(57)【要約】  冷却装置（２０）が作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機（２３）と、作動媒体の膨張によって超電導体（５）の極低温冷却材に冷却出力（Ｋ）を伝達するための冷却ユニット（２２）とを含み、リニア圧縮機（２３）が２つのピストン（３１）を有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数（ｆ）および或るストローク（Ｈ）にてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に移動可能である超電導体（５）を冷却するための冷却装置（２０）においては、特に例えば船舶のような移動装置に使用するために、良好な効率で規定の冷却出力が発生可能でなければならない。このために、本発明によれば、少なくとも一方の可動ピストン（３１）のストローク（Ｈ）が目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節される。【選択図】図４
2013502553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導体（５）を冷却するための冷却装置（２０）の運転方法であって、冷却装置（２０）が作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機（２３）と、作動媒体の膨張によって超電導体（５）の極低温冷却材に冷却出力（Ｋ）を伝達するための冷却ユニット（２２）とを含み、リニア圧縮機（２３）が２つのピストン（３１）を有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数（ｆ）および或るストローク（Ｈ）にてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である方法において、少なくとも一方の可動ピストン（３１）のストローク（Ｈ）が目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節されることを特徴とする方法。
【請求項２】
ストローク（Ｈ）の目標値が冷却出力（Ｋ）の目標値から導き出され、ストローク（Ｈ）を予め与え得る目標値に調節することによって冷却出力（Ｋ）がこの目標値に制御および／又は調節されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
２つのピストン（３１）が同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節のための制御量として両ピストンのストロークの平均値が使用されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
一方の可動ピストン又は各可動ピストン（３１）がそれぞれ１つのモータ（３３）によって駆動され、ピストンストローク（Ｈ）を調節するための操作量として各モータ（３３）に印加される電圧（Ｕ）が使用されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
【請求項５】
ピストンストローク（Ｈ）を調節する際に往復運動の周波数（ｆ）が固定的に予め与えられることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
【請求項６】
ピストンストローク（Ｈ）を調節する際に往復運動の共振周波数（ｆ0）が求められ、往復運動の周波数（ｆ）がこの共振周波数（ｆ0）に設定されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
【請求項７】
共振周波数（ｆ0）がモータ電流（Ｉ）とモータ電圧（Ｕ）との間の位相差を介して、又はピストンストロークを調節するための操作値を介して求められることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
ピストンストローク（Ｈ）を調節する際にピストン（３１）の零位置に対する偏差および不均整が補償されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
【請求項９】
作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機（２３）と、作動媒体の膨張によって超電導体（５）の極低温冷却材に冷却出力（Ｋ）を伝達するための冷却ユニット（２２）とを含む超電導体（５）を冷却するための冷却装置（２０）であって、リニア圧縮機（２３）が２つのピストン（３１）を有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数（ｆ）および或るストローク（Ｈ）にてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である冷却装置（２０）において、
少なくとも一方の可動ピストン（３１）のストローク（Ｈ）を目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節するように構成されている調節装置（４０）を含むことを特徴とする冷却装置。
【請求項１０】
調節装置（４０）内に冷却出力（Ｋ）とピストンストローク（Ｈ）との間の関係を記述するデータ（４１）が記憶されていることを特徴とする請求項９記載の冷却装置。
【請求項１１】
ピストンストローク（Ｈ）を調節することによって冷却出力（Ｋ）を予め与え得る目標値に制御および／又は調節するために、冷却装置（２０）が上位に置かれた制御および／又は調節装置（５０）を含むことを特徴とする請求項９又は１０記載の冷却装置。
【請求項１２】
調節装置（４０）が、少なくとも一方の可動ピストン（３１）のピストンストローク（Ｈ）を測定するために、測定装置（３７）、特に磁界センサ又は光学センサを含むことを特徴とする請求項９乃至１１の１つに記載の冷却装置。
【請求項１３】
冷却装置（２０）が、一方の可動ピストン又は各可動ピストンを駆動するために、それぞれ１つのモータ（３３）と、予め与え得る電圧および周波数にて当該モータ（３３）に電流を供給するためのそれぞれ１つの周波数変換装置（４３）とを含むことを特徴とする請求項９乃至１２の１つに記載の冷却装置。
【請求項１４】
それぞれ１つの周波数変換装置（４３）を介して周波数に同期した電圧にてそれぞれ１つのモータ（３３）によって駆動可能である２つの可動ピストン（３１）を含み、これらのモータ（３３）は２相交流モータとして、これらの周波数変換装置（４３）は１つの電圧中間回路（６３）を有する３相変換装置として構成されており、これらの周波数変換装置（４３）は、入力側が３相電源系統（６０）に接続可能であり、出力側が２つの相を介して各モータ（３３）に接続されており、電圧中間回路（６３）に並列に１つの付加的なコンデンサ（６５）が接続されていることを特徴とする請求項１３記載の冷却装置。
【請求項１５】
調節装置（４０）が、ピストンストローク（Ｈ）を調節する際に往復運動の共振周波数（ｆ0）を求めて、往復運動の周波数（ｆ）をこの共振周波数（ｆ0）に設定するように構成されていることを特徴とする請求項９乃至１４の１つに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文による超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法に関する。この種の冷却装置は、例えば特許文献１から公知である。更に、本発明は、その方法を実施するのに適した請求項９による冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電動機、発電機又は超電導電流制限器のような電気装置又は電気機械において、超電導体は冷却されなければならず、このために一般に例えば液化ネオン又は液化窒素のような極低温冷却材が入っているクライオスタット内にある。冷却装置はクライオスタット内に存在する気化した冷却材を再び液化するために使用される。冷却装置は、しばしば冷凍機とも呼ばれ、一般に閉じられた回路を含み、この回路内では作動媒体、例えばヘリウムガスが圧縮機において圧縮され、冷却ユニットにおいて再膨張させられ、それによって冷却出力がクライオスタット内にある冷却材に伝達される。冷却装置は、例えばギフォードマクマホン原理、パルスチューブ原理又はスターリング原理に従って動作することができる。
【０００３】
超電導体を有する電気装置又は電気機械は、それらの高い出力密度、少ないスペース要求およびその他の超電導体の固有特性のおかげで、例えば船舶又は海上プラットフォームのような移動装置における使用に向いている。例えば特許文献２および特許文献３は、回転する高温超電導体界磁巻線を有する船舶駆動機械および船舶用発電機を開示しており、その界磁巻線は、超電導体のための冷却材として２５Ｋの温度を有するネオンが入っているクライオスタット内に配置されている。そのクライオスタットは極低温ヒートパイプを介して冷却装置のコールドヘッドに接続され、この冷却装置には圧縮機も属する。
【０００４】
特許文献１から、超電導電流制限器を有する船舶および海上設備用の短絡電流保護システムが公知であり、この電流制限器においては超電導体がクライオスタット内に配置されており、クライオスタット内には超電導のための冷却材として７７Ｋの温度を有する液化窒素がある。気化した冷却材の再凝縮のために、クライオスタット内に突出したコールドヘッドおよび圧縮機を含む冷却装置が使用されている。冷却装置自体は調節できず、むしろ調節はコールドヘッドに取り付けられた再熱ヒータによって間接的に行なわれる。再熱ヒータは、周囲圧力において液化窒素の温度が７７Ｋになるように、温度調節器によってオンオフされる。圧縮機としては、少ないメンテナンス要求のゆえに、油を使わないリニア圧縮機がとりわけ使用される。
【０００５】
移動装置、特に船舶又は海上プラットホームにおいて、超電導体を有する電気装置又は電気機械を使用するためには、構成要素が傾斜していても冷却装置の運転を保証することを考慮すべきである。例えば船上で使用するためには、２２．５度の傾斜姿勢でも運転が保証されなければならない。往復ピストン原理に従って動作する圧縮機又はスクリュー圧縮機はこれに適していない。何故ならば、それらは潤滑油を使用しており、従って運転中に傾斜させてはならないからである。これに対して油を使用しないリニア圧縮機が適している。この種のリニア圧縮機は一般に２つのピストンを有し、両ピストンのうち少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、リニアモータによって或る周波数および或るストロークにてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である。
【０００６】
この種の圧縮機の出力を手動又は自動でモータ電圧およびピストン周波数の変化によって制御することは公知である。もっとも、明らかに、この種の制御は船に適さない。何故ならばその制御は、例えば、回路内の充填圧力および作動媒体の温度に対するピストンの共振周波数の依存性を考慮していないからである。更に、圧縮機の傾斜もしくは傾斜姿勢も圧縮機の動作点の変動をもたらす。これは一方では規定の冷却出力が調整できないという結果を招く。他方ではこれは、冷却装置が非常に悪い効率で動作し、かなり高い電気エネルギ需要を有する動作点が生じるという結果を招く。動作点の変動によって圧縮機のハウジングへのピストンの衝突の危険が生じ、それに伴って圧縮機の安全上の運転停止という結果となりかねない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１５２６６２５号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００４０２３４８１号明細書
【特許文献３】国際特許出願公開第０３／０４７９６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これから出発して、本発明の課題は、冷却装置が特に例えば船舶のような移動装置への使用に適するように良好な効率にて規定の冷却出力を発生させることを可能にする請求項１の前文による冷却装置の運転方法を提供することにある。更に、本発明の課題は、その方法を実施するのに適した冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
方法に向けられた課題の解決は請求項１記載の方法によって達成される。本発明の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項２乃至８の対象である。冷却装置に向けられた課題の解決は請求項９記載の冷却装置によって達成される。冷却装置の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項１０乃至１５の対象である。
【００１０】
本発明による方法では、少なくとも一方の可動ピストンのストロークが目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節される。この場合に、一方のピストンのストロークとは、ピストンが往復運動の第１の死点（折り返し点）から第２の死点（折り返し点）まで戻る距離のことである。ストロークのこのような調節によって、温度や、作動媒体の充填圧力や、例えば圧縮機の傾斜姿勢のようなその他の影響に関係なく、冷却装置の固定した動作点を設定することができる。その際に、ピストンストロークおよび周波数に基づいて発生冷却出力を正確に推定することができる。それにより、良好な効率にて規定の、特に予め与え得る冷却出力を発生する動作点に狙いを定めて設定をすることができる。従ってこのように運転される冷却装置は、特に例えば船のような移動装置に使用するのに適している。
【００１１】
有利な実施形態によれば、ストロークの目標値が冷却出力の目標値から導き出され、ストロークを予め与え得る目標値に調節することによって冷却出力がこの目標値に制御および／又は調節される。
【００１２】
２つのピストンが同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節のための制御量として両ピストンのストロークの平均値が使用されるとよい。
【００１３】
一方の可動ピストン又は各可動ピストンがそれぞれ１つのモータによって駆動される場合に、ピストンストロークを調節するための操作量として各モータに印加される電圧を使用することによって、ピストンストロークの調節を正確に行なうことができる。
【００１４】
ピストンストロークを調節する際に往復運動の周波数を固定的に予め与えることができる。
【００１５】
しかし、格別に有利な実施形態によれば、ピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数が求められ、少なくとも一方の可動ピストンの往復運動の周波数がこの共振周波数に設定される。これによって運転中に自動的に最適な効率を有する動作点を設定することができる。
【００１６】
この共振周波数はモータ電流とモータ電圧との間の位相差を介して特に容易に求めることができる。代替として、この共振周波数はピストンストロークを調節するための目標値を介して求めることもできる。
【００１７】
２つのピストンが同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節の際に、ピストンの零位置に対する例えば圧縮機の傾斜姿勢に起因する偏差および不均整が補償されると有利である。往復運動が水平方向の成分のみならず垂直方向の成分も有する圧縮機の傾斜姿勢においては、モータ力が、水平方向の成分も垂直方向の成分も有する。その場合に垂直方向の成分は重力と相互作用をする。これは、或る特定の時点で一方のピストンにおいてモータ力が重力と一緒に作用するのに対して、他方のピストンにおいては重力に抗して作用する。これによって一方のピストンでは死点に到達するために他方のピストンよりも少ない駆動力が必要である。従って両モータのための一定の操作値（例えばモータ電圧）による運転の場合にピストンの経路が変化するので、最大冷却出力を減少させるピストンの零点移動が生じる。これは、例えば操作量におけるオフセットの形での（例えばモータ電圧における直流電圧成分による）両モータの的確な異なる制御によって補償することができる。
【００１８】
超電導体を冷却するための本発明による冷却装置は、作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機と、作動媒体の膨張によって超電導体の極低温冷却材に冷却出力を伝達するための冷却ユニットとを含み、このリニア圧縮機が２つのピストンを有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数および或るストロークにてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である。この冷却装置は、少なくとも一方の可動ピストンのストロークを目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節するように構成されている調節装置を有する。
【００１９】
調節装置内に冷却出力とピストンストロークとの間の関係を記述するデータが記憶されていることが好ましい。
【００２０】
格別に有利な実施形態によれば、冷却装置が、ピストンストロークを調節することによって冷却出力を予め与え得る目標値に制御および／又は調節するために上位に置かれた制御および／又は調節装置を含む。
【００２１】
少なくとも一方の可動ピストンのピストンストロークを測定するために、前記調節装置は測定装置、特に磁界センサ又は光学センサを含むことができる。
【００２２】
一方の可動ピストン又は各可動ピストンを正確かつ強力に駆動するために、冷却装置がそれぞれ１つのモータと、予め与え得る電圧および周波数にて当該モータに電流を供給するためのそれぞれ１つの周波数変換装置とを含む。
【００２３】
一実施形態では、冷却装置が、それぞれ１つの周波数変換装置を介して周波数同期した電圧にてそれぞれ１つのモータによって駆動可能である２つの可動ピストンを含み、これらのモータは２相交流モータとして、これらの周波数変換装置は電圧中間回路を有する３相変換装置として構成されており、これらの周波数変換装置は入力側が３相電源系統に接続可能であり、出力側が２つの相を介して各モータに接続されており、これらの電圧中間回路に並列に１つの付加的なコンデンサが接続されている。
【００２４】
最適な効率を有する動作点の自動的な設定が、調節装置を次のように構成することによって、即ちピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数を求めて往復運動の周波数をこの共振周波数に設定するように構成することによって可能である。
【００２５】
以下において図面における実施例に基づいて本発明および従属請求項による本発明の有利な実施形態を更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は超電導体を備えたモータを有する船舶駆動装置の一例を示す。
【図２】図２はリニア圧縮機の概略断面図を示す。
【図３】図３はピストンストロークに対する冷却出力の依存性を表すダイアクラムを示す。
【図４】図４はリニア圧縮機の制御および調節のための構成要素を示す。
【図５】図５はリニア圧縮機のピストンのストロークの測定値に関するダイアグラムを示す。
【図６】図６は調節系のブロック図を示す。
【図７】図７は周波数に対する冷却出力およびストロークの依存性を表わすダイアグラムを示す。
【図８】図８は２相モータと３相電力変換装置とを有する実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１に示された従来技術から公知の船舶用駆動システム１は、高温超電導体電動機（ＨＴＳ電動機）２を含み、この電動機は本来の船腹の外側のゴンドラ３内に配置されており、ポッド形駆動装置とも呼ばれる。しかし、ＨＴＳ電動機２は船の内部にあってもよい。ＨＴＳ電動機２は、回転する高温超電導体界磁巻線５を備えた回転子４を有し、この界磁巻線５はクライオスタット６内に配置されている。クライオスタット６の中には超電導体のための冷却材として２５Ｋの温度を有するネオンが存在する。回転子４は固定子（ステータ）７によって取り囲まれている。その間には空隙が存在する。ＨＴＳ電動機の給電は給電線８を介して行なわれる。ＨＴＳ電動機２はプロペラ軸９を介してプロペラ１０に接続されている。
【００２８】
クライオスタット６は極低温ヒートパイプ１２を介して冷却装置２０の冷却ユニット２２に接続されている。冷却装置２０は作動媒体のための閉じられた熱力学回路２１を含み、この回路２１内には冷却ユニット２２のほかに油を使わないリニア圧縮機３０および熱交換器２４が接続されている。この回路２１で作動媒体は圧縮機３０において圧縮され、熱交換器２４において冷却され、冷却ユニット２２において膨張させられ、これによって冷却出力が超電導体の冷却材に伝達される。クライオスタット６において気化された冷却材が冷却ユニット２２に極低温ヒートパイプ１２を介して導入され、冷却ユニット２２の冷却された表面において再び凝縮させられる。
【００２９】
冷却装置２０がギフォードマクマホンの原理に基づいて動作する場合には、冷却ユニット２２がいわゆるコールドヘッドである。作動媒体としては、例えばヘリウムガスが使用される。しかしこの冷却装置は、例えばパルスチューブ原理又はスターリング原理に基づいて動作してもよい。
【００３０】
リニア圧縮機３０の更なる細部が概略的に図２に示されている。リニア圧縮機３０は２つのピストン３１を有し、これらのピストン３１は、ハウジング３４内において矢印３２で示された方向に直線状に互いに向かい合って或る周波数ｆおよび或るストロークＨにてそれぞれ相手方のピストン３１に対して可動である。変形例において、両ピストン３１の一方が静止状態に保たれ、これに向かって他方のピストン３１だけが直線状に或る周波数ｆおよび或るストロークＨにて移動可能であってもよい。
【００３１】
両ピストン３１の駆動はそれぞれ１つのリニアモータ３３によって行なわれる。このピストン運動によって、３５で示された導入口を介して僅かな圧力を有するヘリウムガスが吸い込まれる。吸い込まれたヘリウムガスはピストン３１によって圧縮され、３６で示された導出口を介して再び吐き出される。
【００３２】
入力側ではモータ３３にモータ電流Ｉを生じさせる２相のモータ電圧が印加される。
【００３３】
本発明によれば、両ピストン３１のストロークが予め与え得る目標値に調節される。その場合にストロークの目標値は、冷却ユニット２２によって超電導体５のための冷却材、即ちここではネオンに伝達されるべき冷却出力の目標値から導き出される。これについて模範的に図３のダイアグラムが、ピストン３１の往復運動の周波数ｆが一定である場合における冷却出力ＫとストロークＨとの間の関係を示している。明らかに、冷却出力Ｋはピストン３１のストロークＨの増大にともなって上昇する。従って、ピストン３１のストロークＨを調節することによって、冷却出力を目標値に制御および／又は調節することができる。
【００３４】
ピストン３１のストロークを決定するために、リニア圧縮機３０の内部において、両ピストン３１のそれぞれに、各ピストン３１のストロークを求めるための測定装置３７が配置されている。測定装置３７は、好ましくは磁界センサ（例えば、ホールセンサ）又は光学センサ（例えば、レーザダイオード）である。
【００３５】
リニア圧縮機の調節および制御のための冷却装置２０の他の構成要素が図４に示されている。調節装置４０は、ピストン３１のストロークを予め与え得る目標値に調節するように構成されている。調節装置４０は、冷却出力の目標値Ｋを、手動によって操作者から受け取るか、又は冷却出力の制御および／又は調節のために上位に置かれた制御および／又は調節装置５０から受け取る。この目標値から調節装置４０においてピストン３１のストロークの目標値およびピストン３１の往復運動の周波数が導き出される。このために調節装置４０内には、冷却出力とピストンストロークと共振周波数との間の関係を記述するデータ４１が記憶されている。これらの関係は、場合によっては、前もって実験により求めることができる。
【００３６】
周波数ｆUの予め与え得る電圧Ｕを両リニアモータ３３に供給するために、それぞれ１つの周波数変換装置４３が使用されている。制御および／又は調節ユニット４４が周波数変換装置４３の制御および／又は調節のために使用されている。
【００３７】
ピストンストロークを調節するための制御量として両ピストン３１のストロークの平均値が使用される。このために調節装置４０が複数の測定装置３７から複数の信号線４２を介して複数のピストン位置の実際値を検出し、それらから両ピストン３１のストロークの平均値を求める。測定装置３７の出力信号、例えば電圧が、ストロークの少なくとも１つの周期にわたって、即ち１つの完全な往復運動にわたって測定される。
【００３８】
その際に両ピストンのストロークは、往復運動の１つの周期においてピストンが運動方向を転換する２つのピストン死点の間の差から決定される。これに対して、図５には、往復運動の１つの周期における時間ｔに対する両ピストン３１のストロークＨの経過を表す種々の測定値が例示されている。これらの測定点から、各ピストン３１のピストンストロークの最小および最大が求められ、それにより周期ごとの各ピストンのストロークが算定される。
【００３９】
周期ごとの両ピストンのストロークの平均値が実際値ＨImをもたらし、この実際値が調節装置４０の調節器４５に供給される。これについて図６が調節器４５および制御対象４６を有する調節ループのブロック図を示す。調節器４５は、ピストンストロークの実際値ＨImとピストンストロークの目標値ＨSとの間の差から、操作値、即ちここではモータ電圧Ｕの目標値ＵSを決定する。この目標値ＵSは調節装置２０によってモータ電圧の周波数の目標値ｆｓと共に周波数変換装置４３の制御および／又は調節ユニット４４に伝達される。それにしたがって制御および／又は調節ユニット４４は両周波数変換装置４３の出力電圧を要求された目標値ＵS，ｆｓに制御および／又は調節し、両リニアモータ３３が周波数に同期した電圧を供給される。
【００４０】
調節器４５は、例えばＩ調節器である。調節器４５の詳細な構成は、好ましくは制御対象のステップ応答およびシステム全体の操縦特性の評価に基づいて行なわれるとよい。
【００４１】
従って、ピストンストロークを調節するための操作量としては、両モータ３１に印加されるモータ電圧Ｕが使用される。その場合、ピストンストロークを調節する際に往復運動の周波数を固定的に設定することができる。もっとも、例えば温度および充填圧力のような種々の運転パラメータに対する共振周波数の依存性に基づいて、冷却装置２０が悪化した動作効率で運転されるおそれがある。図７はこれに関する周波数ｆに対するストロークＨおよび冷却出力Ｋのあり得る関係を例示する。明らかに、冷却出力およびストロークの最大値は共振周波数ｆ0の領域にある。従って調節装置２０によってピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数が求められ、往復運動の周波数がこの共振周波数に設定されるとよい。これによって最適な効率を有する動作点で冷却装置２０を運転することができる。
【００４２】
この共振周波数は、調節装置４０内に記憶された共振周波数と動作パラメータ（例えば温度）との間の関係に基づいて求められて制御されるとよい。しかし、共振周波数が自動的に最適値に調節されるのが好ましい。このために調節装置４０によって、モータ電圧Ｕの予め与えられた一定の振幅においてモータ電圧の周波数の目標値ｆｓを定められた時間間隔で自動的に変化させることにより、モータ電圧Ｕの周波数ｆUがより大きい周波数の方向およびより小さい周波数の方向へ変化させられ、その際にモータ電圧Ｕとモータ電流Ｉとの間の位相差が求められる。共振周波数はその位相差が最大であるときに存在する。
【００４３】
調節装置４０は、このために両周波数変換装置４３又は該変換装置の制御および／又は調節ユニット４４からモータ電圧Ｕおよびモータ電流Ｉの測定値を受け取って、前記位相差を決定する。この位相差の決定は両周波数変換装置４３又は制御および／又は調節ユニット４４において直接に行なって、その結果を調節装置４０に伝達してもよい。
【００４４】
代替として、この共振周波数は、ピストンストロークを調節するための操作値を介して求めてもよい。その場合に共振周波数は、操作値、即ちここではモータ電圧が最小となる周波数である。
【００４５】
調節装置４０によって、ピストンストロークを調節する際に、例えば圧縮機２０の傾斜姿勢に基づくピストン３１の零位置に関する偏差および不均整が考慮されると有利である。これは、例えば両変換装置４３に対する（例えば、モータ電圧における直流電圧成分の形の）異なった目標値設定によって補償することができる。
【００４６】
追加的になおも調節装置４０が、ハウジング壁へのピストン衝突ならびに過大なモータ電流を目標値低減によって防止する監視を含んでいるとよい。このために、調節装置４０によって、測定装置３７により測定される極値が予め設定された限界値を超過しているかどうかが監視される。
【００４７】
両リニアモータ３３は唯一の周波数変換装置４３によって共通に給電されてもよい。もっともこの場合には、ピストンストロークを調節する際に、例えば圧縮機が傾斜した際のピストンの零位置に関する偏差および不均整を補償するために、両モータを別々に制御することができなくなる。
【００４８】
図８に示されている実施形態によれば、モータ３３は２相交流モータとして構成されている。例えば船舶におけるような大型設備における電源系統はたいてい３相電源系統６０として構成されているので、周波数変換装置４３は、系統６０の対称性を有する負荷を保証するために、それぞれ電源側変換器６１とモータ側変換器６２とその中間に配置された電圧中間回路６３とを有する３相変換装置として構成されている。
【００４９】
市販の変換装置を使用する場合、もっとも、その変換装置は中間回路６３の２相負荷を系統における１相の欠相として認識し、それゆえ遮断動作をするおそれがある。このおそれは、両変換装置４３の中間回路６３に並列接続した付加的なコンデンサ６４により両変換装置４３の中間回路電圧を安定化することによって解消される。
【００５０】
冷却装置２０によって発生させられる冷却出力はストロークの調節によって制御もしくは調節可能となる。これにより供給電気エネルギに関して非常に大きな節減可能性が存在する。何故ならば圧縮機の効率は約１％しかないからである。市販の圧縮機は常に全負荷運転され、不要な冷却出力は逆加熱によって補償もしくは浪費される。この場合に１Ｗの浪費された冷却出力は、系統から摂取されて浪費された１００Ｗの電力に相当する。本発明による調節および制御によって、温度変化又はその他の運転上の影響（例えば圧縮機の傾斜姿勢）が動作点の変動を招くことなしに、圧縮機を固定の動作点に保つことができる。ピストンの衝突およびそれに伴う圧縮機の安全上の運転停止も回避することができる。
【００５１】
固定点として調整される動作点は圧縮機の傾斜もしくは傾斜姿勢のもとでも維持することができる。これは船上での圧縮機の使用のための重要な前提条件である。調節および制御のために使用される色々な構成要素に関しては既に造船用の仕様のものが市販されているので、本発明による冷却装置は十分に船で使用できるように構成することができる。
【００５２】
圧縮機の動作点は、動作周波数の自動的な再調整によって常に共振点近くで動作可能である。これによって、圧縮機がいつでも共振点で動作する、即ち最適な効率を有することを保証することができる。
【００５３】
本発明による調節装置により、１つの複合体で運転される複数の圧縮機を並列に制御もしくは調節することもできる。例えば、１台のＨＴＳ同期機に対して４台までの冷却装置（冷凍機）が必要とされ、そのうち例えば２台が冗長要素として設けられている。このような装置のうちの２台を全負荷で運転する代わりに、今や４台全部を部分負荷で運転することができる。これによって４台の装置の全てを効率に関して有利な領域で動作させることができる。
【符号の説明】
【００５４】
１          船舶駆動システム
２          高温超電導体電動機（ＨＴＳ電動機）
３          ゴンドラ
４          回転子
５          超電導体界磁巻線
６          クライオスタット
７          固定子（ステータ）
８          給電線
９          プロペラ軸
１０        プロペラ
１２        極低温ヒートパイプ
２０        冷却装置
２１        熱力学回路
２２        冷却ユニット
２４        熱交換器
３０        リニア圧縮機
３１        ピストン
３２        矢印
３３        モータ
３４        ハウジング
３５        導入口
３６        導出口
３７        測定装置
４０        調節装置
４１        データ
４２        信号線
４３        周波数変換装置
４４        制御および／又は調節ユニット
４５        調節器
４６        制御対象
５０        上位の制御および／又は調節装置
６０        ３相電源系統
６１        系統側変換器
６２        モータ側変換器
６３        電圧中間回路
６５        付加的なコンデンサ
【図１】
2013502553.tif 000003
【図２】
2013502553.tif 000004
【図３】
2013502553.tif 000005
【図４】
2013502553.tif 000006
【図５】
2013502553.tif 000007
【図６】
2013502553.tif 000008
【図７】
2013502553.tif 000009
【図８】
2013502553.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月18日(2012.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導体（５）を冷却するための冷却装置（２０）の運転方法であって、冷却装置（２０）が作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機（２３）と、作動媒体の膨張によって超電導体（５）の極低温冷却材に冷却出力（Ｋ）を伝達するための冷却ユニット（２２）とを含み、リニア圧縮機（２３）が２つのピストン（３１）を有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、或る周波数（ｆ）および或るストローク（Ｈ）にてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である方法において、少なくとも一方の可動ピストン（３１）のストローク（Ｈ）が目標値に調節される方法において、
各可動ピストン（３１）が、それぞれ１つのモータ（３３）によって、予め与え得る電圧および周波数にて当該モータ（３３）に電流を供給するためのそれぞれ１つの周波数変換装置（４３）を介して駆動され、ピストンストローク（Ｈ）を調節するための操作量として各モータ（３３）に印加される電圧（Ｕ）が使用され、これらのモータ（３３）は２相交流モータとして、これらの周波数変換装置（４３）は１つの電圧中間回路（６３）を有する３相変換装置として構成されており、これらの周波数変換装置（４３）は入力側が３相電源系統（６０）に、出力側が２つの相を介して各モータ（３３）に接続され、電圧中間回路（６３）に並列に１つの付加的なコンデンサ（６５）が接続されることを特徴とする方法。
【請求項２】
ストローク（Ｈ）の目標値が冷却出力（Ｋ）の目標値から導き出され、ストローク（Ｈ）を予め与え得る目標値に調節することによって冷却出力（Ｋ）がこの目標値に制御又は調節されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
２つのピストン（３１）が同期して互いに向かい合って直線状に往復運動するものとし、ピストンストロークの調節のための制御量として両ピストンのストロークの平均値が使用されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
ピストンストローク（Ｈ）を調節する際に往復運動の周波数（ｆ）が固定的に予め与えられることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
【請求項５】
ピストンストローク（Ｈ）を調節する際に往復運動の共振周波数（ｆ0）が求められ、往復運動の周波数（ｆ）がこの共振周波数（ｆ0）に設定されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
【請求項６】
共振周波数（ｆ0）がモータ電流（Ｉ）とモータ電圧（Ｕ）との間の位相差を介して、又はピストンストロークを調節するための操作値を介して求められることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
ピストンストローク（Ｈ）を調節する際にピストン（３１）の零位置に対する偏差および不均整が補償されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
【請求項８】
作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機（３０）と、作動媒体の膨張によって超電導体（５）の極低温冷却材に冷却出力（Ｋ）を伝達するための冷却ユニット（２２）とを含む超電導体（５）を冷却するための冷却装置（２０）であって、リニア圧縮機（３０）が２つのピストン（３１）を有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数（ｆ）および或るストローク（Ｈ）にてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動であり、更に少なくとも一方の可動ピストン（３１）のストローク（Ｈ）を目標値に調節するように構成されている調節装置（４０）を含む冷却装置（２０）において、
冷却装置（２０）が、一方の可動ピストン（３１）又は各可動ピストン（３１）を駆動するために、それぞれ１つのモータ（３３）と、予め与え得る電圧および周波数にて当該モータ（３３）に電流を供給するためのそれぞれ１つの周波数変換装置（４３）とを含み、それぞれ１つの周波数変換装置（４３）を介して周波数同期した電圧にてそれぞれ１つのモータ（３３）によって駆動可能である２つの可動ピストン（３１）を含み、これらのモータ（３３）は２相交流モータとして、これらの周波数変換装置（４３）は１つの電圧中間回路（６３）を有する３相変換装置として構成されており、これらの周波数変換装置（４３）は入力側が３相電源系統（６０）に接続可能であり、出力側が２つの相を介して各モータ（３３）に接続されており、電圧中間回路（６３）に並列に１つの付加的なコンデンサ（６５）が接続されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項９】
調節装置（４０）内に冷却出力（Ｋ）とピストンストローク（Ｈ）との間の関係を記述するデータ（４１）が記憶されていることを特徴とする請求項８記載の冷却装置。
【請求項１０】
ピストンストローク（Ｈ）を調節することによって冷却出力（Ｋ）を予め与え得る目標値に制御又は調節するために、冷却装置（２０）が上位に置かれた制御又は調節装置（５０）を含むことを特徴とする請求項８又は９記載の冷却装置。
【請求項１１】
調節装置（４０）が、少なくとも一方の可動ピストン（３１）のピストンストローク（Ｈ）を測定するために、測定装置（３７）を含むことを特徴とする請求項８乃至１０の１つに記載の冷却装置。
【請求項１２】
調節装置（４０）が、ピストンストローク（Ｈ）を調節する際に往復運動の共振周波数（ｆ0）を求めて、往復運動の周波数（ｆ）をこの共振周波数（ｆ0）に設定するように構成されていることを特徴とする請求項８乃至１１の１つに記載の冷却装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文による超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法に関する。この種の冷却装置は、例えば特許文献１から公知である。更に、本発明は、その方法を実施するのに適した請求項８による冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電動機、発電機又は超電導電流制限器のような電気装置又は電気機械において、超電導体は冷却されなければならず、このために一般に例えば液化ネオン又は液化窒素のような極低温冷却材が入っているクライオスタット内にある。冷却装置はクライオスタット内に存在する気化した冷却材を再び液化するために使用される。冷却装置は、しばしば冷凍機とも呼ばれ、一般に閉じられた回路を含み、この回路内では作動媒体、例えばヘリウムガスが圧縮機において圧縮され、冷却ユニットにおいて再膨張させられ、それによって冷却出力がクライオスタット内にある冷却材に伝達される。冷却装置は、例えばギフォードマクマホン原理、パルスチューブ原理又はスターリング原理に従って動作することができる。
【０００３】
超電導体を有する電気装置又は電気機械は、それらの高い出力密度、少ないスペース要求およびその他の超電導体の固有特性のおかげで、例えば船舶又は海上プラットフォームのような移動装置における使用に向いている。例えば特許文献２および特許文献３は、回転する高温超電導体界磁巻線を有する船舶駆動機械および船舶用発電機を開示しており、その界磁巻線は、超電導体のための冷却材として２５Ｋの温度を有するネオンが入っているクライオスタット内に配置されている。そのクライオスタットは極低温ヒートパイプを介して冷却装置のコールドヘッドに接続され、この冷却装置には圧縮機も属する。
【０００４】
特許文献４から、超電導電流制限器を有する船舶および海上設備用の短絡電流保護システムが公知であり、この電流制限器においては超電導体がクライオスタット内に配置されており、クライオスタット内には超電導のための冷却材として７７Ｋの温度を有する液化窒素がある。気化した冷却材の再凝縮のために、クライオスタット内に突出したコールドヘッドおよび圧縮機を含む冷却装置が使用されている。冷却装置自体は調節できず、むしろ調節はコールドヘッドに取り付けられた再熱ヒータによって間接的に行なわれる。再熱ヒータは、周囲圧力において液化窒素の温度が７７Ｋになるように、温度調節器によってオンオフされる。圧縮機としては、少ないメンテナンス要求のゆえに、油を使わないリニア圧縮機がとりわけ使用される。
【０００５】
移動装置、特に船舶又は海上プラットホームにおいて、超電導体を有する電気装置又は電気機械を使用するためには、構成要素が傾斜していても冷却装置の運転を保証することを考慮すべきである。例えば船上で使用するためには、２２．５度の傾斜姿勢でも運転が保証されなければならない。往復ピストン原理に従って動作する圧縮機又はスクリュー圧縮機はこれに適していない。何故ならば、それらは潤滑油を使用しており、従って運転中に傾斜させてはならないからである。これに対して油を使用しないリニア圧縮機が適している。この種のリニア圧縮機は一般に２つのピストンを有し、両ピストンのうち少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、リニアモータによって或る周波数および或るストロークにてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である。
【０００６】
この種の圧縮機の出力を手動又は自動でモータ電圧およびピストン周波数の変化によって制御することは公知である。もっとも、明らかに、この種の制御は船に適さない。何故ならばその制御は、例えば、回路内の充填圧力および作動媒体の温度に対するピストンの共振周波数の依存性を考慮していないからである。更に、圧縮機の傾斜もしくは傾斜姿勢も圧縮機の動作点の変動をもたらす。これは一方では規定の冷却出力が調整できないという結果を招く。他方ではこれは、冷却装置が非常に悪い効率で動作し、かなり高い電気エネルギ需要を有する動作点が生じるという結果を招く。動作点の変動によって圧縮機のハウジングへのピストンの衝突の危険が生じ、それに伴って圧縮機の安全上の運転停止という結果となりかねない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５５３５５９３号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００４０２３４８１号明細書
【特許文献３】国際特許出願公開第０３／０４７９６１号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第１５２６６２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これから出発して、本発明の課題は、冷却装置が特に例えば船舶のような移動装置への使用に適するように良好な効率にて規定の冷却出力を発生させることを可能にする請求項１の前文による冷却装置の運転方法を提供することにある。更に、本発明の課題は、その方法を実施するのに適した冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
方法に向けられた課題の解決は請求項１記載の方法によって達成される。本発明の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項２乃至７の対象である。冷却装置に向けられた課題の解決は請求項８記載の冷却装置によって達成される。冷却装置の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項９乃至１２の対象である。
【００１０】
本発明による方法では、少なくとも一方の可動ピストンのストロークが目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節される。この場合に、一方のピストンのストロークとは、ピストンが往復運動の第１の死点（折り返し点）から第２の死点（折り返し点）まで戻る距離のことである。ストロークのこのような調節によって、温度や、作動媒体の充填圧力や、例えば圧縮機の傾斜姿勢のようなその他の影響に関係なく、冷却装置の固定した動作点を設定することができる。その際に、ピストンストロークおよび周波数に基づいて発生冷却出力を正確に推定することができる。それにより、良好な効率にて規定の、特に予め与え得る冷却出力を発生する動作点に狙いを定めて設定をすることができる。従ってこのように運転される冷却装置は、特に例えば船のような移動装置に使用するのに適している。
【００１１】
冷却装置が、一方の可動ピストン又は両方の可動ピストンの精確かつ高性能な駆動のために、それぞれ１つのモータと、予め与え得る電圧および周波数にて当該モータに電流を供給するための１つの周波数変換装置とを含む。
従って、冷却装置がそれぞれ１つの周波数変換装置を介して周波数に同期した電圧にてそれぞれ１つのモータによって駆動可能である２つの可動ピストンを含み、これらのモータは２相交流モータとして、これらの周波数変換装置は１つの電圧中間回路を有する３相変換装置として構成されており、これらの周波数変換装置は、入力側が３相電源系統に接続可能であり、出力側が２つの相を介して各モータに接続されており、電圧中間回路に並列に１つの付加的なコンデンサが接続されている。
有利な実施形態によれば、ストロークの目標値が冷却出力の目標値から導き出され、ストロークを予め与え得る目標値に調節することによって冷却出力がこの目標値に制御および／又は調節される。
【００１２】
２つのピストンが同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節のための制御量として両ピストンのストロークの平均値が使用されるとよい。
【００１３】
一方の可動ピストン又は各可動ピストンがそれぞれ１つのモータによって駆動される場合に、ピストンストロークを調節するための操作量として各モータに印加される電圧を使用することによって、ピストンストロークの調節を正確に行なうことができる。
【００１４】
ピストンストロークを調節する際に往復運動の周波数を固定的に予め与えることができる。
【００１５】
しかし、格別に有利な実施形態によれば、ピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数が求められ、少なくとも一方の可動ピストンの往復運動の周波数がこの共振周波数に設定される。これによって運転中に自動的に最適な効率を有する動作点を設定することができる。
【００１６】
この共振周波数はモータ電流とモータ電圧との間の位相差を介して特に容易に求めることができる。代替として、この共振周波数はピストンストロークを調節するための目標値を介して求めることもできる。
【００１７】
２つのピストンが同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節の際に、ピストンの零位置に対する例えば圧縮機の傾斜姿勢に起因する偏差および不均整が補償されると有利である。往復運動が水平方向の成分のみならず垂直方向の成分も有する圧縮機の傾斜姿勢においては、モータ力が、水平方向の成分も垂直方向の成分も有する。その場合に垂直方向の成分は重力と相互作用をする。これは、或る特定の時点で一方のピストンにおいてモータ力が重力と一緒に作用するのに対して、他方のピストンにおいては重力に抗して作用する。これによって一方のピストンでは死点に到達するために他方のピストンよりも少ない駆動力が必要である。従って両モータのための一定の操作値（例えばモータ電圧）による運転の場合にピストンの経路が変化するので、最大冷却出力を減少させるピストンの零点移動が生じる。これは、例えば操作量におけるオフセットの形での（例えばモータ電圧における直流電圧成分による）両モータの的確な異なる制御によって補償することができる。
【００１８】
超電導体を冷却するための本発明による冷却装置は、作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機と、作動媒体の膨張によって超電導体の極低温冷却材に冷却出力を伝達するための冷却ユニットとを含み、このリニア圧縮機が２つのピストンを有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数および或るストロークにてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である。この冷却装置は、少なくとも一方の可動ピストンのストロークを目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節するように構成されている調節装置を有する。
【００１９】
調節装置内に冷却出力とピストンストロークとの間の関係を記述するデータが記憶されていることが好ましい。
【００２０】
格別に有利な実施形態によれば、冷却装置が、ピストンストロークを調節することによって冷却出力を予め与え得る目標値に制御および／又は調節するために上位に置かれた制御および／又は調節装置を含む。
【００２１】
少なくとも一方の可動ピストンのピストンストロークを測定するために、前記調節装置は測定装置、特に磁界センサ又は光学センサを含むことができる。
【００２２】
最適な効率を有する動作点の自動的な設定が、調節装置を次のように構成することによって、即ちピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数を求めて往復運動の周波数をこの共振周波数に設定するように構成することによって可能である。
【００２３】
以下において図面における実施例に基づいて本発明および従属請求項による本発明の有利な実施形態を更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は超電導体を備えたモータを有する船舶駆動装置の一例を示す。
【図２】図２はリニア圧縮機の概略断面図を示す。
【図３】図３はピストンストロークに対する冷却出力の依存性を表すダイアクラムを示す。
【図４】図４はリニア圧縮機の制御および調節のための構成要素を示す。
【図５】図５はリニア圧縮機のピストンのストロークの測定値に関するダイアグラムを示す。
【図６】図６は調節系のブロック図を示す。
【図７】図７は周波数に対する冷却出力およびストロークの依存性を表わすダイアグラムを示す。
【図８】図８は２相モータと３相電力変換装置とを有する実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示された従来技術から公知の船舶用駆動システム１は、高温超電導体電動機（ＨＴＳ電動機）２を含み、この電動機は本来の船腹の外側のゴンドラ３内に配置されており、ポッド形駆動装置とも呼ばれる。しかし、ＨＴＳ電動機２は船の内部にあってもよい。ＨＴＳ電動機２は、回転する高温超電導体界磁巻線５を備えた回転子４を有し、この界磁巻線５はクライオスタット６内に配置されている。クライオスタット６の中には超電導体のための冷却材として２５Ｋの温度を有するネオンが存在する。回転子４は固定子（ステータ）７によって取り囲まれている。その間には空隙が存在する。ＨＴＳ電動機の給電は給電線８を介して行なわれる。ＨＴＳ電動機２はプロペラ軸９を介してプロペラ１０に接続されている。
【００２６】
クライオスタット６は極低温ヒートパイプ１２を介して冷却装置２０の冷却ユニット２２に接続されている。冷却装置２０は作動媒体のための閉じられた熱力学回路２１を含み、この回路２１内には冷却ユニット２２のほかに油を使わないリニア圧縮機３０および熱交換器２４が接続されている。この回路２１で作動媒体は圧縮機３０において圧縮され、熱交換器２４において冷却され、冷却ユニット２２において膨張させられ、これによって冷却出力が超電導体の冷却材に伝達される。クライオスタット６において気化された冷却材が冷却ユニット２２に極低温ヒートパイプ１２を介して導入され、冷却ユニット２２の冷却された表面において再び凝縮させられる。
【００２７】
冷却装置２０がギフォードマクマホンの原理に基づいて動作する場合には、冷却ユニット２２がいわゆるコールドヘッドである。作動媒体としては、例えばヘリウムガスが使用される。しかしこの冷却装置は、例えばパルスチューブ原理又はスターリング原理に基づいて動作してもよい。
【００２８】
リニア圧縮機３０の更なる細部が概略的に図２に示されている。リニア圧縮機３０は２つのピストン３１を有し、これらのピストン３１は、ハウジング３４内において矢印３２で示された方向に直線状に互いに向かい合って或る周波数ｆおよび或るストロークＨにてそれぞれ相手方のピストン３１に対して可動である。変形例において、両ピストン３１の一方が静止状態に保たれ、これに向かって他方のピストン３１だけが直線状に或る周波数ｆおよび或るストロークＨにて移動可能であってもよい。
【００２９】
両ピストン３１の駆動はそれぞれ１つのリニアモータ３３によって行なわれる。このピストン運動によって、３５で示された導入口を介して僅かな圧力を有するヘリウムガスが吸い込まれる。吸い込まれたヘリウムガスはピストン３１によって圧縮され、３６で示された導出口を介して再び吐き出される。
【００３０】
入力側ではモータ３３にモータ電流Ｉを生じさせる２相のモータ電圧が印加される。
【００３１】
本発明によれば、両ピストン３１のストロークが予め与え得る目標値に調節される。その場合にストロークの目標値は、冷却ユニット２２によって超電導体５のための冷却材、即ちここではネオンに伝達されるべき冷却出力の目標値から導き出される。これについて模範的に図３のダイアグラムが、ピストン３１の往復運動の周波数ｆが一定である場合における冷却出力ＫとストロークＨとの間の関係を示している。明らかに、冷却出力Ｋはピストン３１のストロークＨの増大にともなって上昇する。従って、ピストン３１のストロークＨを調節することによって、冷却出力を目標値に制御および／又は調節することができる。
【００３２】
ピストン３１のストロークを決定するために、リニア圧縮機３０の内部において、両ピストン３１のそれぞれに、各ピストン３１のストロークを求めるための測定装置３７が配置されている。測定装置３７は、好ましくは磁界センサ（例えば、ホールセンサ）又は光学センサ（例えば、レーザダイオード）である。
【００３３】
リニア圧縮機の調節および制御のための冷却装置２０の他の構成要素が図４に示されている。調節装置４０は、ピストン３１のストロークを予め与え得る目標値に調節するように構成されている。調節装置４０は、冷却出力の目標値Ｋを、手動によって操作者から受け取るか、又は冷却出力の制御および／又は調節のために上位に置かれた制御および／又は調節装置５０から受け取る。この目標値から調節装置４０においてピストン３１のストロークの目標値およびピストン３１の往復運動の周波数が導き出される。このために調節装置４０内には、冷却出力とピストンストロークと共振周波数との間の関係を記述するデータ４１が記憶されている。これらの関係は、場合によっては、前もって実験により求めることができる。
【００３４】
周波数ｆUの予め与え得る電圧Ｕを両リニアモータ３３に供給するために、それぞれ１つの周波数変換装置４３が使用されている。制御および／又は調節ユニット４４が周波数変換装置４３の制御および／又は調節のために使用されている。
【００３５】
ピストンストロークを調節するための制御量として両ピストン３１のストロークの平均値が使用される。このために調節装置４０が複数の測定装置３７から複数の信号線４２を介して複数のピストン位置の実際値を検出し、それらから両ピストン３１のストロークの平均値を求める。測定装置３７の出力信号、例えば電圧が、ストロークの少なくとも１つの周期にわたって、即ち１つの完全な往復運動にわたって測定される。
【００３６】
その際に両ピストンのストロークは、往復運動の１つの周期においてピストンが運動方向を転換する２つのピストン死点の間の差から決定される。これに対して、図５には、往復運動の１つの周期における時間ｔに対する両ピストン３１のストロークＨの経過を表す種々の測定値が例示されている。これらの測定点から、各ピストン３１のピストンストロークの最小および最大が求められ、それにより周期ごとの各ピストンのストロークが算定される。
【００３７】
周期ごとの両ピストンのストロークの平均値が実際値ＨImをもたらし、この実際値が調節装置４０の調節器４５に供給される。これについて図６が調節器４５および制御対象４６を有する調節ループのブロック図を示す。調節器４５は、ピストンストロークの実際値ＨImとピストンストロークの目標値ＨSとの間の差から、操作値、即ちここではモータ電圧Ｕの目標値ＵSを決定する。この目標値ＵSは調節装置２０によってモータ電圧の周波数の目標値ｆｓと共に周波数変換装置４３の制御および／又は調節ユニット４４に伝達される。それにしたがって制御および／又は調節ユニット４４は両周波数変換装置４３の出力電圧を要求された目標値ＵS，ｆｓに制御および／又は調節し、両リニアモータ３３が周波数に同期した電圧を供給される。
【００３８】
調節器４５は、例えばＩ調節器である。調節器４５の詳細な構成は、好ましくは制御対象のステップ応答およびシステム全体の操縦特性の評価に基づいて行なわれるとよい。
【００３９】
従って、ピストンストロークを調節するための操作量としては、両モータ３３に印加されるモータ電圧Ｕが使用される。その場合、ピストンストロークを調節する際に往復運動の周波数を固定的に設定することができる。もっとも、例えば温度および充填圧力のような種々の運転パラメータに対する共振周波数の依存性に基づいて、冷却装置２０が悪化した動作効率で運転されるおそれがある。図７はこれに関する周波数ｆに対するストロークＨおよび冷却出力Ｋのあり得る関係を例示する。明らかに、冷却出力およびストロークの最大値は共振周波数ｆ0の領域にある。従って調節装置２０によってピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数が求められ、往復運動の周波数がこの共振周波数に設定されるとよい。これによって最適な効率を有する動作点で冷却装置２０を運転することができる。
【００４０】
この共振周波数は、調節装置４０内に記憶された共振周波数と動作パラメータ（例えば温度）との間の関係に基づいて求められて制御されるとよい。しかし、共振周波数が自動的に最適値に調節されるのが好ましい。このために調節装置４０によって、モータ電圧Ｕの予め与えられた一定の振幅においてモータ電圧の周波数の目標値ｆｓを定められた時間間隔で自動的に変化させることにより、モータ電圧Ｕの周波数ｆUがより大きい周波数の方向およびより小さい周波数の方向へ変化させられ、その際にモータ電圧Ｕとモータ電流Ｉとの間の位相差が求められる。共振周波数はその位相差が最大であるときに存在する。
【００４１】
調節装置４０は、このために両周波数変換装置４３又は該変換装置の制御および／又は調節ユニット４４からモータ電圧Ｕおよびモータ電流Ｉの測定値を受け取って、前記位相差を決定する。この位相差の決定は両周波数変換装置４３又は制御および／又は調節ユニット４４において直接に行なって、その結果を調節装置４０に伝達してもよい。
【００４２】
代替として、この共振周波数は、ピストンストロークを調節するための操作値を介して求めてもよい。その場合に共振周波数は、操作値、即ちここではモータ電圧が最小となる周波数である。
【００４３】
調節装置４０によって、ピストンストロークを調節する際に、例えば圧縮機３０の傾斜姿勢に基づくピストン３１の零位置に関する偏差および不均整が考慮されると有利である。これは、例えば両変換装置４３に対する（例えば、モータ電圧における直流電圧成分の形の）異なった目標値設定によって補償することができる。
【００４４】
追加的になおも調節装置４０が、ハウジング壁へのピストン衝突ならびに過大なモータ電流を目標値低減によって防止する監視を含んでいるとよい。このために、調節装置４０によって、測定装置３７により測定される極値が予め設定された限界値を超過しているかどうかが監視される。
【００４５】
両リニアモータ３３は唯一の周波数変換装置４３によって共通に給電されてもよい。もっともこの場合には、ピストンストロークを調節する際に、例えば圧縮機が傾斜した際のピストンの零位置に関する偏差および不均整を補償するために、両モータを別々に制御することができなくなる。
【００４６】
図８に示されている実施形態によれば、モータ３３は２相交流モータとして構成されている。例えば船舶におけるような大型設備における電源系統はたいてい３相電源系統６０として構成されているので、周波数変換装置４３は、系統６０の対称性を有する負荷を保証するために、それぞれ電源側変換器６１とモータ側変換器６２とその中間に配置された電圧中間回路６３とを有する３相変換装置として構成されている。
【００４７】
市販の変換装置を使用する場合、もっとも、その変換装置は中間回路６３の２相負荷を系統における１相の欠相として認識し、それゆえ遮断動作をするおそれがある。このおそれは、両変換装置４３の中間回路６３に並列接続した付加的なコンデンサ６５により両変換装置４３の中間回路電圧を安定化することによって解消される。
【００４８】
冷却装置２０によって発生させられる冷却出力はストロークの調節によって制御もしくは調節可能となる。これにより供給電気エネルギに関して非常に大きな節減可能性が存在する。何故ならば圧縮機の効率は約１％しかないからである。市販の圧縮機は常に全負荷運転され、不要な冷却出力は逆加熱によって補償もしくは浪費される。この場合に１Ｗの浪費された冷却出力は、系統から摂取されて浪費された１００Ｗの電力に相当する。本発明による調節および制御によって、温度変化又はその他の運転上の影響（例えば圧縮機の傾斜姿勢）が動作点の変動を招くことなしに、圧縮機を固定の動作点に保つことができる。ピストンの衝突およびそれに伴う圧縮機の安全上の運転停止も回避することができる。
【００４９】
固定点として調整される動作点は圧縮機の傾斜もしくは傾斜姿勢のもとでも維持することができる。これは船上での圧縮機の使用のための重要な前提条件である。調節および制御のために使用される色々な構成要素に関しては既に造船用の仕様のものが市販されているので、本発明による冷却装置は十分に船で使用できるように構成することができる。
【００５０】
圧縮機の動作点は、動作周波数の自動的な再調整によって常に共振点近くで動作可能である。これによって、圧縮機がいつでも共振点で動作する、即ち最適な効率を有することを保証することができる。
【００５１】
本発明による調節装置により、１つの複合体で運転される複数の圧縮機を並列に制御もしくは調節することもできる。例えば、１台のＨＴＳ同期機に対して４台までの冷却装置（冷凍機）が必要とされ、そのうち例えば２台が冗長要素として設けられている。このような装置のうちの２台を全負荷で運転する代わりに、今や４台全部を部分負荷で運転することができる。これによって４台の装置の全てを効率に関して有利な領域で動作させることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１          船舶駆動システム
２          高温超電導体電動機（ＨＴＳ電動機）
３          ゴンドラ
４          回転子
５          超電導体界磁巻線
６          クライオスタット
７          固定子（ステータ）
８          給電線
９          プロペラ軸
１０        プロペラ
１２        極低温ヒートパイプ
２０        冷却装置
２１        熱力学回路
２２        冷却ユニット
２４        熱交換器
３０        リニア圧縮機
３１        ピストン
３２        矢印
３３        モータ
３４        ハウジング
３５        導入口
３６        導出口
３７        測定装置
４０        調節装置
４１        データ
４２        信号線
４３        周波数変換装置
４４        制御および／又は調節ユニット
４５        調節器
４６        制御対象
５０        上位の制御および／又は調節装置
６０        ３相電源系統
６１        系統側変換器
６２        モータ側変換器
６３        電圧中間回路
６５        付加的なコンデンサ
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【国際調査報告】
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