(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に配され前記シリンダの軸方向に往復動可能なピストンと、前記ピストンの往復動の駆動源と、前記駆動源に電力を供給する電源と、前記シリンダ内で前記ピストンと所定の位相差をもって往復動するディスプレーサとを有するスターリング冷凍機において、
前記ピストンが往復動可動範囲を超えたことを検知する位置検知手段と、前記ピストンの動作が前記可動範囲を超えたことを前記位置検知手段が検知したとき、前記電源から前記駆動源へ供給する電力を低減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冷凍機。
【請求項２】
シリンダ内に配され前記シリンダの軸方向に往復動可能なピストンと、前記ピストンを往復駆動させるリニアモータと、前記リニアモータに交流電力を供給する電源と、前記シリンダ内で前記ピストンと所定の位相差をもって往復動するディスプレーサとを有するスターリング冷凍機において、
前記リニアモータの同軸上の両側又は片側であって前記ピストンの往復動と連動する永久磁石が往復動可動範囲を超えたことを検知する位置検知用コイルと、前記永久磁石が前記可動範囲を超えたとき前記位置検知用コイルに発生する起電力を検出して前記リニアモータに供給する前記交流電力の電圧値を変更する制御部とを備えたことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項３】
シリンダ内に配されたピストンと、前記ピストンを往復駆動させるリニアモータと、前記リニアモータに交流電力を供給する電源と、前記シリンダ内で前記ピストンと所定の位相差をもって往復動するディスプレーサとを有するスターリング冷凍機の運転制御方法において、
前記リニアモータの同軸上の両側又は片側であって前記ピストンの往復動と連動する永久磁石が可動範囲を超えたことを検知する位置検知用コイルに、前記永久磁石が前記可動範囲を超えたとき発生する起電力を検出して、前記リニアモータに供給する前記交流電力の電圧値を変更することを特徴とするスターリング冷凍機の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機、特にフリーピストン型スターリング冷凍機及びその運転制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング冷凍機は、逆スターリングサイクルとして既知の熱力学的サイクルを利用して所望の冷凍能力を取り出すように構成された冷凍システムである。特に、フリーピストン型スターリング冷凍機は、設計が比較的容易で優れた能力を発揮するため、実用化に向けた開発が盛んに行われている。
【０００３】
図６は、従来のフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の断面図である。まず、このスターリング冷凍機の構成について説明する。略円筒形に形成されたシリンダ３内には、略円筒形の一対のピストン１及びディスプレーサ２が同軸上に配置されている。ピストン１はピストン支持バネ５によって圧力容器４に対して弾性支持されている。
【０００４】
一方、ディスプレーサ２の中心部からピストン１側に延長して設けられたロッド２ａは、ピストン１の中心部を軸方向に貫通する摺動穴１ａに挿通しており、その先端と圧力容器４との間に介在するディスプレーサ支持バネ６によってディスプレーサ２は圧力容器４に対して弾性支持されている。尚、ロッド２ａと摺動穴１ａとの隙間は、摩擦がなくスムーズにロッド２ａが摺動できるだけの隙間を確保してはいるが、作動ガスを通過させにくくするためにできるだけ狭く作られている。
【０００５】
シリンダ３により圧力容器４内に形成される空間は、ピストン１によって２つの空間に分割される。１つはピストン１のディスプレーサ２側に形成される作動空間７であり、もう１つはディスプレーサ２と反対側の背面空間８である。更に、作動空間７はピストン１とディスプレーサ２によって圧縮空間９と膨張空間１０とに仕切られている。そして、圧縮，膨張空間９，１０の間を金網等の充填材（マトリックス）を詰めた再生器１１を配した通路１２によって連通接続し、一定量の作動ガスを圧力容器４内に密閉している。
【０００６】
ピストン１のディスプレーサ２と反対側には非磁性材料から成る断面Ｌ字状のスリーブ１４が連結され、その先端にはピストン１の摺動方向に沿って環状永久磁石１５が取り付けられている。そして、駆動用コイル１６を内包する断面コの字状の外側ヨーク１７、シリンダ３の外周に嵌着された内側ヨーク１８との間の間隙１９内でピストン１の往復動と連動して環状永久磁石１５がシリンダ３の軸方向に摺動できる構造になっている。
【０００７】
駆動用コイル１６には第１のリード線２０及び第２のリード線２１が接続され、これらのリード線２０，２１は耐圧容器４の壁を通して第１の電気接点２２及び第２の電気接点２３との接続を介してＰＷＭ出力部２４と接続されている。以上の環状永久磁石１５、駆動用コイル１６、リード線２０，２１及びヨーク１７，１８は全体としてリニアモータ１３を構成している。そして、ＰＷＭ出力部２４によりリニアモータ１３に交流電力がパルス電圧として供給される。
【０００８】
上記のように構成された従来の冷凍機の動作について説明する。ＰＷＭ出力部２４より電気接点２２，２３及びリード線２０，２１を介して駆動用コイル１６に交流電力を供給すると、駆動用コイル１６には交流の周波数で両端の極性が変化する磁界が作られる。環状永久磁石１５には間隙１９中の上記極性が変化する磁界との相互作用により吸引及び反発力がシリンダ３の軸方向に働く。その結果、環状永久磁石１５が取り付けられたピストン１はシリンダ３内を軸方向に移動する。
【０００９】
今、駆動用コイル１６に正弦波状の交流電力を供給すると、ピストン１がシリンダ３の内壁に沿って摺動しながら往復動する。これにより、圧縮空間９内で作動ガスは圧縮され、再生器１１を通過する際に熱を回収された後、膨張空間１０側に移動する。膨張空間１０内に流入した作動ガスは、ディスプレーサ２を押し下げながら膨張される。
【００１０】
そして、ディスプレーサ２がディスプレーサ支持バネ６の復元力により復帰する際、作動ガスは上記とは逆向きに押し出され、再生器１１を通過する際に半サイクル前に再生器１１に回収された熱を受け取った後、圧縮空間９側に戻る。
【００１１】
これにより、作動空間７内で圧縮又は膨張される作動媒体の圧力変化によって、ピストン１及びディスプレーサ２は、それぞれピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６のバネ定数に従って、一般に約９０°の位相差をもって共振する逆スターリングサイクルが構成される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷凍機の運転中、作動ガスの圧力変化、ガスバランスの崩れが生ずると、ピストン１が設計上の振幅の基準値を上回り、可動範囲を超えて動作することがあり、場合によっては、上記の位相差をもって往復動するディスプレーサ２と衝突して、部品の破損を招く恐れがある。
【００１３】
従って、フリーピストン型スターリング冷凍機の運転に際しては、ピストン１の振幅が基準値を超えないようリニアモータ１３に供給する交流電力を慎重に制御する必要がある。本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、フリーピストン型スターリング冷凍機の運転中、ピストン１とディスプレーサ２との衝突を防止できるフリーピストン型スターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、シリンダ内に配され前記シリンダの軸方向に往復動可能なピストンと、前記ピストンの往復動の駆動源と、前記駆動源に電力を供給する電源と、前記シリンダ内で前記ピストンと所定の位相差をもって往復動するディスプレーサとを有するスターリング冷凍機において、前記ピストンが往復動可動範囲を超えたことを検知する位置検知手段と、前記ピストンの動作が前記可動範囲を超えたことを前記位置検知手段が検知したとき、前記電源から前記駆動源へ供給する電力を低減する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
この構成によると、ピストンが往復動可動範囲を越えたことが位置検知手段により検出されると、それに基づき制御手段によってピストンの駆動源に供給される電力が低減される。
【００１６】
また、本発明は、シリンダ内に配され前記シリンダの軸方向に往復動可能なピストンと、前記ピストンを往復駆動させるリニアモータと、前記リニアモータに交流電力を供給する電源と、前記シリンダ内で前記ピストンと所定の位相差をもって往復動するディスプレーサとを有するスターリング冷凍機において、前記リニアモータの同軸上の両側又は片側であって前記ピストンの往復動と連動する永久磁石が往復動可動範囲を超えたことを検知する位置検知用コイルと、前記永久磁石が前記可動範囲を超えたとき前記位置検知用コイルに発生する起電力を検出して前記リニアモータに供給する前記交流電力の電圧値を変更する制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によると、ピストンの往復動と連動する永久磁石が可動範囲を越えて動作すると、この永久磁石が位置検知用コイルを通過する際に起電力が発生する。そして、この起電力に応じて制御部は、ピストンのリニアモータに供給する交流電力の電圧値を変更する。
【００１８】
また本発明は、シリンダ内に配されたピストンと、前記ピストンを往復駆動させるリニアモータと、前記リニアモータに交流電力を供給する電源と、前記シリンダ内で前記ピストンと所定の位相差をもって往復動するディスプレーサとを有するスターリング冷凍機の運転制御方法において、前記リニアモータの同軸上の両側又は片側であって前記ピストンの往復動と連動する永久磁石が可動範囲を超えたことを検知する位置検知用コイルに、前記永久磁石が前記可動範囲を超えたとき発生する起電力を検知して、前記リニアモータに供給する前記交流電力の電圧値を変更することを特徴とする。
【００１９】
この方法によると、ピストンの往復動と連動する永久磁石が可動範囲を越えて動作すると、この永久磁石が位置検知用コイルを通過する際に起電力が発生する。そして、この起電力に応じてピストンのリニアモータに供給する交流電力の電圧値が変更される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の断面図、図２はその冷凍機の制御装置のブロック図、図３はその冷凍機の制御方法の一例のフローチャート、図４，図５はピストンの往復動の中心位置からの変位と、駆動用コイルに供給するパルス電圧の波形とを示す図である。尚、図１及び図２において図６に示す上記従来のフリーピストン型スターリング冷凍機と同一の部材には共通の符号を附し、その詳細な説明を省略する。
【００２１】
本実施形態に特徴的な構成を図１及び図２を参照して説明する。駆動用コイル１６の両側の環状永久磁石１５の可動範囲外には一対の位置検知用コイル２８，２８が設けられている。尚、この位置検知用コイル２８は、磁界の変化により微弱な誘導起電力を発生できればよく、省スペース化を図るため巻き数は１回か２回程度としている。
【００２２】
位置検知用コイル２８，２８のそれぞれから耐圧容器４を通して引き出されるリード線３０，３０は、アンプ３１を介して制御部３２に接続されている。制御部３２内には、位置検知用コイル２８からの検出信号（誘導起電力）を受けてその値を記憶する記憶部３３と、該記憶部３３に記憶された電圧値を予め設定された基準値と比較する比較部３４と、その比較結果に基づき適切な電圧値を決定してリニアモータ１３に交流電力を供給するＰＷＭ出力部２４とが設けられている。尚、ＰＷＭ出力部２４は、予め与えられた複数の段階的な値を振幅とするパルス電圧（図４参照）を出力するようになっているものとする。
【００２３】
次に、以上のような構成を備えたフリーピストン型スターリング冷凍機の制御方法の一例を図１〜図５を参照して説明する。正常に冷凍機の運転がなされているときは、往復動しているピストン１の中心位置からの変位と、ＰＷＭ出力部２４からリニアモータ１３に供給される交流電圧の振幅との間には、図４のような一対一の対応関係が成立している。
【００２４】
ところが、突発的な作動ガス圧の変化やガスバランスの崩れが生ずると、作動ガスの波動が不規則な変化をし、これにより図５のようにピストン１の振幅が設計上の基準値を上回り、可動範囲を越えて動作する場合がある。この場合、上記の対応関係が崩れ、同じ出力で交流電力をリニアモータ１３に供給していては、一旦増大したピストン１の振幅を元に戻すことはできない。
【００２５】
また、ピストン１の振幅が増大すると、極端な場合、ピストン１と、ピストン１と約９０°の位相差をもって往復動するディスプレーサ２とが衝突して、部品の破損を招く恐れがある。このようなピストン１の振幅の増加があると、ピストン１の往復動と連動する環状永久磁石１５が位置検知用コイル２８内を通過し、この際、位置検知用コイル２８に誘導起電力が発生する。
【００２６】
このときの冷凍機の制御の流れを図３のフローチャートを用いて更に詳しく説明する。ステップＳ１で一定周期、一定振幅のパルス電圧（図４参照）をＰＷＭ出力部２４からリニアモータ１３に供給してピストン１を所望の振幅で往復動させる。このとき、ステップＳ２で位置検知用コイル２８（図１）に発生する誘導起電力の検出が開始され、その起電力をアンプ３１を通して増幅した後、ステップＳ３で制御部３２内の記憶部３３に記憶させる。そして、ステップＳ４でその都度比較部３４によって所定の基準値との比較を行う。
【００２７】
もし、ステップＳ４で位置検知用コイル２８（図１）に発生した起電力が基準値を超えていると判定（否定判定）されると、ステップＳ５でリニアモータ１３に供給するパルス電圧の振幅を１段階下げた値に決定すとともに、再びステップＳ１に戻って上記の振幅を１段階下げたパルス電圧をＰＷＭ出力部２４を介してリニアモータ１３に供給する。これにより、ピストン１の往復動の振幅は瞬間的に設計上の基準値以下に抑えることができる。
【００２８】
一方、ステップＳ４で基準値以下であると判定（否定判定）されると、ステップＳ６に移行してその誘導起電力が零か否かの判断がなされる。もし、ステップＳ６で起電力が零ではないと判断されると、ステップＳ７でリニアモータ１３に供給するパルス電圧の振幅を変更せずそのままの値に維持するとともに、再びステップＳ１に戻って上記のパルス電圧をＰＷＭ出力部２４を介してリニアモータ１３に供給する。この場合は、ピストン１は可動範囲を超えて往復動しているが、ディスプレーサ２と衝突する恐れがないので、敢えてリニアモータ１３に供給するパルス電圧の振幅を変更しないのである。
【００２９】
一方、ステップＳ６で記憶された誘導起電力が零、即ち誘導起電力が発生しなかったと判定された場合は、ピストン１の往復動の振幅が設計上の基準値以下であるとでみなせるので、ステップＳ８でリニアモータ１３に供給するパルス電圧の振幅を１段階上げた値に決定するとともに、再びステップＳ１に戻って上記の振幅を１段階上げたパルス電圧をＰＷＭ出力部２４を介してリニアモータ１３に供給する。この場合は、ピストン１は可動範囲内で往復動してはいるが、何らかの原因で運転開始直後と比較して振幅が落ちていることも考えられるので、一旦、リニアモータ１３に供給するパルス電圧の振幅を１段階上げるのである。
【００３０】
尚、本実施形態では一対の位置検知用コイル２８，２８を駆動用コイル１６の両側に設ける場合について説明したが、振幅の増大はピストン１の往復動の中心位置が不変である限り、どちら側を見ても同一なので、駆動用コイル１６の片側にのみ位置検知用コイル２８を設けても同様の効果が得られることは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、シリンダ内に配され前記シリンダの軸方向に往復動可能なピストンと、前記ピストンの往復動の駆動源と、前記駆動源に電力を供給する電源と、前記シリンダ内で前記ピストンと所定の位相差をもって往復動するディスプレーサとを有するスターリング冷凍機において、前記ピストンが往復動可動範囲を超えたことを検知する位置検知手段と、前記ピストンの動作が前記可動範囲を超えたことを前記位置検知手段が検知したとき、前記電源から前記駆動源へ供給する電力を低減する制御手段とを備えたことにより、位置検知手段から制御手段への出力があった場合、駆動源に供給する電力が低減されるため、ピストンの往復動の振幅が設計上の基準値を上回り、可動範囲を大きく越えて動作することを抑制し、ピストンとディスプレーサとの衝突による部品の破損を防止できる。
【００３２】
また、本発明によると、シリンダ内に配され前記シリンダの軸方向に往復動可能なピストンと、前記ピストンを往復駆動させるリニアモータと、前記リニアモータに交流電力を供給する電源と、前記シリンダ内で前記ピストンと所定の位相差をもって往復動するディスプレーサとを有するスターリング冷凍機において、前記リニアモータの同軸上の両側又は片側であって前記ピストンの往復動と連動する永久磁石が往復動可動範囲を超えたことを検知する位置検知用コイルと、前記永久磁石が前記可動範囲を超えたとき前記位置検知用コイルに発生する起電力を検出して前記リニアモータに供給する前記交流電力の電圧値を変更する制御部とを備えたことにより、前記誘導起電力が所定の基準値を越えると、駆動用コイルに供給する交流電力の電圧値が低減されるため、ピストンの往復動の振幅が設計上の基準値を上回り、可動範囲を大きく越えて動作することを抑制し、ピストンとディスプレーサとの衝突による部品の破損を防止できる。
【００３３】
また、本発明によると、ディスプレーサを動力源を用いて駆動する必要がないため、ディスプレーサの往復動にもエネルギーを必要とする２シリンダ方式のスターリング冷凍機に比し、スターリング冷凍機の構成が簡略化されるとともに、冷凍機運転時のランニングコストの削減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の断面図である。
【図２】その冷凍機の制御装置のブロック図である。
【図３】その冷凍機の制御方法の一例のフローチャートである。
【図４】ピストンの往復動の中心位置からの変位と、駆動用コイルに供給するパルス電圧の波形とを示す図である。
【図５】ピストンの往復動の中心位置からの変位と、駆動用コイルに供給するパルス電圧の波形とを示す図である。
【図６】従来のフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の断面図である。
【符号の説明】
１    ピストン
２    ディスプレーサ
３    シリンダ
４    耐圧容器
５    ピストン支持バネ
６    ディスプレーサ支持バネ
７    作動空間
８    背面空間
９    圧縮空間
１０    膨張空間
１１    再生器
１２    通路
１３    リニアモータ
１４    スリーブ
１５    環状永久磁石
１６    駆動用コイル
２４    ＰＷＭ出力部
２８    位置検知用コイル
３１    アンプ
３２    制御部
３３    記憶部
３４    比較部
【図１】
0003566213.tif 000002
【図２】
0003566213.tif 000003
【図３】
0003566213.tif 000004
【図４】
0003566213.tif 000005
【図５】
0003566213.tif 000006
【図６】
0003566213.tif 000007