(57)【要約】  本発明は機械装置の機械的振動の振幅を最小化するための方法および装置であり、この機械装置は駆動される機械の往復運動する質量に結合されて駆動振動数で往復運動に駆動する自由に直線往復運動する原動機を含む。結合された原動機および駆動される機械は、主な系の往復運動の共振振動数を有する主な共振系を形成するように往復運動する質量に力を加えるバネを有する。駆動される機械が許容可能な作動効率で作動する駆動振動数の範囲が決定され保存される。振動の振幅または作動温度等の機械装置の作動のパラメータが感知され、原動機は感知したパラメータに応じて、駆動振動数で駆動されるが、この駆動振動数は、主な系の往復運動の共振振動数からずれており、作動効率が許容可能な駆動振動数の範囲内であり、既存の作動条件下で機械装置の機械的振動の振幅を減少または最小化させる振動数である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械装置の機械的振動の振幅を最小化するための方法であって、前記機械装置は駆動される機械の往復運動する質量に結合され、前記質量を駆動振動数で往復運動に駆動する自由に直線往復運動する原動機を有し、前記結合された原動機および駆動される機械は、主な系の往復運動の共振振動数を有する主な共振系を形成するように前記往復運動する質量に力を加えるバネを有する、方法において、
（ａ）前記駆動される機械が許容可能な作動効率で作動する駆動振動数の範囲を決定し
て保存するステップと、
（ｂ）前記機械装置の作動のパラメータを感知するステップと、
（ｃ）前記感知したパラメータに応じて前記原動機を駆動振動数で駆動するステップで
あって、前記駆動振動数は、
（ｉ）前記主な系の往復運動の共振振動数からずれており、
（ｉｉ）前記作動効率が許容可能な駆動振動数の範囲内であり、
（ｉｉｉ）既存の作動条件下で前記機械装置の機械的振動の振幅を減少または最小化
させる振動数である、ステップとを有する、方法。
【請求項２】
前記感知するステップが前記機械装置の振動の振幅を感知するステップを有し、前記方法は、
（ａ）前記主な系の往復運動の共振振動数を含む振動数の範囲に渡り前記駆動振動数を
掃引するステップと、
（ｂ）前記感知した振動の振幅を複数の前記掃引駆動振動数に関連付けて保存するス
テップとを、さらに有し、
前記原動機が、感知保存された最小の振幅に関連付けられ保存された駆動振動数である駆動振動数で駆動される、請求項１項記載の方法。
【請求項３】
前記方法が定期的に繰り返される、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記駆動される機械が自由ピストンスターリングヒートポンプ装置である、機械装置を制御するための方法であって、
（ａ）前記駆動振動数の範囲が前記機械装置の少なくとも１つの部品の試験に応じて決
定保存され、
（ｂ）前記機械装置の少なくとも１つのヒートポンプ装置が、複数の作動温度で試験中
に作動させられ、前記作動温度のそれぞれに対して前記許容可能な駆動振動数の
範囲内で前記駆動振動数が変化させられ、前記機械装置の最小の振動の振幅をも
たらす前記駆動振動数がそれぞれの作動温度と関連付けて保存され、
（ｃ）前記作動温度および関連付けられた駆動振動数は、前記試験された機械装置の複
製品の振動数制御システム中に接続された記憶装置内の照合表として保存され、
（ｄ）前記感知するステップが、前記試験された機械装置の前記複製品の前記作動温度
を感知するステップを有し、
（ｅ）前記原動機が、前記感知した温度に関連付けられて前記保存された駆動振動数で
駆動される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
機械装置の機械的振動の振幅を最小化するためのコンピュータまたは論理回路の制御システムであって、前記機械装置は、駆動される機械を往復運動に駆動する自由に直線往復運動する原動機を有する主な機械を含み、前記主な機械は、その近辺で前記主な機械が作動的に駆動されるよう設計された共振振動数を有する機械的共振揺動器を形成するように、質量と前記質量に力を加えるバネとを有する、制御システムにおいて、
（ａ）機械作動のパラメータを感知するためのセンサと、
（ｂ）前記駆動される機械が許容可能な作動効率で作動する駆動振動数の範囲を保存す
るためのデータ保存部と、
（ｃ）前記原動機を制御するために、前記センサおよび前記データ保存部から入力を受
けるように接続され、かつ、前記感知したパラメータに応じて、前記主な機械の
往復運動の共振振動数からずれているが、前記保存された作動効率が許容可能な
駆動振動数の範囲内であり、既存の作動条件下で前記機械装置の機械的振動の振
幅を最小化する駆動振動数で、前記原動機を駆動するためにプログラムされたマ
イクロコントローラとを有する、制御システム。
【請求項６】
前記センサが前記機械装置の振動の振幅を感知する請求項５記載の制御システム。
【請求項７】
前記センサが加速度計である請求項６記載の制御システム。
【請求項８】
前記センサが温度センサである請求項５記載の制御システム。
【請求項９】
前記センサが、振動バランサのバネの温度を感知するように接続された請求項８記載の制御システム。
【請求項１０】
前記原動機がリニア電気モータである請求項５記載の制御システム。
【請求項１１】
前記原動機が自由ピストンスターリングエンジンである請求項５記載の制御システム。
【請求項１２】
前記駆動される機械が自由ピストンスターリング冷却器である請求項５記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に機械装置の機械的振動を最小化することに関し、この機械装置は、自由に直線往復運動する原動機によって往復運動に駆動される１つまたは複数の質量を含み、この原動機を制御する電子制御装置を使用する。
【背景技術】
【０００２】
自由に直線往復運動する機械は、耐久性が良く、摩耗が少なく、制御性および効率がよいため、頻繁に使用される。自由に往復運動する機械には、リニアコンプレッサ、自由ピストンスターリングエンジン、スターリング冷却器、極低温冷却器およびヒートポンプ、リニアモータ、およびリニア交流発電機を含む。自由に直線往復運動する機械は、制御可能なストロークで往復運動するが、従来のクランクシャフトおよびコネクティングロッドに限定されない。しかし、自由に直線往復運動する機械は、共通のハウジング内で直線的に往復運動する１つまたは複数の質量を有し、かつ／または共通の支持フレームに取り付けられているために、著しい振動を引き起こす。
【０００３】
一般に、主な機械またはシステムは、互いに接続された複数の自由に往復運動する機械よりなる。往復運動する機械の１つは、スターリングリニアモータとも呼ぶことができる自由ピストンスターリングエンジンまたは電動リニアモータ等の、自由に直線往復運動する原動機である。他の往復運動する機械には、機械的な連結を通して原動機によって駆動される自由に直線往復運動する負荷があり、例えば、自由ピストンコンプレッサ、スターリングヒートポンプまたは冷却器、または電気交流発電機があり得る。原動機およびそれが駆動する負荷の両方の往復運動する合成質量が振動に寄与する。この振動は通常望ましくないものであり、このような振動の振幅を最小化するために、さまざまなシステムが開発されてきた。
【０００４】
一般に、自由ピストンおよび他の自由に直線往復運動する機械は、往復運動する質量にバネ力を加える１つまたは複数のバネを伴って構築される。原動機およびそれが駆動する機械の両方ともバネを含み得る。バネは、ガスバネ、磁気バネおよび機械的バネの１つまたは組み合わせたものを含み得る。ガスバネおよび磁気バネはバネ力を与えるために設計された装置であり、すなわち、さらに一般的には、これらは、機械の部品に作用するガス、および／または電気リニアモータおよび交流発電機等の機械の中に使用される電磁石装置または永久磁石システムからの磁力の結果である。自由に直線往復運動する原動機の質量およびバネ、および駆動される自由に直線往復運動する機械は、合わさって共振系である主な機械を形成する。
【０００５】
一般に、主な機械は、共振振動数またはその近辺で作動するように設計されるが、共振が機械の効率を最大化させるためである。そのような系の固有振動数は次式によって表される。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
ここで、ｆはサイクル／秒、またはヘルツで表した共振振動数で、Ｋはニュートン／メートルで表した合成バネ定数、ｍはＫｇで表した合成質量である。用語「合成」は、主な機械の個々の質量およびバネの総和を指すように使用され、用語「質量」および「バネ」は、これらの効果が互いに合計される場合に、合成質量または合成バネを含むように使用される。
【０００８】
振動問題は、機械装置が主な機械またはシステムからなり、それが駆動される機械を駆動する原動機を含み、さらに、１つまたは複数の二次的な振動系を含む他の装置にも結合される場合に、一層複雑になり得る。機械的に主なシステムに接続されるように二次的な振動系を装着することによって、そのような二次的なシステムが主な機械に結合される場合があるが、これは、例えば、両方のシステムが同じ支持フレームに装着されているからである。二次的な振動系は、質量およびバネを伴い作動中に揺動するように設計される装置の場合があるし、または、通常の機能の一部としては揺動することを意図しないが、それにもかかわらず、バネとして作用する構造に接続された質量を有する装置の場合がある。通常の作動中に振動することを意図しない場合には、主なシステムに結合される二次的な振動系は寄生共振系である。寄生共振系の共振振動数が主な機械の駆動振動数に十分に近い場合、寄生振動系は過度の振幅で振動し得る。寄生振動系が駆動振動数で振動し、主なシステムに対して位相のずれが９０°より少ない場合には、機械装置の全体の振動が増加し得る。
【０００９】
先行技術では、主な機械の振動を減少させるために、さまざまな装置が開発されてきた。これらは、「振動吸収器」を含み、さまざまな名称で知られるが、それらは振動を「吸収」するのではないので、もっと正確には振動バランサと呼ばれる。振動バランサは、主なシステムに通常は直接接続によって、主なシステムに機械的に結合される二次的な振動系である。振動バランサの目的は、主な機械の往復運動に起因する振動を減少させることであるが、振動バランサは、主な機械またはシステムの一部ではないため、望ましくは、二次的な振動系の形態として見なされる。１つの一般的な振動を釣り合わせるシステムは、主な機械の振動する質量によって発生する力と等しく、しかし反対向きの力を、振動する主な機械に加えるように、往復運動する対抗の釣り合わせ質量を駆動するようにする。振動バランサの駆動される質量は、自身の原動機によって駆動可能であるが、または、別法としては、振動する主な機械の振動によって駆動され、その結果、同じ駆動振動数で共振するが、振動する主な機械の振動に対して位相のずれが１８０°で往復運動するように設計可能である。前者の性質のシステムの実施例が米国特許第５，６２０，０６８号公報に示される。
【００１０】
振動を減少させるための他のシステムが米国特許第６，０４０，６７２号公報に例示されている。電気モータ駆動信号中に誘起された波形が感知され、制御波形に変換され、振動を減少させるためにモータ駆動電流に加えられる。
【００１１】
これらのシステムは比較的に安定な作動条件では満足に機能するが、作動条件が極端に変動する場合には、困難に直面する。例えば、スターリングサイクル冷却器は極端な周囲温度変動に曝される場合がある。−４０℃から＋６０℃までの範囲のいずれかで作動する場合がある。スターリング冷却器に振動バランサが取り付けられている場合、温度のこのような変動は冷却器のバネの剛性を変化させ、それによってバネ定数を変化させ、従って、振動バランサの固有振動数を変化させる。冷却器内のバネ力の有効バネ剛性もまた幾分変化し得るが、振動バランサは一般にＱが高い（すなわち、共振ピークが急峻）一方、スターリング冷却器は一般に比較的にＱが低いため、これの変動は通常あまり影響しない。従って、駆動振動数が変わらなければ、振動バランサの固有振動数の比較的小さな変動は、揺動の有効振幅に大きな変動をもたらす。その結果、振動する主な機械の振動を打ち消す振動バランサの能力は、著しく減少する。同様に、温度の変化も、電気的なパラメータの変化をもたらし、その結果、磁気バネ効果の有効バネ定数を変化させ得る。温度は、また、スターリングエンジンの動的な挙動も変化させ、作動振動数を変化させてしまう。機械的バネまたは変化するストロークに反応する構造部品の非線形な挙動も、同様に、固有振動数を変化させ得る。
【００１２】
その結果、振動バランサを備える機械装置は、ある作動条件下では良く釣り合い、許容可能な振動の振幅を示すが、作動条件が所定の作動条件から大きく逸脱すると、作動条件の変化が振動バランサの共振振動数すなわち固有振動数を変化させる、または、主なシステムに対する位相関係を変化させる、またはその両方のために、振動バランサは効果が少なくなる。振動バランサの効果が少なくなると、振動の振幅が増加する。
【００１３】
同様に、主なシステムに結合した二次的な寄生振動系の共振振動数も、作動条件の変化の結果変わり得る。その結果、その作動条件が大きく変化すると、ある作動条件下で機械装置の振動を悪化させない二次系が問題になり得る。作動条件が大きく変化すると、振動問題のない機械装置の部品が問題になり得る。寄生振動システムもまた、機械が構築させた後に発見させる場合がある。
【００１４】
バネ定数または、それ以外であれば揺動の固有振動数を変化させることが可能な振動バランサを構築することが可能であろうが、そのような振動バランサは従来の振動バランサよりもさらに高価であろう。振動バランサはかなりの費用になるだけでなく、製品に対して場所を取り、かつ重量を加える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の特徴と目的は、作動条件の変動の結果としての変動に対して、振動バランサが振動を打ち消す能力を電気的に補償することによって、振動バランサを補うことである。
【００１６】
本発明の他の目的および特徴は、自由に直線往復運動する主な機械のための、二次的な寄生振動系を補償可能な制御システムを提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的および特徴は、自由に直線往復運動する原動機の制御される作動特性を変化させて、自由に直線往復運動する主な機械に関連する共振振動数の変化のさまざまな原因のどのようなものも補償し、かつ、これがなければ、作動条件の変化に起因する非補償の変化が振動の増加をもたらし得る、主な機械に接続された振動バランサのどのようなものも補償することによって、振動を電気的に減少させることである。
【００１８】
さらに本発明の他の目的は、機械の作動条件の変化に、独立して、かつ応じて、自由に直線往復運動する主な機械の共振振動数の変化を補償することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は機械装置の機械的振動の振幅を最小化するための方法および装置であり、この機械装置は駆動される機械の往復運動する質量に結合されて駆動振動数で往復運動に駆動するリニアモータを含む。結合されたモータおよび駆動される機械は、主な系の往復運動の共振振動数を有する主な共振系を形成するように往復運動する合成質量に力を加える、１つまたは複数のバネを有する。駆動される機械が許容可能な作動効率で作動する駆動振動数の範囲が決定され保存される。機械装置の作動のパラメータが感知され、リニアモータは感知したパラメータに応じて、駆動振動数で駆動されるが、この駆動振動数は、主な系の往復運動の共振振動数からずれており、作動効率が許容可能な駆動振動数の範囲内であり、既存の作動条件下で機械装置の機械的振動の振幅を減少または最小化させる振動数である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面に例示される本発明の好適な実施形態を説明するにおいて、明示化の目的のために特定の技術を利用する。しかし、本発明はこのように選択された特定の表現に限定されることを意図したものではなく、かつ、各特定の表現は、同様の目的を達する同様な方法で作動する全ての技術的な等価物を含むと理解すべきである。
【００２１】
本発明は、振動バランサを含み得る二次的な振動系に結合されて振動または往復運動する主な機械を含む機械装置において、３つの振動数が重要であるとの観察を利用する。これらは、振動する主な機械の共振（固有）振動数、二次的な振動系の共振（固有）振動数、および主な装置の作動振動数である。主な機械の作動振動数は、振動バランサ、および主な機械に結合された他の任意の二次的な振動系の作動振動数でもある。
【００２２】
任意の共振系について振動数と振動の振幅をグラフ表示すると、プロットされた振幅は共振振動数を中心とした共振ピークを形成する。これらのピークは、広範囲な緩やかな形態から急峻で急勾配の形態まで延びる拡がりで、立ち上がり立ち下がる。当業者には既知なように、ピークが急峻であればある程、共振系のＱ因子「Ｑ」が高い。
【００２３】
本発明は、自由に直線往復運動する駆動される機械を駆動する自由に直線往復運動する原動機を有し、これらの合成共振振動数またはその近辺で効率的に作動するこれらの主な機械は、それでもなお、通常は、許容可能な効率で作動可能な駆動振動数の帯域を有するとの観察を利用する。これらは、自身の共振振動数で正確に作動することに制限されない。これは、部分的に、スターリング冷却器を駆動するリニアモータ等の典型的な主な機械が、通常、低いＱの共振ピークを示すためである。これは有益ではあるが、駆動される機械が許容可能な作動効率で作動する駆動振動数の範囲は、主な機械の機械的に共振し往復運動する部品のＱによって決まるだけでなく、主な機械の他の設計および作動特性にも依存する。しかし、任意の特定の機械の設計者は、通常の技術的な原理を特定の主な機械とその用途に適用して、許容可能な駆動振動数の範囲を決定することができる。
【００２４】
図１は機械装置１０を図式的に例示し、これは、スターリング冷却器１６を往復運動に駆動する電磁気リニアモータ１４と、データ保存部２０を有するモータ制御回路１８と、リニアモータ１４の作動の制御部からなる主な機械１２とを有する。主な機械１０は、振動バランサ２６および寄生共振系２８等の二次的な振動系２４を含んでよい。例示された部品の全ては機械的に互いに結合し、機械装置１０を形成する。例えば、これらは、同じハウジング内または同じフレーム上に物理的に互いに接続されてよく、または、振動を伝達可能な中間的な物理構造によって互いに連結されてもよい。
【００２５】
制御システムは、また、振動系２４の温度を感知し、これは外装部で検知可能だが、温度データをモータ制御部１８に入力する温度センサ２２を有する。振動バランサのバネは、その温度が最も変化し振動バランサの共振振動数に直接影響する主な部品であるため、温度センサでこの温度を感知してもよい。別法では、周囲環境温度、またはバネに熱的に接続される部品の温度を感知してバネ温度を近似させることも可能である。
【００２６】
モータ制御部１８は従来型でよく、典型的にはマイクロプロセッサベースの計算システム、またはマイクロコントローラ、またはデジタル信号プロセッサであり、追加のセンサを含んでよい。好ましい制御回路はマイクロプロセッサの制御装置であるが、制御回路の機能を提供する多くの代替え手段が存在する。当業者には既知なように、さまざまな市販の非マイクロプロセッサベースの制御装置があり、これらは制御装置の機能を提供可能で、従って、等価であり、マイクロプロセッサ制御装置を置換可能である。感知機能は別の回路構成によって実行可能であるし、また、制御装置に搭載して提供可能である。適する制御装置は市販の等価なデジタルおよびアナログ回路を含み得る。本発明の制御回路に使用可能な制御装置の例には、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル・ゲートアレー、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブル・アナログアレー、およびロジックゲートアレーを含む。このような回路は、初歩的なデジタル論理回路でもよく、ダイオードおよびトランジスタ等の個別部品で構築してもよい。従って、用語「制御装置」は、総称的に、入手可能な、または既知のデジタル論理およびアナログ信号処理回路の任意の組み合わせを指すために使用され、上述のように制御回路の論理機能を実行するために、構築、プログラム、または、それ以外で形成可能である。
【００２７】
先行技術に広く示されているように、リニアモータは、固定電気子巻線内で往復運動するように配置された往復運動する一式の磁石を有する。磁石は、電気子巻線に印可された交流電流によって発生した交流磁界によって往復運動に駆動される。磁石の支持部は、スターリング冷却器１６のピストンに接続されており、これを往復運動に駆動する。この往復運動はスターリング冷却器に熱エネルギを冷却器の１つの場所から他の場所に汲み上げさせ、そこで熱が排除される。当分野で既知のように、これらの上述した熱の汲み上げ能力のために、このようなスターリング装置はヒートポンプとしてより一般に知られている。スターリングヒートポンプは、排除した熱で物体を熱する、または装置の冷却場所で熱を受容し周囲環境中に排除することによって物体を冷却する、いずれかのために使用可能である。つまり、後者は冷却器と呼ばれることが多く、これには極低温度に冷却する冷却器を含む。スターリングヒートポンプ、コンプレッサ、または流体ポンプ等、リニアモータおよび駆動される機械の詳細は例示されていないが、これらは本発明ではなく、先行技術に多数の実施例が示されているためである。この回路の原理は、他の自由に直線往復運動する原動機、および、振動バランサを使用するリニアコンプレッサおよび自由ピストンスターリングエンジン等の駆動負荷にも適用可能である。
【００２８】
図２は本発明の他の実施形態の例を示す。機械装置３０は、スターリング冷却器３６を往復運動に駆動するリニアモータ３４と、自身の駆動振動数の制御部を含むリニアモータ３４を制御するためのモータ制御部３８とを含む主な機械３２を有する。モータ制御部は加速度計等の振動の振幅センサ４０を有し、機械装置３０の振動の振幅を表す信号を感知しモータ制御部３８に入力する。これらの装置の全ては、図１に関連して説明したように、物理的に互いに結合される。図２の実施形態は、振動バランサ４６および寄生振動系４８等の１つまたは複数の二次的な振動系に結合してもよい。
【００２９】
図３は、本発明が作動する原理を例示する。これは、代表的で典型的な振動値と曲線を表しているが、本発明はこれらの値や曲線に限定されない。例えば、往復運動する主な機械は、６０Ｈｚで共振し作動するように設計されることが一般的である。しかし、５０Ｈｚ、１２０Ｈｚまたは４００Ｈｚ等の、他の多くの作動振動数も実用的である。説明した型の主な機械は、一般的に、上の式１中のｆに対応する振動の固有振動数すなわち共振振動数ｆ０で共振するように設計される。共振ピークＭは、６０Ｈｚの共振振動数を有する主な機械の機械的振動の典型的な共振ピークを例示している。その共振ピークは、自身の共振振動数の周りに比較的幅が広く、従って、比較的低いＱ特性を示す。共振ピークＳ１およびＳ２は、二次的な振動系の典型的な共振ピークを例示している。これらは、比較的急峻かつ急勾配であり、従って比較的高いＱ特性を示す。
【００３０】
仕事率が半分の点（７０．７％の振幅）は、よく知られた共振ピークの幅の測定法の１つであるが、この測定法は系の機械的な共振面についてのみ適用可能である。その冷却効率または性能の係数等、主な機械の他の作動特性が、駆動される機械の作動効率を決定する。従って、許容可能な効率で駆動される機械が作動する駆動振動数の範囲は、機械的に揺動する系の共振ピークの幅と異なり得るし、また通常は異なる。しかし、この許容可能な駆動振動数の範囲は、設計者によって決定可能であり、通常、決定される。図３では、許容可能な駆動振動数の範囲Ｒの例が、５８Ｈｚと６２Ｈｚの間にあるように例示されて
いるが、異なった主な機械に対しては異なるだろう。
【００３１】
共振ピークＳ１およびＳ２は、本発明の作動を説明する際に使用し、振動バランサである二次的な振動系、または寄生振動系である二次的な振動系のいずれかを表してよい。それぞれを順に説明する。
【００３２】
二次的な振動系が振動バランサであり、主な機械が公称すなわち設計条件下で作動している場合、主な機械を表すピークＭおよび、振動バランサを表すピークＳ１で作動している。この条件下では、この振動数は振動バランサの共振振動数と一致するため、駆動される機械は主な機械の公称共振振動数、例では６０Ｈｚで駆動可能である。しかし、温度等の作動条件が大きく変化し、主な機械または二次的な振動系の物理的なパラメータが共振振動数の１つまたは両方を変化させると、この変化は互いに対して水平に変位した１つまたは両方のピークとして図３のグラフ上で現れるだろう。例えば、ピークＳ１はピークＳ２の位置に移動するかも知れないし、他の方向に異なった間隔だけ移動するかも知れない。
【００３３】
主な機械が主な機械の共振振動数で継続して駆動される場合、ピークＳ１がＳ２の位置に変位すると振動バランサは大きく効率が低下する。しかし、主な機械の駆動振動数がピークＳ２の中心近くに変化すると、変化した作動条件が同じである限り、振動バランサはこの振動数、例では６２Ｈｚで一層有効になるだろう。振動バランサのピークが６１Ｈｚまたは６２Ｈｚの中心に変位する場合、駆動振動数は、それぞれ６１Ｈｚまたは６２Ｈｚに移動させられるだろう。従って、本発明では、モータ制御システム１８または３８はリニアモータを主な機械または系の共振振動数からずれた駆動振動数で駆動し、この振動数は、振動バランサの変位した共振振動数の付近または、この振動数であるが、しかし、主な機械の作動効率が許容可能な駆動振動数の範囲内である。
【００３４】
従って、本発明の１つの態様では、主な機械および振動バランサの共振ピークの中心振動数の逸脱を引き起こす作動条件の変化に応じて、リニアモータの駆動振動数が、振動バランサの変化した中心振動数近くに移動させる。駆動振動数は、変位したピークＳ２の共振振動数近くになるように変化可能であるが、許容可能な駆動振動数の範囲Ｒの制限を越えて移動し得ないが、もしそうした場合に、主な機械の作動が許容不可な劣化を引き起こす可能性があるためである。
【００３５】
二次的な振動系が寄生振動系である場合には、その共振ピークは主な機械の中心振動数ｆ０から十分に離れており、そこから変化しないと予想されるので、これは決して本発明の要素にはならない。しかし、機械装置１０または３０に装着された他の装置が、１つまたは複数の寄生振動系を導入し、そのいずれかが予期せずに中心振動数ｆ０に近い共振ピークを有する、または、作動条件の変化の結果、共振ピークが中心振動数ｆ０に近くに移動する場合がある。ピークＳ１およびＳ２は、そのような寄生の二次的な振動系の共振ピークを代表できる。ピークＳ１が寄生振動系のピークの場合、二次的な寄生系の振動は、範囲Ｒ内に留めつつもピークＳ１の中心振動数のいずれかの側に駆動振動数を変化させることによって、大きく減少可能であることを図３では例示している。その結果、駆動振動数は５８Ｈｚまたは６２Ｈｚに最適化されるだろう。ピークＳ２が寄生振動系のピークの場合、この例では、寄生系の振動は、駆動振動数を５８Ｈｚに移動させることによって最小化されるが、この振動数はピークＳ２の中心振動数からできるだけ離れるが、範囲Ｒの範囲は超えない。
【００３６】
上の原理に従って、自由に直線往復運動する原動機の駆動振動数を変化させる制御システムを設計および構築する方法は多数あるが、６つの実施例を説明する。この全てにおいて、機械装置の振動の振幅または機械装置の構成部品の温度等、機械装置の作動のパラメータを感知することを含む。感知されるパラメータは、本発明を実施するために備えられるセンサによって感知してもよいし、または、他の制御システムの一部であるセンサでもよい。
【００３７】
図２は６つの実施例の第１番目である。振動振幅センサ４０は機械装置の振動の振幅を感知する。任意の一部品の振動は通常他の構成部品に伝達されるため、一般に、振幅センサは、互いに機械的に結合した、機械装置の任意の構成部品上に配置可能である。モータ制御部３８は、作動効率が許容可能な駆動振動数の範囲内に分布した、いくつかの代表的な振動数の各振動数でリニアモータ３４を駆動する。各振動数は、感知した結果の振動の振幅と関連付けて保存される。これは、開始時に、開始後定期的に、選択されたレベルより上の感知した振動の振幅に応じて、および／または、他の条件またはアルゴリズムに応じて、実施される。モータ制御部３８のソフトウェアまたは論理回路構成は、次に、最小の振動振幅を選択し、この最小の振動振幅に関連付けられた振動数でリニアモータを駆動する。従って、振動は、この処理を実行する時の既存の作動条件において、減少または最小化する。この処理の繰り返しによって、制御システムが変化した作動条件に対応することが可能となる。
【００３８】
さらに具体的には、振動数の範囲Ｒに渡る振動数の掃引またはディザリングと本明細書で呼ぶいくつかの任意の技術によって、リニアモータを許容可能な範囲Ｒ内の複数の振動数で駆動することによって、モータ制御回路３８は振動が最小となる振動数を発見する。振動数を掃引する最も一般的な形態は、範囲Ｒの一方の側から他方に、連続的または段階状漸進的に、振動数を徐々に変化させることである。しかし、別法として、この掃引は不連続またはランダム方式で実行してもよく、また、選択された離間間隔で実施してもよい。
【００３９】
図１は本発明の第２の実施例を示す。温度センサ２２は振動バランサ２６または周囲環境の温度を感知し、温度データをモータ制御部１８に入力する。本発明の全ての実施形態と同様、作動効率が許容可能な駆動振動数の範囲は、少なくとも１つの機械装置での試験に応じて決定され保存される。この試験は、通常、実験室の装置設定で実行されるが、技術設計仕様に基づくことも可能である。この実験的に決定される、作動効率が許容可能な作動振動数の範囲は、次に、この機械装置の製造複製品の中に保存される。
【００４０】
少なくとも１つのヒートポンプ機械装置もまた、通常、実験室環境中で、複数のさまざまな作動温度で作動させることによって試験され、各作動温度に対して、駆動振動数は許容可能な駆動振動数の範囲内で掃引される。機械装置の最小の振動の振幅をもたらす駆動振動数は、各作動温度に関連付けて保存される。その結果、感知される各作動温度に対して、最小振動を与える駆動振動数が保存される。これらの作動温度およびこれに関連付けられた駆動振動数は、試験された機械装置の製造複製品の振動数制御システム中に接続された記憶装置２０内の照合表として保存される。別法として、各測定された温度と関連付けて振動バランサのバネ用のバネ定数を照合表に保存し、なんらかのアルゴリズムを用いてバネ定数を駆動振動数に変換してもよい。さらに別法として、照合表の代わりに、多項式級数等の既知の数学的な技術を使用して式に展開して照合表のプロットを近似し、それによって、モータ制御マイクロプロセッサによって計算された結果で振動吸収バネ定数または作動振動数を感知した温度に関連させることも可能である。
【００４１】
製造複製品の作動中に、複製品の対応する作動温度が感知され、関連付けられた駆動振動数またはバネ定数がデータ保存部２０から取り込まれる、または別法として、前の式によって計算される。次に、リニアモータが、感知した温度に関連付けられ保存または計算された駆動振動数で駆動される。この過程が製造機械の作動中に繰り返され、機械装置は、常に、最も最近感知した温度に対する最小振動振幅を与える駆動振動数で駆動されるようになる。
【００４２】
寄生の二次的な振動系および振動バランサの両方を有する機械装置については、さらなる共振ピークが図３と同様なグラフ上に現れるだろう。しかし、本発明の方法と処理は変わりはなく同じである。
【００４３】
図４は本発明の実施形態の第３の実施例を示す。これには、先行技術の機械装置および制御システムが示されているが、本発明を実施するために部品が追加されている。
【００４４】
例示された先行技術のシステムは、駆動負荷および自身の内部可動質量５２を駆動するように機械的に連結され、かつ、二次的な振動システム５４に機械的に接続される、電気リニアモータ５０からなる主な機械を有する。センサ５６は、上死点（ＴＤＣ）または可動質量５２の内の１つのピストン位置等、主な機械の作動のパラメータを感知し、モータ電流および電圧もまた検知される。これらの信号は信号調整器５８に加えられ、マイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサ６２のソフトウェア中で実施される、フィードバック制御システムの加算接合点６０にフィードバック信号として加えられる。参照値も加算接合点６０に加えられて誤差信号を与え、これが伝達関数に加えられ、既知のフィードバック制御システムの原理に従って制御信号へと展開される。リニアモータ５０を制御するために、制御信号は可変周波数インバータデューティサイクル発生器回路６４に加えられ、これが矩形波を発生させ、デューティサイクルと矩形波の周波数の両方が可変制御可能である。デューティサイクルは、制御信号によって先行技術の方式で制御される。発生器回路６４の出力はインバータ出力段階６６に加えられ、これが、この矩形波を矩形波のデューティサイクルに対応するパルス幅を有する対向するＤＣパルスに変換してリニアモータ５０を駆動する。さまざまな、そのような回路が先行技術で既知であり、本発明は、これらの一般的な特性を有する、どのような特定の駆動回路にも限定されるものではない。
【００４５】
本発明を実施するために、温度センサ６８が振動バランサ５４Ａの近くに装着され、この出力信号をマイクロコントローラ６２に加え、照合表７０の中で、または、図１に関して説明したように作動振動数を決定する際に使用する対応式の中で使用する温度データを保存する。照合表または式が、感知した各温度に対する振動バランサのバネ定数に対応する値を与えると、その出力は振動数調節アルゴリズム７２によって変換され作動振動数が決定される。照合表または式が直接振動数を与える場合には、アルゴリズム７２は省略可能である。
【００４６】
図５は本発明の実施形態の第４の実施例を示す。これには、図４に例示したものと同じ先行技術の機械装置および制御システムが示されているが、本発明を実施するために部品が追加されている。本発明を実施するために、振動センサ８０が接続され、振動振幅をマイクロコントローラ８２に入力する。マイクロコントローラ８２は、ソフトウェアモジュール８４の制御下で、作動駆動振動数を、上述のように作動振動数の許容可能な範囲の制限内で、掃引、ディザリング、または他の方法で変化させ、当該範囲内の最小の振動の振幅を保存する。次に、マイクロコントローラ８２は、最小の振動の振幅に関連付けられ保存された作動振動数を選択し、この作動振動数でリニアモータ８６を作動させる。また、前述したように、選択された間隔または選択された条件下でこの過程を繰り返し、作動条件が変化しても、電気リニアモータ８６は、常に、最小の振動の振幅の振動数で駆動される。
【００４７】
図６および７は、本発明の実施形態の第５および６の実施例を示す線図である。両者とも同一の先行技術の装置を含むが、本発明を実施する回路構成が追加されている。従って、両方の図の共通の先行技術部分を最初に説明する。図６および図７に主な機械を示すが、これは、熱源入力から電力を発生させるための電気リニア交流発電機１０２を駆動する自由ピストンスターリングエンジン１００である。これらは、先行技術で既知の設計でよく、同じハウジング内に一般に装着される。スターリングエンジンの往復運動する出力ピストンは、交流発電機の往復運動する部品に機械的に連結されており、通常は、共通のハウジング内に装着された電機子巻線またはコイル内で往復運動する搬送器上に支持された一連の永久磁石である。これらの往復運動する構造体の合成質量１０４は、スターリングエンジンおよび交流発電機のケースのシリンダおよび外装部の反動を介して、振動バランサ１０６および任意の寄生振動系１０８に機械的に連結されている。これらの反動力は、通常、磁石から電機子コイルへと、機械的なバネ、スターリングエンジン内の作用ガス、および電磁結合を介して、シリンダと外装部に伝達される。交流発電機１０２の出力は、力率補正用に使用される従来の同調コンデンサ１０９を介して接続され、実用負荷１１０に電力を供給する。
【００４８】
スターリングエンジン１００で駆動される交流発電機を電力網に接続するために、スターリングエンジン１００の振動数は先行技術で既知の原理を使用して制御され、電力網に電力を供給する。スターリングエンジンで駆動される交流発電機が電力網の周波数の近くで共振するように設計されている場合、スターリングエンジンの揺動は電力網のＡＣ電力の揺動に同期される。適用される原理は、外部のＡＣ電源に接続された場合、ＡＣ電源が交流発電機よりも低い内部インピーダンスを有し、かつ、周波数の変差がほんの少しであれば、スターリングエンジンで駆動される交流発電機の揺動は、そのＡＣ電源の電圧揺動に同期するというものである。本発明に適用可能で上述の周波数変差は、このように小さな変差である。
【００４９】
可変周波数、可変振幅の電源１１１がエンジンの出力振動数制御装置として使用され、このＡＣ出力端子が交流発電機１０２に接続される。このような電源は市販されており、従って、さらに説明は行わない。マイクロコントローラ１１４の可変周波数発生器１１８の出力は、可変ＡＣ電源１１１の制御入力端子１１２に接続され、可変ＡＣ電源１１１の周波数を制御する入力となる。可変周波数発生器１１８の出力はＡＣ電源１１１を制御する。従って、本発明で使用する小さな周波数の変差内では、スターリングエンジンで駆動されるリニア交流発電機１０２の作動振動数は、可変ＡＣ電源１１１の周波数に追従し、従って、マイクロコントローラ１１４によって制御される。
【００５０】
図６に例示された本発明の実施は、図５に例示された実施形態と同様に作動する。制御装置１１４は、振動の振幅を最小化する、主な機械の作動振動数を計算するための、論理および演算機能を実行するようにプログラムされる。加速度計等の振動センサ１１６は出力を有し、これは、図６に例示された先行技術の主な機械の感知された振動の振幅を表す信号を与えるため、制御装置１１４への入力に接続される。しかし、エンジン振動数制御装置への命令入力として公称作動振動数を入力する代わりに、可変周波数発生器１１８を公称作動振動数命令入力と可変ＡＣ電源１１１への入力との間に挿入する。これによって、制御装置１１４は、振動を最小化するために、命令された作動振動数を公称作動振動数からずらせることが可能となる。制御装置１１４は、ソフトウェアの制御下で、作動駆動振動数を、作動振動数の許容可能な範囲の制限内で、掃引、ディザリング、または他の方法で変化させ、当該範囲内の最小の振動の振幅を保存する。次に、制御装置１１４は、最小の振動の振幅に関連付けられ保存された作動振動数を選択し、この作動振動数でスターリングエンジン１００を作動させる。また、前述したように、選択された間隔または選択された条件下でこの過程を繰り返し、作動条件が変化しても、自由ピストンスターリングエンジン１００は、作動振動数の許容可能な範囲の制限内で、常に、最小の振動の振幅の振動数で駆動される。
【００５１】
図７に例示された本発明の実施は、図２に例示された実施形態と同様に作動し、図６の実施形態に関連して説明したように、自由ピストンスターリングエンジン１００の作動振動数を制御するために、同じ作動原理を適用する。温度センサ１２０の出力は制御装置１
２２の入力に接続され、振動バランサ１０６の温度を表す信号を与える。次に、制御装置１２２は、許容可能な作動振動数の範囲に渡りスターリングエンジン１００を作動させ、各温度を作動振動数と関連付けて保存し、図２および図４に関連して上で説明した同じ過程によって照合表１２４を与える。
【００５２】
本発明の好適な実施形態の一部を詳細に開示したが、本発明の趣旨または添付の特許請求項の範囲から逸脱することなしに、さまざまな改変が採用可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態の例を例示するブロック線図である。
【図２】本発明の実施形態の第２の例を例示するブロック線図である。
【図３】共振ピークの周波数領域におけるグラフプロットであり、本発明の作動を例示するものである。
【図４】本発明を実施し温度センサを使用する制御回路の例を示すブロック線図である。
【図５】本発明を実施し振動振幅センサを使用する制御回路の例を示すブロック線図である。
【図６】本発明を実施し可変周波数発生器を使用する制御回路の例を示すブロック線図である。
【図７】本発明を実施し温度センサを有する制御回路の例を示すブロック線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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