(57)【要約】  本発明のフリーピストンクーラーの過渡的温度制御システムは、始動の際のフリーピストンクーラー内の過渡的な冷却時の期間中の衝突を無くす。過渡温度制御システムは、低温ヘッドと高温端とを有するフリーピストンクーラー、低温ヘッド温度センサー、関係インターフェース、及び温度制御器を備える。低温ヘッド温度センサーは低温ヘッドの温度を感知し、温度信号を作る。関係インターフェースは、温度信号と通信し、そして過渡的な冷却時の温度範囲中における低温ヘッド温度と最大ピストン行程との間の予め定められた関係を継続する。関係インターフェースは、温度信号と予め定められた関係とから過渡範囲の最大許容ピストン行程信号を作る。温度制御器は関係インターフェースと通信し、そして衝突を防ぐために過渡的な冷却時の温度範囲中のピストン行程を限定する。
2007523314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温ヘッドの最初の運転温度から設定運転温度に至るフリーピストンクーラーの過渡的な冷却時の温度範囲中の衝突を防ぐための過渡温度制御システムであって、クーラーは可変行程でシリンダー内を直線的振動で往復しているピストンを有し：
（ａ）低温ヘッドの温度を感知して温度信号を作るための低温ヘッド温度センサー；
（ｂ）温度信号と通信しかつ過渡的な冷却時の温度範囲中の低温ヘッド温度と最大ピス
トン行程との間の予め定められた関係を包含している関係インターフェースであ
って、温度信号と予め定められた関係とから過渡範囲の最大許容行程信号を作る
前記関係インターフェース；及び
（ｃ）関係インターフェースと通信し、過渡範囲の最大許容行程信号を受け取りそして
過渡的な冷却時の温度範囲中のクーラー内の衝突を防ぐために行程を制限するこ
とができ、更にほぼ定常状態の低温ヘッド温度で低温ヘッドが運転する間のピス
トンの行程を制御することができる温度制御器
を備えたシステム。
【請求項２】
低温ヘッド温度と行程との間の予め定められた関係が、過渡的な冷却時の温度範囲中にクーラーを運転しかつ複数の低温ヘッド温度において衝突の生ずる行程を記録しそして衝突行程に行程減少係数を適用することにより過渡的な制御された行程を作ることにより実験的に決定される複数の記憶されたデータよりなる請求項１による制御システム。
【請求項３】
複数の記憶されたデータが、過渡範囲の最大許容行程信号を作る際の関係インターフェースによる参照のための表形式である請求項２による制御システム。
【請求項４】
複数の記憶されたデータが、過渡範囲の最大許容行程信号を作る際の関係インターフェースによる参照のための記憶されたアルゴニズムである請求項２による制御システム。
【請求項５】
低温ヘッドの最初の運転温度から設定運転温度に至るフリーピストンクーラーの過渡的な冷却時の温度範囲中の衝突を防ぐための方法であって、クーラーは可変行程でシリンダー内を直線的振動で往復しているピストンを有し：
（ａ）低温ヘッドの温度を感知して温度信号を作り；
（ｂ）温度信号及び過渡的な冷却時の温度範囲中の低温ヘッド温度と最大ピストン行程
との間の予め定められた関係に応答して過渡範囲の最大許容行程信号を作り；更
に
（ｃ）クーラー内の衝突を防ぐために、過渡範囲の最大許容行程に応答して、過渡的な
冷却時の温度範囲中の行程を制限する
ことを含む方法。
【請求項６】
過渡的な冷却時の温度範囲中の低温ヘッド温度とクーラーの運転による行程との間の予め定められた関係を実験的に開発し、更に複数の低温ヘッド温度における衝突の生ずる行程を記録し、そして衝突行程に行程減少係数を適用することにより過渡的な制御された行程を作る段階を更に含む請求項５による方法。
【請求項７】
過渡範囲の最大許容行程信号を作るとき、低温ヘッド温度と行程との間の予め定められた関係を有する電子データベースを参照する段階を更に含む請求項６による方法。
【請求項８】
過渡範囲の最大許容行程信号を作るとき、低温ヘッド温度と行程との間の予め定められた関係を有するアルゴニズムを参照する段階を更に含む請求項６による方法。
【請求項９】
低温ヘッドの最初の運転温度から設定運転温度に至るフリーピストンクーラーの過渡的
な冷却時の温度範囲中における衝突を防ぐための装置であって、クーラーは可変行程でシリンダー内を直線的振動で往復しているピストンを有し：
（ａ）低温ヘッドの温度を感知して温度信号を作る手段；
（ｂ）温度信号及び過渡的な冷却時の温度範囲中の低温ヘッド温度と最大ピストン行程
との間の予め定められた関係から過渡範囲の最大許容行程信号を作る手段；及び
（ｃ）クーラー内の衝突を防ぐために、過渡範囲の最大許容行程信号から、過渡的な冷
却時の温度範囲中のピストンの行程を制御し、更にクーラー内の衝突を防ぐため
にほぼ定常な低温ヘッド温度条件中のピストンの行程を制御する手段
を備えた装置。
【請求項１０】
低温ヘッド温度と行程との間の予め定められた関係が、過渡的な冷却時の温度範囲中にクーラーを運転しかつ複数の低温ヘッド温度において衝突の生ずる行程を記録しそして衝突行程に行程減少係数を適用することにより過渡的な制御された行程を作ることにより実験的に決定される複数の記憶されたデータよりなる請求項９による装置。
【請求項１１】
複数の記憶されたデータが、過渡範囲の最大許容行程信号を作る際に作成用手段による参照のための表形式で駐在する請求項１０による装置。
【請求項１２】
複数の記憶されたデータが、過渡範囲の最大許容行程信号を作る際に作成用手段による参照のための記憶されたアルゴニズムとして駐在する請求項１０による制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリーピストン機械制御システムの分野に関し、特に始動と定常運転との間の過渡的な冷却時の温度範囲における運転の際のフリーピストンクーラー内の損傷を与える衝突を避けるための過渡温度範囲の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは１８００年代の初頭に発明されたが、ジョン・ハーシェル（Ｊｏｈｎ  Ｈｅｒｓｈｅｌ）が氷を作るためにクローズドサイクルのスターリングエンジンを使用した１８３４年までは冷凍サイクルとして使用されなかった。フリーピストンエンジン及びフリーピストンクーラーの基本的な概念は、ウイリアム・ティ・ビール（Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｔ．  Ｂｅａｌｅ）により１９６０年代に発明され、そして特許文献１に示される。軸受技術、小間隙シール、及び再生用材料を含んだ多くの進歩により、信頼できかつ効率的なフリーピストン機械が広く改良されてきた。
【０００３】
フリーピストンクーラーは本質的に圧力容器であり、この圧力容器は、１個又は複数個の典型的に分離した同軸シリンダー内で往復するピストンとディスプレーサーとを囲んでいる。ピストンは直線的に往復するように駆動され、そして作動ガスを交互に圧縮及び膨張させて、時間の関数としての圧力波を作る。ディスプレーサーは正味の圧力差面積上に作用している圧力波により往復するように駆動されて、作動ガスの大部分を低温ヘッドと高温ヘッドとの間を交互に動かし又は往復させる。この低温ヘッドにおいて熱エネルギーが低温ヘッドの環境からを引き出され、熱は高温ヘッドにおいて高温ヘッド環境内に排出される。ピストンとディスプレーサーとは、作動ガスの大部分が低温ヘッド内にあるときにピストンが作動ガスを膨張させ、そして作動ガスの大部分が高温ヘッド内にあるときに作動ガスを圧縮するような位相にされる。そこで、熱は、作動ガスの膨張中に低温ヘッドにおいて吸収され、高温ヘッドにおいて圧縮中に排出される。希望の位相関係で希望の往復動でピストンとディスプレーサーとを動かすための種々の別の駆動配列があることは勿論である。
【０００４】
ピストンは、これを一定の往復経路に拘束する機械的なリンケージがないため自由である。フリーピストンは、典型的に、電気リニヤーモーターで往復駆動される。典型的には、フリーピストン機械は、利用可能な駆動用動力を効果的に使用するために、それらの機械的共振周波数で駆動される。ピストンはフリーピストン機械内で拘束されないため、行程として呼ばれる往復の振幅は、ピストンを駆動する力の関数であり、運転条件の変化の影響で変動する。従って、ピストン並びにその他の往復構造は、ピストン行程の端部においてシリンダー端部の物理的構造と衝突する可能性がある。
【０００５】
特に、かかる自由往復運動機械においては、往復の振幅と周波数とは慣性、減衰、及びバネ力と駆動力の関数である。従って、これらの機械は、駆動力が大きすぎるとき又は減衰が不足である場合は、往復部品がその運動のために利用し得る空間の内部の幾何学的限界を越える往復振幅を獲得することが有り得るという共通の性質を持っている。往復の振幅がこれら限界を越えて増加することが可能となったならば、往復部品は静止構造、又は別の往復部品と繰り返し衝突するであろう。かかる衝突は、機械を破損させるため望ましくないことが明らかである。
【０００６】
特に本発明と関連することは、スターリングクーラーをまず始動させるときの最初の過渡的な冷却期間である。フリーピストンクーラーの運転開始から低温ヘッドが希望の設定
温度に達するまでの期間が過渡的な冷却期間である。過渡的な冷却期間中の低温ヘッドの初期温度は多くは室温、ほぼ３００゜Ｋであり、そしてクーラーが最終的に運転するであろう希望の設定温度は、恐らく約７７゜Ｋ、又はこれ以下のような極端に低い温度であることが多い。作動ガスが高温の初期低温ヘッド温度から低い低温ヘッド設定温度に推移するとき、作動ガスの特性が大きく変化し、これにより機械の運転力学は過渡的な冷却期間中に大きく影響される。特に、作動ガスは冷却されると密度及び粘度が高くなり、このため、往復しているディスプレーサー及びピストンの減衰が運転温度の低下とともに大きくなる。例えば、作動流体の密度及び粘度は４倍に大きくなることがある。
【０００７】
制御システムは、正常な運転条件下、即ち、作動ガスからの減衰のより大きいより低い運転温度においてピストン行程を制御するように設計されたフィードバック制御システムであることが典型的であるため、この密度の変化により過渡的な冷却期間中に発生する問題がある。即ち、冷却に対する要求が最大である始動時においては、制御システムは、より低い運転温度に対して適切な駆動力及び出力でピストンを駆動しようとするが、始動中は、減衰は、制御システムが設計された運転温度におけるより小さい。このため、別の設備が作られない限り、減衰のより小さい高温においてはピストンは過剰に駆動され、衝突の発生する可能性がある。
【特許文献１】米国特許Ｒｅ３０，１７６号  明細書
【特許文献２】米国特許第６，４４６，３３６号  明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術の一つの解は、衝突が生じないように過渡的な冷却中のピストン駆動力を小さくすることである。十分な期間が経過して運転温度に達するまで、ときには手操作で、ピストン駆動力の振幅を徐々に又は規則的に大きくする。
【０００９】
しかし、従来技術の解に伴う問題は、過渡的な冷却期間中のかかる衝突を回避するだけでなく、できるだけ迅速かつ効率的に希望の運転温度に達することが望ましいことである。このため、過渡的な冷却期間にわたるすべての中間の温度に対して、低温ヘッドから最大の熱伝達量で熱を送り出しこれによりクーラーをできるだけ早くその定常運転温度にするために、衝突しないであろう最大の行程で運転させることが望ましい。
【００１０】
多くの従来技術の制御システムは、フリーピストン機械がその正常な運転温度に達した後での衝突による破損を防ぐために開発されてきた。ピストンをその最大の直線往復動に強制するためにこれに加えられる駆動力又は動力は、部分的には機械の冷却の進行に伴う作動ガスの密度の増加のため、始めは、低温側の設定運転温度に達したときに必要とされるものよりかなり小さい。従って、過渡的な冷却期間ではなく定常運転温度において運転されたとき衝突を防ぐように設計された通常のフィードバック制御システムは、過渡的な冷却期間中にピストンにより大きい駆動力を加え、これによりかかる期間中の衝突を助長させる。かかる制御システムは、機械の始動の際に与えられた特有の条件に適応することができなかった。かかる従来技術の制御システムは、一般に、機械が定常温度運転状態に達したときだけ効果がある。
【００１１】
低温ヘッドの温度が低下する際に温度範囲にわたり最大の行程を達成するために、温度の低下とともに駆動力を順次増加させることが必要であり、このため限界を順次増加させねばならない。ピストン駆動力を最大にするために低温ヘッドの温度に関連して各機械に対して適用し得るアルゴニズム又は関係式が知られていないため、自動化された制御システムにおいてこれを行うことに困難が生ずる。
【００１２】
本発明の説明の目的に対して、ピストンの直線状往復経路の各端部にあって、ピストンの振幅又は振動が過度に増加した場合、ピストン又はピストンに結合されてピストンとともに振動している構造が衝突する可能性のある物体を呼ぶために用語「シリンダー端部構造」が使用される。用語「ピストン駆動力」又は「駆動」は、ピストンをその往復直線振動に強制するために、ピストンに加えられる駆動力又は動力である。ピストンの振幅はピストン駆動力の増加関数であるため、ピストン駆動力の増加又は減少は、その他の要因が一定に留まり又はピストン駆動力の変化を完全には打ち消すことのない変動のみを受けるならば、ピストンの振動の振幅を増加させ又は減少させる。
【００１３】
従って、概説すれば、フリーピストンスターリング機械産業の作業者は、制御システム内に、又は外部構造として、フリーピストン機械が内部の衝突によりそれ自体で損傷し又は破壊されることを防止するための手段を備えることについての要求を認識する。従来技術のフリーピストン機械の制御システムは、機械の定常運転に焦点が当てられてきた。この定常運転中、もし内部衝突が認知されず制御システムが適正な修正を行わないならば、衝突の大きさは各サイクルとともに増加し、修理不可能な破損に導く可能性が多い。かかる通常の制御システムは、過渡的な冷却期間中、並びにフリーピストン機械が運転を開始した後に定常運転に向かうときに生ずる過渡的な温度条件中、ピストン行程を最大にして、これにより機械が定常運転状態に達するまでの時間を最小化することは意図していなかった。フリーピストンクーラーに対しては、過渡的な温度範囲において経験する特有な条件を扱うようにされた制御システムが特に重要である。
【００１４】
このため、本発明の目的及び特徴は、フリーピストンクーラー用の制御システムであって、過渡的な始動除隊を含むあらゆる運転状態において、シリンダー端部構造に対するピストン又はピストンとともに往復している構成要素の衝突を避けつつ、ピストン行程を最大化し、従って過渡的な期間を最小化する制御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】
【００１５】
多くの好ましい構成の一つにおいて、本発明の過渡温度制御システム及び方法は、低温ヘッドと高温ヘッドとを有し、かつ低温ヘッド温度センサー、関係インターフェース、及び温度制御器を備えたフリーピストンクーラーを制御する。低温ヘッド温度センサーは低温端の温度を感知し、温度信号を作る。関係インターフェースは、温度信号と通信し、かつ過渡的な冷却時の温度範囲中の低温ヘッド温度と最大ピストン行程との間の予め定められた関係を包含する。関係インターフェースは、温度信号と予め定められた関係とから過渡範囲における最大許容ピストン行程信号を作る。温度制御器は、好ましくは低温ヘッドが定常状態の低温ヘッド温度で運転しているときのピストンの行程も制御する。温度制御器は関係インターフェースと通信して過渡範囲の最大許容行程信号を受け取り、これを使用して過渡的な冷却時の温度範囲中におけるクーラー内の衝突を防ぐようにピストン行程を制限する。
【００１６】
関係インターフェースは冷却時の過渡的な温度範囲中の低温ヘッド温度と最大ピストン行程との間の予め定められた関係を包含する。予め定められた関係は、フリーピストンクーラーのコンピューターモデル又は実験を通して決定することができる。関係は、過渡的な冷却時の温度範囲中にフリーピストンクーラーを運転し、クーラーの構成要素間の衝突行程と呼ばれる衝突が生じた行程を記録することにより確立することができる。次いで、安全マージンを提供するために衝突行程に行程修減少数が適用され、過渡範囲の最大許容行程信号を作る際に使用される過渡的な制御された行程が提供される。予め定められた関係は、表形式又はアルゴニズムとして示される複数のデータとして効率的に記憶されることが多い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の範囲を限定することのない図面を参照する。
【００１８】
図面を参照し以下説明される詳細な説明は単に本発明の好ましい実施例の説明を意図したものであり、本発明を構成し又は利用し得る単なる形式を示すことを意図したものである。この記述は、図示された実施例に関連して本発明の設計、機能、手段、及び実行方法を説明する。しかし、同じ又は相当する機能及び特徴は、これを本発明の精神及び範囲内に含まれる別の実施例により達成し得ることを理解すべきである。
【００１９】
さて、一般に図１及び図２を参照すれば、多くの好ましい実施例の一つにおいて、温度制御システム５０は、低温ヘッド１１０と高温端１２０、低温ヘッド温度センサー２００、関係インターフェース３００、及び温度制御器４００を有するフリーピストンクーラー１００を組み込む。温度センサー２００は、低温ヘッド１１０と熱的に直結され、或いは低温ヘッドを普通に囲みかつ１個以上の冷却対象物を収容する断熱囲いに連結され又はこの中に入れることができる。
【００２０】
図１のフリーピストンクーラー１００は、ピストン駆動装置１３２により駆動されてシリンダー１５０内を往復しているピストン１３０、及びピストン１３０を摺動して通過しかつディスプレーサーバネ１４４に取り付けられたディスプレーサーロッド１４２に取り付けられディスプレーサー１４０を備える。ディスプレーサー１４０は、シリンダー１５２内で、運動指標Ｍｄにより示されたように低温ヘッド１１０と高温端１２０との間を往復する。好ましいピストン駆動装置１３２はピストン１３０に固定された磁石１３５を駆動する電機子巻線１３３を有するリニヤーモーターである。この配列は参考文献としてここに取り入れられた特許文献２に、より詳細に説明される。
【００２１】
フリーピストンクーラー１００の運転中、典型的に電気リニヤーモーターであるピストン駆動装置１３２は、ピストン１３０をＭｐにより示された運動方向で動かす。運動方向の反転する第１の位置から第２の位置までのピストン１３０の動きが、振幅とも呼ばれる行程を決定する。フリーピストンクーラー１００のピストン行程は可変であり、電機子巻線１３３により作られる電磁場の振幅の関数であり、かつ適宜の数の目標を満たすように制御システムにより変化可能に制御される。ある設定温度に冷却された対象物の温度を維持する行程でピストンを作動させることにより、定常状態における効果的な運転が達成される。
【００２２】
運転時には、作動流体、一般にヘリウムが、ピストン１３０とディスプレーサー１４０との組み合わせ運動により輸送され、圧縮され、そして膨張させられる。前述のように、ピストン１３０の動きはピストン駆動装置１３２により行われる。ディスプレーサー１４０の動きは、限定するものではないが、ピストン１３０の運動により作られた作動流体の圧力変化から生ずる圧力波、作動ガスの密度及び摩擦、ディスプレーサーバネ１４４及びその他の構成要素から導かれるフリーピストンクーラー１００内の減衰効果を含んだ多くの結合作用の結果である。Ｍｄにより示されるディスプレーサー１４０の動きが、作動流体を、一般に作動流体通路１６０及びディスプレーサー内に収容された再生器を通して低温ヘッド１１０と高温端１２０との間で往復させる。再生器はエネルギー貯蔵媒体からなり、これは、低温ヘッド１１０から高温端１２０に行き更に戻る循環の際にエネルギー輸送用作動流体との間でエネルギーを授受を行う。現代の再生器は、微細多孔性金属片を組み込み、不必要な熱損失を防止し、かつ効率を改善する。低温ヘッド１１０における作動流体の膨張中にＱで示された熱量が吸収され、そして高温端１２０における作動流体の圧縮中に熱量Ｑが放出される。フリーピストンクーラー１００への熱エネルギーの出入を改良するために、一般に低温ヘッド１１０及び高温ヘッド１２０に熱交換機が取り付けられる。
【００２３】
フリーピストンクーラー１００におけるピストン１３０の自由運動は、有益な特性であると同時に問題源ともなり得る。フリーピストン機械は、ピストン１３０がディスプレーサー１４０及びシリンダー端部構造のようなフリーピストンクーラー１００のその他の内部構成要素のどれかに衝突し破損に至ることが間々ある。技術が進歩し、破壊的損傷を最小にするために多くの制御システムが導入された。
【００２４】
本発明の過渡的温度制御システム５０及び方法は、過渡的な冷却時の温度範囲の特有の特徴を考慮し、これにより破壊的衝突をなくし、かつ迅速な冷却を達成するためにフリーピストンクーラー１００が最大安全行程で運転することを許す。図２に示される本発明の実施例は、ピストン駆動装置を制御するための通常のフィードバック制御ループを備え、このため、定常運転時におけるピストンの振幅は普通の方法で制御される。制御システム５０は、温度フィードバック信号を提供する低温ヘッド温度センサー２００、及び温度制御器４００を備える。低温ヘッド温度センサー２００は、低温ヘッド１１０の温度を感知し温度信号２１０を作る。この温度信号２１０は温度制御器４００に加えられる。温度制御器４００は、温度信号２１０が加えられるクーラー制御論理回路２１２を有し、、定常運転中のクーラー１００の温度を制御するために通常のフィードバック制御ループにおいて使用される。クーラー制御論理回路２１２からの行程指令信号出力が行程リミッター２１４に加えられ、このリミッターは、定常運転中、行程指令信号に限界を与えて行程が定常運転に適切であるようにこれを拘束する。次いで、行程リミッター２１２からの行程指令出力は通常行程制御論理回路２１６に加えられ、この論理回路がピストン駆動装置１３２に印加される駆動用の動力及び力を制御する。
【００２５】
加えて、制御システムは、過渡的な冷却期間中のピストン行程を制御する本発明の目的に対して、温度データを受けるために温度信号２１０と通信する関係インターフェース３００も備える。関係インターフェース３００は、過渡的な冷却時の温度範囲における低温ヘッド温度とピストンの最大行程との間の記憶され予め定められた関係を包含する。関係インターフェース３００は、温度信号２１０と所定の関係とから過渡温度範囲中の許容し得る最大行程信号３１０を作る。温度制御器４００は関係インターフェース３００と通信して過渡範囲における許容最大行程信号３１０を受け取り、そしてピストン行程をインターフェース３００から受けた行程に制限して、過渡的な冷却時の温度範囲におけるクーラー内の衝突を防ぐ。
【００２６】
低温ヘッド温度センサー２００は、過渡的な冷却時の温度範囲内において温度を正確に感知できる種々の適宜の温度感知技術のものとすることができる。事実上、低温ヘッド温度センサー２００は、定常運転に対して温度制御器４００に使用されるセンサーであって、別の特有のセンサーにする必要のないことが好ましい。かかる運転に適したセンサーは、ダイオード形式のセンサー及び抵抗式温度検知形のセンサーを含む。
【００２７】
関係インターフェース３００は、過渡的な冷却時の温度範囲内における低温ヘッド温度とピストンの最大行程との間の所定の関係を包含する。この所定の関係はフリーピストンクーラー１００のコンピューターモデルにより決定することができるが、これは、実験によってより効率的に決められる。一実施例においては、所定の関係は、記憶装置内に電子的に記憶される。更に、所定の関係は、複数のデータとして効率的に記憶されることが多い。複数のデータは、恐らくはデータベースにおいて表形式で明示することができる。或いは、データは、データ表のプロットを近似する級数のようなアルゴニズムとして示すことができる。
【００２８】
所定の関係が実験的に決定される実施例においては、関係は、過渡的な冷却時の温度範囲でフリーピストンクーラー１００を運転し、ピストン行程を手操作で制御し、そして衝
突行程と呼ばれるクーラー構成要素との間の衝突をもたらす行程を記録することにより確立することができる。この過程を、過渡的な冷却時の温度範囲内の適宜の数の温度について繰り返す。例えば、約３００゜Ｋの最初の運転温度から始まる設定温度が７０゜Ｋまでの過渡的な冷却時の温度範囲は、全範囲にわたり１０゜Ｋ間隔で集められた実験データを持つことができ、２４組の温度と衝突行程の値との対を得ることができる。次いで、安全マージンを提供するために衝突行程に行程短縮係数を適用して過渡的な制御された行程を作り、続いて過渡範囲内の最大の許容行程信号３１０を作る。本技術の熟練者は、収集されたデータにより作られる曲線に近似する数学的級数の使用によるようなアルゴニズムも構成し得ることを認めるであろう。
【００２９】
温度制御器４００は、本発明の実行において使用するために過渡範囲の最大許容行程信号３１０を受け取る。温度制御器４００は、実質的に、フリーピストンクーラー１００の運転を制御し内部の破壊的な衝突を防ぐように設計された多くの知られた制御システムのいずれかとすることができる。かかる温度制御器４００の一つが図２に図式的に示される。この特別な実施例においては、温度制御器４００は、クーラー制御論理デバイス、行程リミッター、及び上述のようなフィードバック制御システムを形成するように電気接続された行程制御論理デバイスより構成される。クーラー制御論理デバイス２１２は、典型的に設定運転温度Ｔｓ及び測定された運転温度を受け取り、そして行程指令を作る。この行程指令が行程リミッター２１４に適用される。行程リミッターは、フリーピストンクーラーの構成要素間の衝突と典型的に組み合った多くの現象の発生に基づいて行程の値を減らすことができる。フリーピストンクーラー内の衝突を検知する一つの方法は、音響により衝突を検知し行程指令を所定の値だけ減らすことであった。或いは、機械の正常な運転中のピストンの減速度より大きい過度のピストン減速度の検知により衝突を検知するように速度及び加速度の検知器にも依存していた。更に、行程リミッターは、破壊的な衝突を検知するために、単に、リミットスイッチの使用を組み入れてきた。次に、行程制御論理デバイスが、行程リミッターから行程指令を受け取り、これをクーラーに、典型的にピストン駆動装置１３２、又は電気リニヤーモーターに送る電力の大きさと組み合わせる。
【００３０】
温度制御器４００は、温度制御器の定常状態の行程指令に本質的に優先させることのできる過渡的の状態を反映する別の入力を受け取ることにより、過渡的な冷却時の温度範囲中の衝突を防ぐ。この優先信号は、関係インターフェース３００により作られた過渡範囲の許容最大行程信号３１０である。次いで、温度制御器４００が、過渡的な冷却時の温度範囲内の適宜の与えられた低温ヘッド温度に対して、所定の関係から、過渡的な制御行程値を越えないように行程指令を制限する。そこで、温度制御器４００は、過渡的な冷却時の温度範囲中並びに定常温度運転の後期の衝突を防ぐことができる。
【００３１】
図３は、本発明の実施例に対する本発明の関係データベースに記憶されたデータを示す例である。最大ピストン行程値は、行程リミッター２１４に入力されるピストン行程限度を示す。行程リミッターに入力するデータの各は、表に示された例示温度に対する入力である例示行程限界を示す値である。温度制御器４００は、正常運転温度においてクーラーを制御するように設計されているので、表に示された行程の寸法は定常運転温度における規定の行程寸法にピストンを限定するためのデータを表す。その結果、行程を定常状態の温度における特別な寸法に制限する関係データベースからのデータは、より高温の低温運運転期間においては減衰がより小さいため、より大きい行程を許すであろう。このため、表に示された温度における実際のピストン行程はすべて同様であるが、行程制限信号は、クーラーの温度が低下しかつ減衰が増加するとき、より大きい行程制限に変化する。換言すれば、クーラーの温度が低下しかつ減衰が増加するとき行程限界は増加するが、温度低下が進行するとき、実際の行程自体は、これを一定の最大値に維持することができる。
【００３２】
本技術熟練者には、ここに説明された好ましい実施例の多くの代替例、変更例、及び変
化例が明らかであろう。そして、これらは、すべてが本発明の精神及び範囲内にあることが予期されかつ考えられる。例えば、特別の実施例が詳細に説明されたが、本技術熟練者は、種々の形式の代替及び或いは追加の又は交替の材料、部材の関係配列、並びに寸法仕様を組み込むために上記実施例及び変更例を変更し得ることを理解するであろう。従って、ここでは本発明の僅かな変更例を説明しただけであるが、かかる追加の変更及び改造並びにこれらに相当するものは特許請求の範囲において定められる本発明の精神内にあることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術においてよく知られたフリーピストンクーラーの実施例の縮尺によらない部分的断面図である。
【図２】本発明の過渡的温度制御システムの略図である。
【図３】本発明の関連インターフェースに記憶されたデータ値の例を示している表である。
【図１】
2007523314.tif 000003
【図２】
2007523314.tif 000004
【図３】
2007523314.tif 000005
【国際調査報告】
2007523314.tif 000006