(57)【要約】【課題】  フリーピストンのストロークが変化しても、そのストローク（振幅幅）と往復運動の平均位置のズレ（オフセット量）とを測定し、かつ望ましい値に制御できる。【解決手段】  ケース４に設置されたホール効果型センサ１１を、フリーピストン３に取り付けたマグネット１２の磁束が横切ることによりパルスを発生させ、それぞれこのパルスの継続時間とパルスの間隔時間とに基づいて、このフリーピストンのストロークとオフセット量とを計算する。この計算値と設計上の設定値とを比較して、その差から望ましいストロークとオフセット量とに制御する。【選択図】    図１
2006161800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリーピストン装置のフリーピストンのストロークと往復運動の平均位置とを計測する装置であって、パルス列発生手段と、このフリーピストンの位置計算手段とを備え、
上記フリーピストン装置は、このフリーピストンを収納するケースと、このフリーピストンを駆動する駆動手段とを備え、
上記フリーピストンは、上記駆動手段とは機械的に連結されず、
上記パルス列発生手段は、上記フリーピストンに設けたマグネットと、上記ケースに設けた磁気センサとを有し、
上記磁気センサとマグネットとは、上記フリーピストンが設計上の往復運動の中心位置にあるときに、このフリーピストンの往復運動方向と直交する線上に整列する位置に設けてあり、
上記磁気センサは、上記マグネットがこの磁気センサから所定の上記往復運動方向の距離以内に有るときにパルスを発生するものであって、
上記位置計算手段は、上記パルスの継続時間と、このパルスと次のパルスとの間隔時間と、上記フリーピストンの往復運動速度とを検出する手段を含み、
上記位置計算手段は、上記パルスの継続時間とフリーピストンの往復運動速度とから上記フリーピストンのストロークを計算し、
上記位置計算手段は、上記各パルスの間隔時間と、上記フリーピストンのストロークの計算値と、上記フリーピストンの往復運動速度とから、このフリーピストンの往復運動の平均位置と設計上の平均位置とのオフセット量を計算する
ことを特徴とするフリーピストンの位置計測装置。
【請求項２】
請求項１において、上記磁気センサは、ホール効果型センサであることを特徴とするフリーピストンの位置計測装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかにおいて、上記フリーピストン装置は、スターリング機関であることを特徴とするフリーピストンの位置計測装置。
【請求項４】
フリーピストン装置のフリーピストンのストロークと往復運動の平均位置とを制御する装置であって、請求項１〜３のいずれかの１に記載したフリーピストンの位置計測装置と、このフリーピストンの往復運動制御手段とを備え、
上記往復運動制御手段は、ストローク誤差計算手段と、ストローク誤差信号処理手段と、ストローク調整手段と、オフセット誤差計算手段と、オフセット誤差信号処理手段と、オフセット調整手段とを備え、
上記ストローク誤差計算手段は、上記フリーピストンのストロークの計算値と設計上のストロークとの差を計算してこの差をストローク誤差信号として出力し、
上記ストローク誤差信号処理手段は、上記ストローク誤差信号に基づいてストロークコマンド信号を発生し、
上記ストローク調整手段は、上記ストロークコマンド信号に基づいて上記フリーピストンのストロークを制御し、
上記オフセット誤差計算手段は、上記オフセット量と設計上のオフセット量との差を計算してこの差をオフセット誤差信号として出力し、
上記オフセット誤差信号処理手段は、上記オフセット誤差信号に基づいてオフセットコマンド信号を発生し、
上記オフセット調整手段は、上記オフセットコマンド信号に基づいて上記フリーピストンの往復運動の平均位置を制御する
ことを特徴とするフリーピストンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば流体圧縮機の往復運動ピストンであって、クランクシャフト等の駆動手段と機械的に連結されていない、いわゆるフリーピストンの位置を計測する装置、およびこのフリーピストンの往復運動を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるフリーピストン機器は、駆動クランクシャフトと機械的に連結していない往復動ピストンを有する。さらに、リニアモータまたは交流発電機が、それぞれシリンダー内のピストンを駆動したり、ピストンに負荷を与えたりするためにしばしば使用される（例えば特許文献１参照。）。これらの機器は、ガスコンプレッサ、スターリングクーラ、スターリングエンジンおよび他のフリーピストン機器として実用化されている。
【０００３】
ところでフリーピストン機器のフリーピストンは、クランクシャフト等と機械的に連結されていないため、本質的にピストンの運動を制御する能力を欠いている。そこでフリーピストンの往復運動は、オーバーストロークによる騒音や、損傷を防ぎつつ、かつ最大のストローク量を得ることができるように、連続的に監視し、制御する必要がある。このような分野における理想的なセンサは、非接触で、可動部品がなく、かつフリーピストン機器のケースまたは圧力容器の内側に配置しなくてよいようなものである。
【０００４】
そこで従来から、このようなフリーピストン往復運動の監視は、フリーピストンに永久磁石を設け、フリーピストンと共に往復運動するこの永久磁石を、シリンダ等に設置したホール効果型センサ等の磁気センサで捜査して、フリーピストンの位置を検出する手段が提案されている（例えば特許文献２及び３参照。）。具体的には永久磁石が磁気センサを通過する際に、この磁気センサから波型の出力信号が発生し、この永久磁石が磁気センサに最も接近したときに、この波型の出力信号がピークとなる原理を応用するものであって、この波型の出力信号がある基準値を超えた場合に、フリーピストンの位置信号を発生させるものである。
【特許文献１】米国特許第４，６０２，１７４号明細書
【特許文献２】特開昭６４−３１００２号公報
【特許文献３】特表２００３−５２７５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかるに上述した従来技術では、どのようにしてフリーピストンのストロークや、往復運動の平均位置を検出するか、その具体的な手段は開示されていない。ただしフリーピストンが所定のストローク位置（例えば最大ストローク位置）に達した位置において、磁気センサからの信号が基準値を超えるように設置しておけば、フリーピストンが所定のストローク位置に達したか否かは検出可能とも考えられる。しかしこのような手段では、ストロークの設定値を複数設け、フリーピストンのストロークを可変制御するためには、多数の磁気センサを設けなければならず、特にストロークの設定値を無段階に設定することは、事実上困難である。また上述した従来技術からは、フリーピストンの往復運動の平均位置を、どのように検出するかを理解することは困難である。
【０００６】
そこで本発明の第１の目的は、フリーピストンのストロークが変化しても、そのストローク値を容易に測定でき、かつフリーピストンの往復運動の平均位置も容易に測定可能なフリーピストンの位置計測装置を提供することにある。また第２の目的は、このフリーピストンの位置計測装置を使用して、このフリーピストンのストロークと往復運動の平均位置とを制御可能なフリーピストンの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決すべく、本発明によるフリーピストンの位置計測装置は、フリーピストンを収納するケースに設置された磁気センサと、往復運動するフリーピストンに取り付けられたマグネットとを有している。この磁気センサは、往復運動するマグネットが接近して、所定の距離以内に入ったときに、パルスを発生する。そして、このパルスの継続時間に基づき、フリーピストンのストロークを計算すると共に、このパルスと次のパルスとの間隔時間に基づき、フリーピストンの往復運動の平均位置と設計上の平均位置とのズレ量、すなわちオフセット量を計算するものである。
【０００８】
すなわち本発明によるフリーピストンの位置計測装置は、フリーピストン装置のフリーピストンのストロークと往復運動の平均位置とを計測する装置であって、パルス列発生手段と、このフリーピストンの位置計算手段とを備えている。フリーピストン装置は、このフリーピストンを収納するケースと、このフリーピストンを駆動する駆動手段とを備えており、このフリーピストンは、駆動手段とは機械的に連結されていない。そしてパルス列発生手段は、フリーピストンに設けたマグネットと、ケースに設けた磁気センサとを有している。
【０００９】
磁気センサとマグネットとは、フリーピストンが設計上の往復運動の中心位置にあるときに、このフリーピストンの往復運動方向と直交する線上に整列する位置に設けてある。磁気センサは、マグネットがこの磁気センサから所定の往復運動方向の距離以内に有るときに、パルスを発生する。また位置計算手段は、パルスの継続時間と、このパルスと次のパルスとの間隔時間と、フリーピストンの往復運動速度とを検出する手段を含んでいる。そして位置計算手段は、パルスの継続時間とフリーピストンの往復運動速度とから、フリーピストンのストロークを計算し、パルスと次のパルスとの間隔時間と、フリーピストンのストロークの計算値と、フリーピストンの往復運動速度とから、このフリーピストンの往復運動の平均位置と設計上の平均位置とのオフセット量を計算する。
【００１０】
上述した磁気センサは、ホール効果型センサであることが望ましい。また上述したフリーピストン装置は、スターリング機関であることが望ましい。さらに磁気センサはケースの外側に設けることが望ましい。
【００１１】
本発明によるフリーピストンの制御装置の特徴は、フリーピストン装置のフリーピストンのストロークと往復運動の平均位置とを制御する装置であって、上述した位置計測装置によって得られたフリーピストンのストローク値と、往復運動の平均位置と設計上の平均位置とのオフセット量とを、それぞれ予め設定された基準値と比較して、その誤差分から、フリーピストンのストローク値と、往復運動の平均位置とをフィードバック制御するものである。
【００１２】
すなわち本発明によるフリーピストンの制御装置は、上述したフリーピストンの位置計測装置と、このフリーピストンの往復運動制御手段とを備えている。この往復運動制御手段は、ストローク誤差計算手段と、ストローク誤差信号処理手段と、ストローク調整手段とを備えている。またこの往復運動制御手段は、オフセット誤差計算手段と、オフセット誤差信号処理手段と、スオフセット調整手段とを備えている。
【００１３】
このストローク誤差計算手段は、フリーピストンのストロークの計算値と設計上のストロークとの差を計算して、この差をストローク誤差信号として出力する。ストローク誤差信号処理手段は、ストローク誤差信号に基づいてトロークコマンド信号を発生する。そしてストローク調整手段は、このストロークコマンド信号に基づいてフリーピストンのストロークを制御する。
【００１４】
一方このオフセット誤差計算手段は、計算されたオフセット量と設計上のオフセット量との差を計算して、この差をオフセット誤差信号として出力する。オフセット誤差信号処理手段は、オフセット誤差信号に基づいてオフセットコマンド信号を発生する。そしてオフセット調整手段は、このオフセットコマンド信号に基づいてフリーピストンの往復運動の平均位置を制御する。
【００１５】
ここで「フリーピストン装置」とは、クランクシャフト等と機械的に連結されずに往復運動する、いわゆるフリーピストンを有する装置を意味し、例えばガスコンプレッサ、スターリング機関が該当する。「フリーピストンを収納するケース」とは、例えばフリーピストンがその内側を往復運動するシリンダ、シリンダを収納する外部ケース、あるいは圧力容器を意味する。「フリーピストンを駆動する駆動手段」とは、フリーピストンと機械的に連結されない駆動手段であって、例えばガスコンプレサやスターリングエンジン等のように、フリーピストンの両端面に掛かる動作流体の圧力を変化させて、このフリーピストンを往復運動させる手段、あるいはスターリング冷凍機等のように、リニアモータ等によってフリーピストンを電磁的に駆動する手段を意味する。
【００１６】
「フリーピストンに設けたマグネット」とは、このマグネットをフリーピストンの例えば外表面に直接埋め込む場合に限らず、このフリーピストンに支持部材を設け、この支持部材に取付ける場合も含む。「スターリング機関」とは、外燃機関であるスターリングエンジンと、いわゆるスターリング冷凍機との双方を意味する。「フリーピストンの位置計測装置と、このフリーピストンの往復運動制御手段とを備えるフリーピストンの制御装置」には、それぞれフリーピストン装置のストローク、および往復運動の平均位置を制御する負のフィードバック制御装置が含まれる。
【発明の効果】
【００１７】
このように発明を構成することにより、次の作用効果が得られる。本発明によるフリーピストンの位置計測装置は、ケースに設置された磁気センサを、フリーピストンに取り付けたマグネットの磁束が横切ることによりパルスを発生させ、このパルスの継続時間に基づいてフリーピストンのストローク（振幅幅）を計算し、パルスとパルスとの間隔時間に基づいてフリーピストンのオフセット量を計算するものである。したがって、フリーピストンのストロークや往復運動速度が変化しても、一組の磁気センサとマグネットとだけで、フリーピストンのストロークとオフセット量とを計測することができる。
【００１８】
また磁気センサとマグネットとは、可動部がなく、かつ相互に非接触であるため、構造が簡単になると共に、摩滅等の恐れがなく高い耐久性を有する。さらに磁気センサを、ケースの外側に設置すれば、ケースを通して配線を外部に出す必要がなくなり、構造が簡単になると共に、余計なコストの増加を回避することができる。
【００１９】
ホール効果型センサは、広く使用されており、入手が容易で、かつその特性も十分に明らかになっている。したがって、磁気センサとしてホール効果型センサを使用することにより、コストを低減し、さらに設計を容易にすることができる。
【００２０】
スターリング機関は、高効率、静粛性および安定性等に優れているが、これらの優位性は、特に小型小出力の機関において著しい。したがって、フリーピストンの往復運動を発電機によって電力に変換するスターリングエンジンや、リニアモータによってフリーピストンを電磁的に駆動するスターリング冷凍機等に、本発明によるフリーピストンの位置計測装置を設けることによって、クランクシャフト等の機械的手段をフリーピストンに連結しなくても、フリーピストンのオーバーストロークや、往復運動の平均位置の過大なズレを防止することができる。このためスターリングエンジンやスターリング冷凍機等の構造を極めて簡単に、かつ小型にすることができる。
【００２１】
上述したフリーピストンの位置計測装置と、電子回路等からなるこのフリーピストンの往復運動制御手段とを備え、このフリーピストンのストロークとオフセット量とについて、設計上の値からの差を計算し、これにより望ましい状態にフィードバック制御することによって、極めて簡単な構成で、フリーピストンの往復運動を適切な状態に置くことができる。特にフリーピストンのストローク、あるいはオフセット量の制御目標値（例えば最大許容値）の設定を変化させても、容易にその目標値に制御（例えば最大許容値を超えないように）することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に、本発明によるフリーピストンの位置計測装置と、このフリーピストンの往復運動制御手段とを備えたスターリングエンジンの概略構成を示す。まず初めに図１を参照しつつ、このスターリングエンジンの構成と動作とを概説する。このスターリングエンジン自体は、公知の技術であって、フリーピストン３と、ディスプレッサ２とが、ケース４に設けたシリンダ部４１，４２内で、相互に対向して往復運動する。なおケース４は、オーステナイト系ステンレス鋼のような磁気透過性の材料で製造されている。フリーピストン３とディスプレッサ２との中心には、それぞれ軸穴３１と、軸穴２１とが設けてあり、これらの軸穴に一端をケース４に固定されたロッド５が挿入され、このフリーピストンとディスプレッサとは、このロッドを軸芯として往復運動する。
【００２３】
ディスプレッサ２が挿入されているシリンダ部４２の外周には、受熱熱交換器８と、蓄熱器９と、放熱熱交換器１０とが巻装してある。またケース４の内部には、ディスプレッサ２の先端部との間に上部空間４３、フリーピストン３の一端部との間に下部空間４５、そしてこのディスプレッサの他端部とフリーピストンの他端部との間に中央空間４４が形成してある。またディスプレッサ２の軸穴２１の閉塞底面と、ロッド５の先端との間に、ガスバネとして作動するバネ空間２２が形成してある。フリーピストン３の他端部には、円筒形の支持部材７が連設してあり、その先端部には、永久磁石６１が設けてある。そして永久磁石６１に対向する位置に電機コイル６２が巻装してあり、この永久磁石と電機コイルとで交流発電機６を構成している。なおケース４内には、作動流体として高圧ヘリウムガスを充填してある。
【００２４】
次に上述したスターリングエンジンの作動を説明する。まず外部熱源（図示せず。）から熱が、受熱熱交換器８を経由して上部空間４３内に供給されると、この上部空間内のヘリウムガスの温度が上昇して圧力が高くなる。ここでディスプレッサ２の上部空間４３と中央空間４４とは、受熱熱交換器８、蓄熱器９および放熱熱交換器１０を通じて連通しているため、この中央空間内の圧力も高くなり、フリーピストン３を下方に押し下げる。この際ディスプレッサ２の内部に形成したバネ空間２２は、その内部圧力と上部空間４３内の圧力差分だけ圧縮されるので、その圧縮分このディスプレッサが下方に移動する。
【００２５】
フリーピストン３の下方への移動が完了すると、圧縮されたバネ空間２２の反発力によって、ディスプレッサ２は上方に押し戻され、上部空間４３内のヘリウムガスを、中央空間４４内に移動させる。この移動の際に、ヘリウムガスの熱量の一部が蓄熱器９に蓄熱される。次に中央空間４４内のヘリウムガスは、放熱熱交換器１０により外部に放熱して温度が下がり、圧力が低下する。このためフリーピストン３を上方に移動させる。この際にバネ空間２２は、その内部圧力と上部空間４３内の圧力差分だけ膨張し、ディスプレッサ２は、その膨張分上方に移動する。
【００２６】
フリーピストン３の上方への移動が完了すると、膨張したバネ空間２２の復元力によって、ディスプレッサ２は下方に引き戻され、中央空間４４内のヘリウムガスを、上部空間４３内に移動させる。この移動の際に、蓄熱器９に蓄熱された熱量の一部がヘリウムガスに回収され、この熱回収によって熱効率を大幅に向上させる。
【００２７】
以上より、スターリングエンジンは、外部から熱エネルギを受けると共に、この熱エネルギの一部を放出して、残りの熱エネルギをフリーピストン３の往復運動エネルギに変換し、この往復運動エネルギを、交流発電機６によって電気エネルギに変換して取り出す。なお交流発電機６は、スターリングエンジンの始動時からこの往復運動が安定するまでの期間、リニアモータとして往復運動をサポートする。
【００２８】
さて上述したスターリングエンジンは、パルス列発生手段１とフリーピストン位置計算手段１００とを備えている。パルス列発生手段１は、フリーピストン３に連設した支持部材７に取付けたマグネット１２と、ケース４の外側に取付けたホール効果型センサ１１とを有している。マグネット１２とホール効果型センサ１１は、フリーピストン３が設計上の往復運動の中心位置にあるときに、フリーピストン３の往復運動方向と直交する線上に整列する位置に取付けてある。
【００２９】
次に図２を参照しつつ、パルス列発生手段１によるパルス列の発生について説明する。ホール効果型センサ１１は、磁束中に置いたホール素子に電気を流すと、この磁束と電気との双方に直交する方向に起電力が発生するという公知のホール効果を利用したものである。本発明においては、マグネット１２から流出した磁束が、フリーピストン３の往復運動と共に、ホール効果型センサ１１のホール素子を横切ると、このホール素子に起電力が発生する。そしてこの起電力の強さは、磁束の強度とこのマグネットの速度とに比例する。したがって、マグネット１２がホール効果型センサ１１の中心線上を横切るときに最大なり、このホール効果型センサから遠ざかるにつれて小さくなる。ホール効果型センサ１１は、マグネット１２との距離に応じて、この起電力に基づく電気状態をデジタル的に１または０に変化させる。
【００３０】
具体的には図２に示すように、マグネット１２とホール効果型センサ１１との間の距離が距離Z以内に有るとき、すなわち所定の大きさ以上の起電力が生じるときに、このホール効果型センサの電気状態は高状態となってデジタル１の応答を行い、距離Zより離れて起電力が所定の大きさ以下になったときには、電気状態は低状態となってデジタル０の応答を行う。したがって、マグネット１２とホール効果型センサ１１との間の距離が距離Z以内に有るときに生成されるこのデジタル１の応答を、パルス信号として利用することができる。
【００３１】
ところでフリーピストン機器の往復運動するフリーピストンは、原理的に正弦曲線運動を行うように振動する。従って、フリーピストン３の位置Ｘは次式（１）のように表される。
Ｘ＝Ａｓｉｎ（ωｔ）                          （１）
ここで、                ω＝２π・フリーピストン振動数  ［Ｈｚ］
ｔ＝時間  [ｓ]
Ａ＝フィリーピストンストローク量  ［Ｍ］
式（１）を微分すれば、ピストン速度Ｖは次式（２）で表される。
Ｖ＝ωＡｃｏｓ（ωｔ）  ［Ｍ／ｓ］            （２）
【００３２】
なお最高ピストン速度Ｖｍａｘは、ｃｏｓ（ωｔ）＝１のときであって、次式（３）で表される。
Ｖｍａｘ＝ωＡ  ［Ｍ／ｓ］                    （３）
フリーピストン３は、その平均位置を通過するときに最大速度に達する。この位置は、マグネット１２とホール効果型センサ１１とが往復運動に直交する線上で整列したときに対応する。
【００３３】
さて距離ＺがストロークＡに比較して小さい場合は、この距離Ｚをマグネット１２が横切る時間は極短時間であるため、ｃｏｓ（ωｔ）＝約１．０となって、フリーピストン３の速度Ｖは、ほぼ最高速度Ｖｍａｘ＝ωＡと近似することができる。したがってホール効果型センサ１１の電気的状態が１すなわち高となっている時間幅、すなわちパルス時間幅Ｔは、近似的に次式（４）で表すことができる。
Ｔ＝２Ｚ／ωＡ  ［ｓ］                      （４）
従ってこのパルス時間幅Ｔは、次式（５）のように、ストロークＡに反比例する。
Ｔ∝１／Ａ  ［ｓ］                          （５）
以上により、パルス時間幅Ｔを計測すれば、Ａに対する式（５）を解くことによってストロークＡが計算できる。なお式（５）の比例定数は、具体的な装置の特性値であって、距離Ｚおよび振動数ωから決定できる。図３にパルス時間幅ＴとピストンストロークＡとの反比例関係を図式的に示す。
【００３４】
ところでフリーピストン３の往復運動の平均位置は、このフリーピストンのピストン面に作用する力を時間的に平均した力によって決まるが、フリーピストン機器に起こる共通現象は、このフリーピストンの平均位置が設計上の望ましい平均位置から、望ましくないドリフト、すなわちオフセットが生じることである。図４に示すように、このオフセットは、ホール効果型センサ１１から発生したパルス列中のパルスの間隔時間に差を生じさせることになる。本発明は、これらのいずれかの間隔時間を測定するタイミング回路と、フリーピストン３のオフセット量を計算するデジタルマイクロコンピュータとを備えている。
【００３５】
図５を参照すれば、オフセットＢは式（６）のように表される。
Ｂ＝Ａｓｉｎ（ωＴ１）                          （６）
ここで、
Ａ  ＝計算したストローク量
ω  ＝２π・振動数
Ｔ１＝フリーピストンが平均ピストン位置と設計上の中心位置                            との間を移動するのに必要とした時間。
またＴ１は、パルスの短間隔時間ＴＳから、または長間隔時間ＴＬから次のように導くことができる。
【００３６】
すなわち短間隔時間ＴＳおよび長間隔時間ＴＬは、図５から次式（７）および（８）のように表される。
ＴＳ＝Ｔ２−Ｔ１−Ｔ      ［ｓ］          （７）
ＴＬ＝Ｔ３−Ｔ２−Ｔ      ［ｓ］          （８）
ここで、
Ｔ２＝（π／ω）−Ｔ１    ［ｓ］          （９）
Ｔ３＝（２π／ω）＋Ｔ１  ［ｓ］          （１０）
Ｔ  ＝２Ｚ／ωＡ（式（４）より。）
【００３７】
そこで式（９）のＴ２を式（７）に代入し、あるいは式（９）および式（１０）のＴ２およびＴ３を式（８）に代入してＴ１を求める。なお式（４）及び（７）〜（１０）から、Ｔ１を計算する際には、上述したように距離ＺがストロークＡに比べて小さいことを考慮して、２Ｚ／Ａの項を省略している。そしてこのＴ１を式（６）に代入することによって得られる次式（１１）または（１２）から、オフセットＢを計算することができる。
Ｂ＝Ａｓｉｎ（(π―ωＴＳ)／２）                  （１１）
Ｂ＝Ａｓｉｎ（−(π−ωＴＬ)／２）                （１２）
【００３８】
フリーピストン３の位置計算手段１００は、タイミング回路を備えるデジタルマイクロコンピュータによって、ホール効果型センサ１１で生成されるパルス列のパルス時間Ｔを測定し、式（５）を解くことによってストロークＡを計算する。またフリーピストン位置計算手段１００は、同様にタイミング回路を備えるデジタルマイクロコンピュータによって、パルスとパルスの間隔時間、すなわち短間隔時間ＴＳまたは長間隔時間幅ＴＬを測定し、式（１１）または式（１２）を解くことによって、それぞれフリーピストン３のオフセット量を計算する。なお計算に必要な他のパラメータであるフリーピストンの振動数ωは、パルス列の周期をデジタルマイクロコンピュータで計測することによって得られる。
【００３９】
またオフセットＢの方向は具体的な装置に対して決まる物理的パラメータによって決定される。通常は、駆動モータ／交流発電機の巻き線の方向と巻き線を横切る電圧の極性とがオフセットＢの方向を決定する。これから、このオフセットの方向が、計算したオフセット量に対し、符号、すなわち極性として割り当てられる。
【００４０】
さて上述したスターリングエンジンは、計算したストロークＡおよびオフセットＢに基づいて、フリーピストン３のストロークと往復運動の平均位置とを制御する制御装置を備えている。すなわちこのフリーピストンの制御装置は、上述したフリーピストン３の位置計測装置の他に、このフリーピストンの往復運動を制御する往復運動制御手段２００を備えている。この往復運動制御手段２００は、ストローク誤差計算手段２１１、ストローク誤差信号処理手段２１３、およびストローク調整手段２１４、並びにオフセット誤差計算手段２２１、オフセット誤差信号処理手段２２３、およびオフセット調整手段２２４を有している。
【００４１】
図６を参照しつつこの往復運動制御手段２００を説明する。上述したようにフリーピストン３の位置計算手段１００は、タイミング回路を有するデジタルマイクロコンピュータによって、ホール効果型センサ１１で生成されるパルス列信号から、パルス時間Ｔ、およびパルスの間隔時間ＴＳ又はＴＬを測定し、フリーピストン３のストロークＡとオフセットＢとを計算する。このストロークＡとオフセットＢとの計算値は、それぞれストロ−ク誤差計算手段２１１と、オフセット誤差計算手段２２１とに伝えられる。
【００４２】
ストロ−クの誤差計算手段２１１は、伝達されたストロークＡと、デジタルメモリからなるストロ−クの記憶媒体２１２に記録されている設計上のストローク値とを比較して、両者の差を、ストローク誤差信号として出力する。ストローク誤差信号は、ストローク誤差信号処理手段２１３への入力信号として機能し、このストローク誤差信号処理手段が適切なストロークコマンド信号出力を生成する。
【００４３】
ストロークコマンド信号は、ストローク調整手段２１４に入力され、このストローク調整手段は、交流発電機６の電気的な負荷を調整して、フリーピストン３のストロークを増減させる。なおスターリング冷凍機のように、フリーピストンがリニアモータ等のモータドライバーで往復駆動される場合には、ストローク調整手段２１４よって、このモータドライバーへの供給電力等を調整して、フリーピストン３のストロークを増減させる。
【００４４】
一方オフセット誤差計算手段２２１は、伝達されたオフセットＢと、デジタルメモリからなるオフセット量の記憶媒体２２２に記録されている設計上のオフセット量とを比較して、両者の差を、オフセット誤差信号として出力する。オフセット誤差信号は、オフセット誤差信号処理手段２２３への入力信号として機能し、このオフセット誤差信号処理手段が適切なオフセットコマンド信号出力を生成する。オフセット誤差信号処理手段２２３は、比例動作的に応答する。
【００４５】
オフセットコマンド信号は、オフセット量を調整するオフセット調整手段２２４に入力され、このオフセット調整手段は、上述した交流発電機６やリニアモータに流れる電流の直流成分の極性と大きさとを変え、フリーピストン３に加わる軸方向力を変更する。したがってこの軸方向力の変更によって、フリーピストン３の往復運動の平均位置が変化して、オフセット量が調整される。なおフリーピストン３の下方空間４５と中央空間４４との間に、作動ガスであるヘリウムガスを往復させる電磁バルブを設け、オフセット調整手段２２４によって、この電磁バルブを開き、このフリーピストンの上下の圧力バランスを変えることによって、このフリーピストンの往復運動の平均位置を変化させるように構成してもよい。
【００４６】
なおパルス列発生手段１には、上述したホール効果型センサ１１に限らず、マグネット１２の磁場強度が一定の閾値を越えると、パルス信号を発生する他の磁気センサを使用することもできる。またストローク誤差信号処理手段２１３、およびオフセット誤差信号処理手段２２３は、比例動作的に応答するものに限らず、その他比例＋積分＋微分動作的に応答するもの、あるいはいかなる種類の単一フィルターに応答するもの、またいかなる単一フィルターの組み合わせにも応答するものも使用できる。
【００４７】
ストロ−クの記憶媒体２１２に記録されている設計上のストローク値、およびオフセット量の記憶媒体２２２に記録されている設計上のオフセット量は、フリーピストン装置の使用目的等に応じて、それぞれ単独に、あるいは双方共にプログラムで変更調整可能にすることも容易にできる。また本発明によるフリーピストンの制御装置は、フリーピストン３のストロークおよびオフセット量を制御することによって、フリーピストン装置の温度や圧力等の物理的パラメータを制御するように構成することも容易にできる。この場合には、記憶媒体２１２、２２２に記録されている設計上のストローク値やオフセット量をプログラム変更することによって、温度や圧力等の物理的パラメータを最適な状態に制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
クランクシャフト等と機械的に連結していないフリーピストンを有する、ガスコンプレッサ、スターリンエンジンおよびスターリン冷凍機等の、多様なフリーピストン装置に適用することができるので、これらの産業において広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】フリーピストンの位置計測装置と制御装置とを備えるスターリングエンジンの概略断面図である。
【図２】パルス列発生手段によるパルス発生の説明図である。
【図３】パルスの継続時間がフリーピストンのストロークと反比例関係にあることを示す説明図である。
【図４】フリーピストンの往復運動の平均位置の変化によって、パルスとパルスとの間隔時間が変化することを示す説明図である。
【図５】フリーピストンの往復運動における時間的要素を示す説明図である。
【図６】フリーピストンの制御装置における制御の流れを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１          パルス列発生手段
１１        ホール効果型センサ（磁気センサ）
１２        マグネット
２          ディスプレサ
３          フリーピストン
４          ケース
６          交流発電機
１００          フリーピストンの位置計算手段
２００          往復運動制御手段
２１１          ストローク誤差計算手段
２１２          ストロ−クの記憶媒体
２１３          ストローク誤差信号処理手段
２１４          ストローク調整手段
２２１          オフセット誤差計算手段
２２２          オフセット量の記憶媒体
２２３          オフセット誤差信号処理手段
２２４          オフセット調整手段
【図１】
2006161800.tif 000003
【図２】
2006161800.tif 000004
【図３】
2006161800.tif 000005
【図４】
2006161800.tif 000006
【図５】
2006161800.tif 000007
【図６】
2006161800.tif 000008