が実行される。

[0061] 一方、 S11において温度 Thが記憶値よりも低下していなければ、 S12において、温度 Tcが S5における温度 Tcの記憶値よりも上昇した力否かが判別され、それが上昇していれば、 S19において Cフラグがセットされているか否かが判別される。 Cフラグは後述する S27においてセットされるフラグであり、温度 Tcの記憶値が低減していることを示すフラグである。 S 19において Cフラグがセットされていなければ、制御装置 30はスターリング冷凍機 40の負荷が低下したと判断し、 S29において過変調の制御を終了する。一方、 S19において Cフラグがセットされていれば、 S20において仮想の変調率が C%低下 (ダウン)され、 Cフラグがリセットされ、かつ、温度 Tcの記憶値として前回の記憶値 + 3度の値が新たに記憶される。その後、 S 10の処理が実行される。

[0062] また、 S12において、温度 Tcが S5における温度 Tcの記憶値よりも上昇していなければ、 S13の処理が実行される。 S13においては、インバータ回路 100へ入力される直流電圧 V (D)の値が S5における直流電圧 V(D)の記憶値よりも上昇した力否かが判別され、それが上昇していれば、 S21において Bフラグがセットされている力否かが判別される。 Bフラグは、後述する S28においてセットされるフラグであり、直流電圧 V (D)の値が低下して、ることを示すフラグである。

[0063] S21において Bフラグがセットされていなければ、制御装置 30は、スターリング冷凍機 40の負荷が低下したと判断し、 S29において過変調の制御を終了する。一方、 S2 1にお、て Bフラグがセットされて、れば、 S22にお、て仮想の変調率が B%低下 (ダゥン）され、 Bフラグが削除され、かつ、直流電圧 V (D)の記憶値として前回の記憶値 + 3Vが新たに記憶される。その後、 S10の処理が実行される。また、 S13において直流電圧 V (D)の値が S5における直流電圧 V(D)の記憶値よりも上昇していなければ、 S 14の処理が実行される。

[0064] S14においては温度 Thが記憶値よりも 3度以上上昇したか否かが判別され、温度 Thが記憶値よりも 3度以上上昇して、れば、 S23にお、て Hフラグがセットされてヽる力否かが判別される。 Hフラグがセットされていなければ、 S26において仮想の変調率がさらに H%増加（アップ）され、温度 Thの記憶値が S5の温度 Thの値 + 3°Cに変更され、かつ、 Hフラグがセットされる。その後、 S 10の処理が実行される。また、 S 23にお!/、て Hフラグがセットされて!/ヽれば、 S 15の処理が実行される。

[0065] また、 S14において温度 Thが記憶値よりも 3度以上上昇していない場合にも S15の処理が実行される。 S15にお、ては温度 Tcが記憶値より 3度以上低下したか否かが判別され、それが 3度以上低下していれば、 S24において Cフラグがセットされているか否かが判別される。 S24において Cフラグがセットされていなければ、 S27において仮想の変調率がさらに C%増加（アップ）され、温度 Tcの記憶値が S5の記憶値 3°Cに変更され、かつ、 Cフラグがセットされる。その後、 S10の処理が実行される。また、 S24において Cフラグがセットされていれば S16の処理が実行される。また、 S15 において温度 Tcが記憶値よりも 3度以上低下していなければ、 S16の処理が実行される。

[0066] S16においては、直流電圧 V(D)の値が記憶値よりも 3V以上低下した力否かが判別され、それが 3V以上低下して、れば S25にお、て Bフラグがセットされて、るか否かが判別される。 S25において Bフラグがセットされていなければ、 S28において仮想の変調率がさらに B%増加（アップ)され、直流電圧 V (D)の記憶値が S 5の記憶値 — 3°Cに変更され、かつ、 Bフラグがセットされる。その後、 S10の処理が実行される。また、 S25において Bフラグがセットされていれば、 S1の処理が実行される。

[0067] なお、前述の S 18、 S20、および S22のそれぞれで RAMの記憶値を変更する値は、 + 3または 3に限定されず、スターリング冷凍機 40の特性に応じて適宜決定されるものである。また、前述の S18、 S20、および S22のそれぞれで変更される仮想の変調率の値は、実験によって求められた値であって、ピストン 1とディスプレーサ 2とが衝突しなヽように定められた値である。

[0068] 要するに、図 12に示す継続制御 1においては、温度 Thが図 11の S5において記憶された過変調の制御の直前の温度 Thよりも低下している力、温度 Tcが図 11の S5において記憶された過変調の制御の直前の温度 Tcよりも上昇している力、又は、直流電圧の値が図 11の S5において記憶された過変調の制御の直前の直流電圧の値よりも大きくなつている場合に、制御装置 30はスターリング冷凍機 40の負荷が低下したと判断し、過変調の制御を終了する。従って、ピストン 1とディスプレーサ 2とが衝突することが防止される。

[0069] また、前述の図 12に示す «続制御 1の代わりに、図 13に示すような «続制御 2が実行されてもよい。図 13に示す継続制御 2においては、まず、 S30において最大ストローク指令が出力されている力否かが判別され、最大ストローク指令が出力されていなければ、制御装置 30はこの処理を終了する。また、 S30において最大ストローク指令が出力されていれば、 S31において温度差 Th— Tcが S5における温度差 Th— T cの記憶値より低下した力否かが判別され、それが低下していなければ、 S30の処理および S31の処理が繰り返される。一方、温度差 Th—Tcが記憶値より低下していれば、制御装置 30はスターリング冷凍機 40の負荷が低下したと判断し、過変調の制御を終了する。

[0070] 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。

Claims

請求の範囲

[1] スターリング冷凍機 (40)と、

前記スターリング冷凍機（40)を PWM (Pulse Width Modulation)によって制御する制御装置 (30)とを備え、

前記制御装置（30)は、

前記ピストン（1)を最大ストロークで駆動させる状態力否かを判定するピストン状態判定部（SI, S2)と、

前記ピストン状態判定部（SI, S2)によって前記ピストンを最大ストロークで駆動させる状態であると判定された場合に、前記 PWMによって生成された交流波形の振幅の変調率が最大変調率（100%)に達しているか否かを判定する変調率判定部（S 3)と、

前記変調率判定部 (S3)によって前記変調率が最大変調率に達していると判定された場合に、前記ピストン（1)の現在のストロークが最大ストロークよりも所定値以上小さ、か否かを判定するストローク判定部（S4)と、

前記ストローク判定部（S4)によって前記ピストン（1)の現在のストロークが最大ストロークよりも所定値以上小さ、と判定された場合に、過変調の制御を実行する変調制御部（S6)とを含む、スターリング冷凍システム。

[2] 前記過変調の制御（S6)にお、ては、仮想の変調率が前記最大ストローク Z (前記最大ストロークー前記所定値）になるように、前記 PWMが実行される、請求の範囲第 1項に記載のスターリング冷凍システム。

[3] 前記スターリング冷凍機 (40)の高温部（9)または低温部（10)の温度 (Th, Tc)を検出し、前記制御装置（30)へ前記高温部（9)または前記低温部（10)の温度情報を送信する温度検出器 (35, 34)を備え、

前記変調制御部（S6)は、前記過変調の制御中に、前記過変調の制御を実行する直前の前記高温部（9)の温度 (Th)よりも前記高温部（9)の温度 (Th)が低下して、るか (S5, Sl l, S17)、または、前記過変調の制御を実行する直前に記憶された前記低温部（10)の温度 (Tc)よりも前記低温部（10)の温度 (Tc)が上昇して、る (S5, S12, S19)場合に、前記過変調の制御を終了する（S29)、請求の範囲第 1項に記載のスターリング冷凍システム。

[4] 前記 PWMによって前記交流波形を生成するために前記制御装置（30)へ直流電圧を出力する直流電源生成部 (G, D, C)をさらに備え、

前記制御装置（30)は、前記直流電圧を検出する電圧検出器 (S)を含み、前記変調制御部（S6)は、前記過変調の制御中に、前記過変調の制御を実行する直前の前記直流電圧よりも前記直流電圧が大きくなつている（S5, S13, S21)場合に、前記過変調の制御を終了する（S29)、請求の範囲第 1項に記載のスターリング冷凍システム。

[5] 前記スターリング冷凍機 (40)の高温部（9)の温度 (Th)を検出し、前記高温部（9) の温度情報を前記制御装置 (30)へ送信する高温検出器 (35)と、

前記スターリング冷凍機 (40)の低温部（10)の温度 (Tc)を検出し、前記低温部（1 0)の温度情報を前記制御装置 (30)へ送信する低温検出器 (34)とを備え、前記制御装置（30)は、前記高温部（9)と前記低温部（10)との温度差 (Th— Tc) を算出する温度差算出部（S5, S31)を含み、

前記変調制御部（S6)は、前記過変調の制御を実行する直前の前記温度差 (Th Tc)よりも前記過変調の制御を実行中の前記温度差 (Th— Tc)が小さくなつている（S5, S31)場合に、前記過変調の制御を終了する（S29)、請求の範囲第 1項に記載のスターリング冷凍システム。