(57)【要約】【課題】  ピストンやディスプレーサの位置をケーシング外部から検出することが可能なスターリング冷凍機を提供する。【解決手段】  スターリング冷凍機は、作動媒体が封入されたケーシングと、ケーシング内部に配置されたシリンダ２と、シリンダ２内に位置しするピストン３およびディスプレーサ４と、ケーシングに板バネ３１を介して取付けられた振動吸収用のバランスマス３２と、ディスプレーサ４に取付けられた第１の磁石１６と、ケーシングの外壁面に配設され、第１の磁石１６との距離に応じた第１の信号を出力する第１の磁気センサ１７と、バランスマス３２に取付けられた第２の磁石３３と、ケーシング外部に配置され、第２の磁石３３との距離に応じた第２の信号を出力する第２の磁気センサ３４とを備える。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体が封入されたケーシングと、
前記ケーシング内部に配置されたシリンダと、
前記シリンダ内に位置し、駆動手段に駆動されて往復動するピストンと、
前記シリンダ内に位置し、前記ピストンと位相差をもって往復動するディスプレーサと、
前記ディスプレーサに取付けられた磁石と、
前記ケーシングの外壁面に配設され、前記磁石との距離に応じた信号を出力する磁気センサと、
を備えた、スターリング機関。
【請求項２】
前記磁気センサは、前記ディスプレーサに取付けられた前記磁石の往復動方向の延長線上に位置する、請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項３】
前記信号に基づいて、前記ピストンの動作を制御する制御手段をさらに備えた、請求項１または２に記載のスターリング機関。
【請求項４】
前記制御手段は、前記駆動手段へ供給される電力の電圧を制御する電圧制御手段である、請求項３に記載のスターリング機関。
【請求項５】
作動媒体が封入されたケーシングと、
前記ケーシング内部に配置されたシリンダと、
前記シリンダ内に位置し、駆動手段に駆動されて往復動するピストンと、
前記シリンダ内に位置し、前記ピストンと位相差をもって往復動するディスプレーサと、
前記ケーシングに弾性部材を介して取付けられ、前記ピストンおよび前記ディスプレーサが往復動することによって生ずる前記ケーシングの振動を吸収するバランスマスと、
前記バランスマスに取付けられた磁石と、
前記ケーシング外部に配置され、前記磁石との距離に応じた信号を出力する磁気センサと、
を備えた、スターリング機関。
【請求項６】
前記磁気センサは、前記バランスマスに取付けられた前記磁石の往復動方向の延長線上に位置する、請求項５に記載のスターリング機関。
【請求項７】
前記信号に基づいて、前記ピストンの動作を制御する制御手段をさらに備えた、請求項５または６に記載のスターリング機関。
【請求項８】
前記制御手段は、前記駆動手段へ供給される電力の電圧を制御する電圧制御手段である、請求項７に記載のスターリング機関。
【請求項９】
作動媒体が封入されたケーシングと、
前記ケーシング内部に配置されたシリンダと、
前記シリンダ内に位置し、駆動手段に駆動されて往復動するピストンと、
前記シリンダ内に位置し、前記ピストンと位相差をもって往復動するディスプレーサと、
前記ケーシングに弾性部材を介して取付けられ、前記ピストンおよび前記ディスプレーサが往復動することによって生ずる前記ケーシングの振動を吸収するバランスマスと、
前記ディスプレーサに取付けられた第１の磁石と、
前記ケーシングの外壁面に配設され、前記第１の磁石との距離に応じた第１の信号を出力する第１の磁気センサと、
前記バランスマスに取付けられた第２の磁石と、
前記ケーシング外部に配置され、前記第２の磁石との距離に応じた第２の信号を出力する第２の磁気センサと、
を備えた、スターリング機関。
【請求項１０】
前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて、前記ピストンの動作を制御する制御手段をさらに備えた、請求項９に記載のスターリング機関。
【請求項１１】
作動媒体が封入されたケーシングと、
前記ケーシング内部に配置されたシリンダと、
前記シリンダ内に位置し、リニアモータに駆動されて往復動するピストンと、
前記シリンダ内に位置し、前記ピストンと位相差をもって往復動するディスプレーサと、
前記ピストンに取付けられたマグネットホルダに固着され、前記リニアモータの磁気回路を構成する磁石と、
前記ケーシングの外壁面に配設され、前記ピストンの往復動に伴って生じる前記磁気回路の変化を検出し、前記磁石の位置に応じた信号を出力する磁気センサと、
を備えたスターリング機関。
【請求項１２】
作動媒体が封入されたケーシングと、
前記ケーシング内部に配置されたシリンダと、
前記シリンダ内に位置し、リニアモータに駆動されて往復動するピストンと、
前記シリンダ内に位置し、前記ピストンと位相差をもって往復動するディスプレーサと、
前記ピストンに取付けられたマグネットホルダに固着され、前記リニアモータの磁気回路を構成する磁石と、
前記リニアモータの磁気回路を構成する磁石とは別に前記マグネットホルダに固着された位置検出用の磁石と、
前記ケーシングの外壁面に配設され、前記位置検出用の磁石との距離に応じた信号を出力する磁気センサと、
を備えたスターリング機関。
【請求項１３】
前記信号に基づいて、前記ピストンの動作を制御する制御手段をさらに備えた、請求項１１または１２に記載のスターリング機関。
【請求項１４】
前記制御手段は、前記リニアモータへ供給される電力の電圧を制御する電圧制御手段である、請求項１３に記載のスターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング機関に関し、特に、フリーピストン型スターリング機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題の見地から、スターリング機関が注目を浴びている。スターリング機関は、外部の熱源を利用して可逆サイクルであるスターリングサイクルを実現する外燃機関であり、ガソリンなどの引火性や着火性に優れた燃料を必要とする内燃機関に比べ、低公害であるという長所を備えた熱機関である。このスターリング機関を応用した装置として、スターリング冷凍機が知られている。
【０００３】
一般に、冷凍機等に使用される冷凍サイクルとしては、蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用される場合が多い。この蒸気圧縮式の冷凍サイクルは、作動媒体としての冷媒にフロン（クロロフルオロカーボン）を用い、フロンの凝縮および蒸発を利用して所望の冷却性能を得るものである。
【０００４】
しかし、冷媒として使用されるフロンは非常に化学的安定性が高く、大気中に放出された場合には、成層圏にまで達してオゾン層を破壊するとの指摘がなされている。このため、近年においては、特定のフロンの使用および生産が規制されており、フロンを用いた蒸気圧縮式の冷凍サイクルに代わる次世代の冷凍サイクルとして、逆スターリングサイクルが鋭意研究されている。
【０００５】
逆スターリングサイクルにおいては、作動媒体としてヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどを採用することができるため、地球環境に悪影響を及ぼす心配がない。また、逆スターリングサイクルは、小型の装置構成で極低温を発生させることが可能であり、各種冷凍機等への応用が可能である。これらの理由から、逆スターリングサイクルを用いたスターリング冷凍機の実用化が期待されている。
【０００６】
スターリング冷凍機は、作動媒体である冷媒ガスをピストンを用いて圧縮・膨張する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒ガスをディスプレーサを用いて圧縮・膨張させる膨張機とを組合わせたものである。従来、これら圧縮機と膨張機とは別個に構成されたものが一般的であったが、近年においてはピストンとディスプレーサを同軸上に配置することにより、シリンダを共有化したものが一般化しつつある。さらには、ディスプレーサを直接駆動することなく、ピストンの往復動によって生じる冷媒ガスの圧力変化を受けてディスプレーサがピストンと共振するように構成された、いわゆるフリーピストン型のスターリング冷凍機が一般化しつつある。
【０００７】
ところで、このフリーピストン型スターリング冷凍機においては、ディスプレーサの往復動が作動ガスの圧力変化によって決定されるため、何らかの原因によってピストンおよびディスプレーサが衝突する場合がある。ピストンおよびディスプレーサが衝突する場合としては、ピストンとディスプレーサとが衝突する場合やディスプレーサがシリンダの閉塞端に衝突する場合などがある。ピストンおよびディスプレーサが衝突した場合には、内部構成部品が破損することによってスターリング冷凍機が動作しなくなり、スターリング冷凍機の故障の原因となる。
【０００８】
なお、ピストンおよびディスプレーサが衝突する原因としては、たとえば、スターリング冷凍機の運転開始直後等において、急速冷凍を実現するためにピストンを駆動するリニアモータに過大な入力が加えられた場合や、リニアモータに供給される電源の電圧値に変動が生じた場合、スターリング冷凍機の周囲温度に急激な変化が生じた場合などが挙げられる。
【０００９】
以上のような観点から、ピストンとディスプレーサとの衝突を回避すべく考案されたスターリング冷凍機として、特開２００２−２１３８３１号公報（特許文献１）に開示のものがある。この特許文献１に開示のスターリング冷凍機は、ピストンを駆動するリニアモータの駆動用コイルの両側であって、ピストンと同期して駆動する環状永久磁石の可動範囲外に配置された位置検知用コイルに誘起される誘導起電力を常時監視し、誘導起電力が基準値以上となった場合に直ちにリニアモータへの入力電圧を降圧するように構成したものである。
【００１０】
一方、フリーピストン型スターリング冷凍機においては、ケーシング内部が完全に密閉されているため、外部からピストンやディスプレーサの動作状態を把握することは極めて困難である。しかしながら、効率よく所望の冷凍性能を得るためにはピストンの動作を適正化する必要があり、外部からピストンやディスプレーサの動作状態を把握することは極めて重要である。
【００１１】
ピストンの動作状態を把握すべく考案されたリニアコンプレッサとしては、特開２００２−７０７３４号公報（特許文献２）に開示のものがある。この特許文献２に開示のリニアコンプレッサは、リニアコンプレッサのピストンシャフトに永久磁石を取付け、固定子鉄心の中空円筒部の内壁に磁気センサを取付けてこの磁気センサによって永久磁石の位置を検知し、ピストンの位置を検出する構成としたものである。
【００１２】
また、上記特許文献２と同様に、ピストンの動作状態を把握すべく考案されたガス圧縮膨張機として、特開２０００−１４６３３９号公報（特許文献３）がある。この特許文献３に開示のガス圧縮膨張機においては、駆動手段によってシリンダ内を往復動するピストンの位置をレーザー変位計にて測定するために、内部に封入された作動ガスを密閉するケーシングの外殻の一部にレーザー光を透過する透明の耐圧ガラスを配置し、この耐圧ガラスを介してレーザー光をピストンに照射するように構成している。
【特許文献１】特開２００２−２１３８３１号公報
【特許文献２】特開２００２−７０７３４号公報
【特許文献３】特開２０００−１４６３３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記特許文献１に開示のスターリング冷凍機においては、作動ガスが封入されたケーシング内部が非常に高圧であり、しかもケーシング内部に封入された作動ガスには急激な温度変化が生じるため、安定して精度よくピストンの位置を検出することは非常に困難である。また、ディスプレーサの位置を検知することはできないため、ディスプレーサがシリンダの閉塞端に衝突することを事前に回避することもできない。
【００１４】
また、上記特許文献２に開示のリニアコンプレッサをスターリング冷凍機に適用した場合にも、特許文献１に開示のスターリング冷凍機と同様に、ケーシング内部に位置検知部が配置されることになるため、安定して精度よくピストンの位置を検出することは困難となる。また、ディスプレーサの位置を検知することはできないため、ディスプレーサがシリンダの閉塞端に衝突することを事前に回避することもできない。
【００１５】
また、上記特許文献３に開示のガス圧縮膨張機においては、ピストンの位置検出をレーザー変位計で行うため、ケーシングの一部を耐圧ガラスで形成する必要があり、ケーシングの構造が複雑化する問題がある。また、ディスプレーサが位置するシリンダの閉塞端には吸熱部が位置しているため、この部分にレーザー変位計を取り付けることは実質的に不可能であり、ディスプレーサの位置を検出することができない。このため、ディスプレーサがシリンダの閉塞端に衝突することを事前に回避することができない。
【００１６】
なお、上記特許文献３には、レーザー変位計に代えて磁気センサやＭＲセンサを適用する旨の記載はあるが、具体的にどのような構成とし、どのようにピストンの位置検出を行うかについての詳細な記載はない。
【００１７】
以上においては、スターリング機関の応用例としてスターリング冷凍機に着目して説明を行なってきたが、これらの問題点はスターリング冷凍機に限られるものではなく、外燃機関としての一般的なスターリング機関においても非常に重要な問題である。すなわち、外燃機関としてのスターリング機関においても、ピストンおよびディスプレーサが衝突しない範囲内で最大の出力を得ようとした場合には、ピストンおよびディスプレーサの位置を外部から検出することが非常に重要となる。
【００１８】
したがって、本発明は、上述の問題点を解決すべくなされたものであり、ピストンやディスプレーサの位置をケーシング外部から検出することが可能なスターリング機関を提供することを目的とする。
【００１９】
また、ピストンやディスプレーサの位置をケーシング外部から検出することにより、これらが衝突することを安定して精度よく回避することが可能なスターリング機関を提供することを目的とする。
【００２０】
さらには、ピストンおよびディスプレーサの衝突回避範囲内において最大出力運転が可能なスターリング機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の第１の局面に基づくスターリング機関は、ケーシングと、シリンダと、ピストンと、ディスプレーサとを備えている。ケーシングには作動ガスが封入されており、その内部にはシリンダが配置されている。ピストンおよびディスプレーサは、このシリンダ内に位置している。ピストンは、駆動手段によって駆動されてシリンダ内を往復動する。ディスプレーサは、ピストンが往復動することによって生ずる力を受けてピストンと位相差をもって往復動する。ディスプレーサには磁石が取付けられており、ケーシングの外壁面には磁気センサが配設されている。この磁気センサは、磁石との距離に応じた信号を出力する。
【００２２】
このように構成することにより、ディスプレーサの位置をスターリング機関の外部から精度よく検出することが可能になり、ディスプレーサの動作状態を正確に把握することが可能になる。
【００２３】
上記本発明の第１の局面に基づくスターリング機関にあっては、磁気センサがディスプレーサに取付けられた磁石の往復動方向の延長線上に位置していることが好ましい。このように構成することにより、磁気センサで検知した磁束密度からディスプレーサの位置を容易に特定することができるようになる。
【００２４】
上記本発明の第１の局面に基づくスターリング機関にあっては、磁気センサから出力される信号に基づいてピストンの動作を制御する制御手段をさらに備えていることが好ましい。このように構成することにより、磁気センサによって検出された位置情報からディスプレーサがピストンに衝突するかどうかの判断が容易に行なえるようになるため、制御手段を用いてピストンの動作を制御することによって精度よくこれらの衝突を回避することが可能になる。また、制御手段を用いてピストンの動作を制御することにより、衝突回避範囲内における最大出力運転が実現可能となるため、高効率のスターリング機関を提供することが可能になる。
【００２５】
上記本発明の第１の局面に基づくスターリング機関にあっては、上述の制御手段が、駆動手段へ供給される電力の電圧を制御する電圧制御手段であることが好ましい。このように、ピストンの動作を制御する制御手段として電圧制御手段を用いることにより、ピストンのストロークを自在に調整することが可能になるため、精度よく衝突を回避することが可能になる。また、衝突回避範囲内における最大出力運転も容易に実現されるようになる。
【００２６】
本発明の第２の局面に基づくスターリング機関は、ケーシングと、シリンダと、ピストンと、ディスプレーサと、バランスマスとを備えている。ケーシングには作動ガスが封入されており、その内部にはシリンダが配置されている。ピストンおよびディスプレーサは、このシリンダ内に位置している。ピストンは、駆動手段によって駆動されてシリンダ内を往復動する。ディスプレーサは、ピストンが往復動することによって生ずる力を受けてピストンと位相差をもって往復動する。バランスマスは、ケーシングに弾性部材を介して取付けられており、ピストンおよびディスプレーサが往復動することによって生ずるケーシングの振動を吸収する。バランスマスには磁石が取付けられており、ケーシングの外部には磁気センサが配置されている。この磁気センサは、磁石との距離に応じた信号を出力する。
【００２７】
ピストンが往復動することによって生じるケーシングの振動はバランスマスによって吸収される。また、ケーシングに生じる振動は、ピストンの往復運動に大きく依存する。このため、バランスマスの運動状態を検出することにより、ピストンの動作状態を推定することが可能となる。このため、上述の構成とすることにより、ピストンの位置をスターリング機関の外部から検出することが可能になり、ピストンの動作状態を把握することが可能になる。
【００２８】
上記本発明の第２の局面に基づくスターリング機関にあっては、磁気センサがバランスマスに取付けられた磁石の往復動方向の延長線上に位置していることが好ましい。このように構成することにより、磁気センサで検知した磁束密度からバランスマスの位置を容易に検出することが可能になり、ピストンの位置を比較的簡単に特定できるようになる。
【００２９】
上記本発明の第２の局面に基づくスターリング機関にあっては、磁気センサから出力される信号に基づいてピストンの動作を制御する制御手段をさらに備えていることが好ましい。このように構成することにより、ピストンが所定の振幅を超えて往復動している場合に制御手段を用いてピストンの振幅を小さく抑えることにより、未然に衝突を防止することが可能になる。また、制御手段を用いてピストンの動作を制御することにより、衝突回避範囲内における最大出力運転が実現可能となるため、高効率のスターリング機関を提供することが可能になる。
【００３０】
上記本発明の第２の局面に基づくスターリング機関にあっては、上述の制御手段が、駆動手段へ供給される電力の電圧を制御する電圧制御手段であることが好ましい。このように、ピストンの動作を制御する制御手段として電圧制御手段を用いることにより、ピストンのストロークを自在に調整することが可能になるため、精度よく衝突を回避することが可能になる。また、衝突回避範囲内における最大出力運転も容易に実現されるようになる。
【００３１】
本発明の第３の局面に基づくスターリング機関は、ケーシングと、シリンダと、ピストンと、ディスプレーサと、バランスマスとを備えている。ケーシングには作動ガスが封入されており、その内部にはシリンダが配置されている。ピストンおよびディスプレーサは、このシリンダ内に位置している。ピストンは、駆動手段によって駆動されてシリンダ内を往復動する。ディスプレーサは、ピストンが往復動することによって生ずる力を受けてピストンと位相差をもって往復動する。バランスマスは、ケーシングに弾性部材を介して取付けられており、ピストンおよびディスプレーサが往復動することによって生ずるケーシングの振動を吸収する。ディスプレーサには第１の磁石が取付けられており、ケーシングの外壁面には第１の磁気センサが配設されている。この第１の磁気センサは、第１の磁石との距離に応じた第１の信号を出力する。バランスマスには第２の磁石が取付けられており、ケーシングの外部には第２の磁気センサが配置されている。この第２の磁気センサは、第２の磁石との距離に応じた第２の信号を出力する。
【００３２】
このように構成することにより、ディスプレーサとピストンの双方の位置をスターリング機関の外部から精度よく検出することが可能になり、ディスプレーサおよびピストンの動作状態を正確に把握することが可能になる。
【００３３】
上記本発明の第３の局面に基づくスターリング機関にあっては、第１の信号と第２の信号とに基づいてピストンの動作を制御する制御手段をさらに備えていることが好ましい。このように構成することにより、第１および第２の磁気センサによってピストンおよびディスプレーサの相対的な位置関係が検出可能であるため、この位置情報からディスプレーサがピストンに衝突するかどうかの判断が確実に行なえるようになる。このため、この位置情報に基づいてピストンの動作を制御することにより、確実にディスプレーサとピストンとが衝突することを防止することができるようになる。また、制御手段を用いてピストンの動作を制御することにより、衝突回避範囲内における最大出力運転が実現可能となるため、高効率のスターリング機関を提供することが可能になる。
【００３４】
本発明の第４の局面に基づくスターリング機関は、ケーシングと、シリンダと、ピストンと、ディスプレーサとを備えている。ケーシングには作動ガスが封入されており、その内部にはシリンダが配置されている。ピストンおよびディスプレーサは、このシリンダ内に位置している。ピストンは、リニアモータによって駆動されてシリンダ内を往復動する。ディスプレーサは、ピストンが往復動することによって生ずる力を受けてピストンと位相差をもって往復動する。ピストンに取付けられたマグネットホルダには、リニアモータの磁気回路を構成する磁石が固着されており、ケーシングの外壁面には磁気センサが配設されている。この磁気センサは、ピストンの往復動に伴って生じる磁気回路の変化を検出し、ピストンに取付けられた磁石との距離に応じた信号を出力する。
【００３５】
このように構成することにより、ピストンの位置をスターリング機関の外部から検出することが可能になり、ピストンの動作状態を把握することが可能になる。
【００３６】
本発明の第５の局面に基づくスターリング機関は、ケーシングと、シリンダと、ピストンと、ディスプレーサとを備えている。ケーシングには作動ガスが封入されており、その内部にはシリンダが配置されている。ピストンおよびディスプレーサは、このシリンダ内に位置している。ピストンは、リニアモータによって駆動されてシリンダ内を往復動する。ディスプレーサは、ピストンが往復動することによって生ずる力を受けてピストンと位相差をもって往復動する。ピストンに取付けられたマグネットホルダには、リニアモータの磁気回路を構成する磁石が固着されている。マグネットホルダには、さらに上記リニアモータの磁気回路を構成する磁石とは別に位置検出用の磁石が固着されている。また、ケーシングの外壁面には磁気センサが配設されている。この磁気センサは、上記位置検出用の磁石との距離に応じた信号を出力する。
【００３７】
このように構成することにより、ピストンの位置をスターリング機関の外部から検出することが可能になり、ピストンの動作状態を把握することが可能になる。
【００３８】
上記本発明の第４および第５の局面に基づくスターリング機関にあっては、磁気センサから出力される信号に基づいて、ピストンの動作を制御する制御手段をさらに備えていることが好ましい。このように構成することにより、磁気センサによって検出された位置情報からピストンがディスプレーサに衝突するかどうかの判断が容易に行えるようになるため、制御手段を用いてピストンの動作を制御することによって制度よくこれらの衝突を回避することが可能になる。また、制御手段を用いてピストンの動作を制御することにより、衝突回避範囲内における最大出力運転が実現可能となるため、高効率のスターリング機関を提供することが可能になる。
【００３９】
上記本発明の第４および第５の局面に基づくスターリング機関にあっては、上述の制御手段が、リニアモータへ供給される電力の電圧を制御する電圧制御手段であることが好ましい。このように、ピストンの動作を制御する制御手段として電圧制御手段を用いることにより、ピストンのストロークを自在に調整することが可能になるため、精度よく衝突を回避することが可能になる。また、衝突回避範囲内における最大出力運転も容易に実現されるようになる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、ピストンやディスプレーサの位置をケーシング外部から検出することが可能なスターリング機関を提供することが可能になる。
【００４１】
また、ピストンやディスプレーサの位置をケーシング外部から検出することにより、これらが衝突することを安定して精度よく回避することが可能なスターリング機関を提供することが可能になる。
【００４２】
さらには、ピストンおよびディスプレーサの衝突回避範囲内において最大出力運転が可能なスターリング機関を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、スターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機を例示して説明を行なう。
【００４４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の構造および機能ブロックを示す模式図である。また、図２は、本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の制御フローを示すフローチャートである。
【００４５】
（スターリング冷凍機の構成）
まず、図１を参照して本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の構成について説明する。図１に示すように、スターリング冷凍機１Ａは、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動ガスが作動媒体として内部に充填されたケーシングを有している。ここで言うスターリング冷凍機のケーシングは、作動ガスを内部に密閉するすべての部材を含むものであり、後述する圧縮室や膨張室、背圧室、さらにはこれらを連通する流路からなる作動空間を覆う部材を言う。すなわち、図１に示すスターリング冷凍機１Ａのケーシングは、ベッセル１０のみならず、放熱部（ウォームヘッド）８や吸熱部（コールドヘッド）９などを含むものである。なお、ケーシングの内部には、作動ガスが充填されたシリンダ２が配置されている。
【００４６】
シリンダ２内には、ピストン３およびディスプレーサ４が同軸上に嵌装されて位置している。これらピストン３およびディスプレーサ４によってシリンダ２内の作動空間が圧縮室６と膨張室７とに区画されている。圧縮室６は、放熱部（ウォームヘッド）８によって覆われている。一方、膨張室７は、吸熱部（コールドヘッド）９によって覆われている。なお、ピストン３から見てディスプレーサ４とは反対側の空間には、ベッセル１０によって囲まれた背圧室１５が位置している。
【００４７】
シリンダ２の外側に位置する背圧室１５には、駆動手段であるリニアモータ２０が配置されている。リニアモータ２０は、ピストン３に取付けられたマグネットホルダ１９に固着された磁石２１と、この磁石２１を挟み込むように位置するインナーヨーク２２ａおよびアウターヨーク２２ｂと、電源に接続されたコイル２３とから構成される。このコイル２３に外部の電源から電力が供給されることにより、リニアモータ２０が作動し、シリンダ２内の軸方向にピストン３が駆動することになる。なお、上記磁石２１としては、たとえば永久磁石が用いられる。
【００４８】
ピストン３は、リニアモータ２０によって駆動されるが、板バネ１２によってケーシングに固定されているため、シリンダ２内を周期的に往復動することになる。また、ディスプレーサ４は、ピストン３が往復動することによって生ずるガス圧の変化を受けてシリンダ２内を往復動するが、ディスプレーサロッド１４および板バネ１３を介してケーシングに固定されているため、周期的に往復動することになる。このピストン３の往復動とディスプレーサ４の往復動とは、定常運転時において一定の位相差をもって同じ周期で行なわれる。
【００４９】
圧縮室６と膨張室７との間には再生器５が配設されており、この再生器５を介してこれら両室が連通することにより、スターリング冷凍機１Ａ内に閉回路が構成されている。この閉回路内に封入された作動ガスが、ピストン３およびディスプレーサ４の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現する。
【００５０】
（スターリング冷凍機の動作）
次に、上記構成のスターリング冷凍機の動作について説明する。まず、リニアモータ２０を作動させ、ピストン３を駆動する。リニアモータ２０によって駆動されたピストン３は、ディスプレーサ４に接近し、圧縮室６内の作動ガスを圧縮する。これにより、圧縮室６内の作動ガス温度は上昇するが、放熱部８によってこの圧縮室６内に発生した熱が外部へと放出されるため、圧縮室６内の作動ガス温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。
【００５１】
次に、ピストン３によって圧縮室６内において圧縮された作動ガスは、その圧力により再生器５内に流入し、さらに膨張室７へと送られる。その際、作動ガスの持つ熱が再生器５に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。
【００５２】
つづいて、膨張室７内に流入した高圧の作動ガスは、ディスプレーサ４がピストン３側へ下がることにより、膨張する。これにより、膨張室７内の作動ガス温度は下降するが、吸熱部９によって外部の熱が膨張室７内へと伝熱されるため、膨張室７内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。
【００５３】
やがて、ディスプレーサ４がピストン３から遠ざかる方向に上昇し始めることにより、膨張室７内の作動ガスは再生器５を通過して、再び圧縮室６側へと戻る。その際、再生器５に蓄熱されていた熱が作動ガスに与えられるため、作動ガスは昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。
【００５４】
この一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱部９は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。
【００５５】
（ディスプレーサの位置検出機構）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機のディスプレーサの位置検出機構について説明する。図１に示すように、スターリング冷凍機１Ａのディスプレーサ４には、磁石１６が取付けられている。この磁石１６としては、たとえば永久磁石を利用することが可能である。磁石１６はディスプレーサ４の吸熱部９に対向する面側に取付けられており、作動ガスの流動を阻害することがないようにディスプレーサ４に埋設されている。
【００５６】
ケーシングを構成する吸熱部９の外壁面には、磁気センサ１７が配設されている。磁気センサ１７は、上述の磁石１６との距離を検知するものであり、たとえば磁束密度を検知することによって磁石１６との距離を検出するセンサである。図１に示すように、磁気センサ１７がディスプレーサ４に取付けられた磁石１６の往復動方向の延長線上に位置するように配置した場合には、磁石１６との間の距離を磁束密度から容易に特定できるようになる。
【００５７】
このようなディスプレーサの位置検出機構を設けることにより、シリンダ内におけるディスプレーサの位置をスターリング機関の外部から精度よく検出することが可能になり、ディスプレーサの動作状態を正確に把握することが可能になる。ケーシング内部にセンサを配置した場合には、圧力や温度の影響を受け易く、検出精度に欠けるおそれがあるが、本構成のようにケーシング外部にセンサを配置することにより、精度よく位置情報を検出することが可能になる。
【００５８】
また、この位置データをクロック回路によって生成された時間データと対応付けることにより、ディスプレーサ４の位置や振幅のみならず、振幅周期をも検出することが可能になる。すなわち、時々刻々と変化するディスプレーサの動作状況を精度よく検出することが可能になる。
【００５９】
ディスプレーサの動作状態を正確に把握することが可能になれば、設計・試作時においては、より高性能で高信頼性のスターリング冷凍機を製作するためのデータ取りに大変役立つ。また、製品の製造時においては、製品の性能検査に大いに役立つようになる。さらに、製品出荷後の使用時においては、後述するピストンの動作制御機構と組合わせることにより、ピストンとディスプレーサとが衝突することを未然に防止することが可能になる。このように、本位置検出機構を設けることによって得られる効果は、非常に大きいものである。
【００６０】
（ピストンの動作制御機構）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機のピストンの動作制御機構について説明する。図１において磁気センサ１７は、スターリング冷凍機１Ａの動作を制御する制御マイクロコンピュータ２４に信号を出力する。磁気センサ１７は、検出した磁束密度に対応して異なるレベルの信号を制御マイクロコンピュータ２４に出力するため、制御マイクロコンピュータ２４内においてこの信号をもとに演算処理を行うことにより、磁石１６の位置が検出され、結果としてディスプレーサ４の位置が特定される。
【００６１】
制御マイクロコンピュータ２４は、インバータ電源回路４０からリニアモータ２０に出力される電力を制御する電源制御部２５を含んでいる。この電源制御部２５は、ピストン３の動作を制御する制御手段に相当する。たとえば、インバータ電源回路４０から出力される電力の電圧値を調整することにより、ピストン３の振幅を制御したり、インバータ電源回路４０から出力される電力の周波数を調整することにより、ピストン３の振幅周期を制御したりするものである。
【００６２】
制御マイクロコンピュータ２４は、上述の磁気センサ１７によって検出されたディスプレーサ４の位置情報をもとに電源制御部２５に指令を導出し、リニアモータ２０を制御してピストン３の動作を制御する。
【００６３】
（制御フロー）
次に、図２を参照して、電源制御部として、インバータ電源回路からリニアモータに出力される電力の電圧を制御する電圧制御手段を採用した場合のスターリング冷凍機の制御フローの一例について説明する。
【００６４】
図２に示すように、ステップ１（Ｓ１）において、インバータ電源回路４０からリニアモータ２０へ出力される電力の電圧ＶEを所定量δ1だけ昇圧する。次に、ステップ２（Ｓ２）において、ディスプレーサ４の振幅Ｘｄを検知する。次に、ステップ３（Ｓ３）において、ディスプレーサ４の振幅Ｘｄが予め決められた基準値以下かどうか判断する。もし、ディスプレーサ４の振幅Ｘｄが基準値以下である場合にはステップ１に戻る。もし、ディスプレーサ４の振幅Ｘｄが基準値よりも大きい場合にはステップ４（Ｓ４）に進み、インバータ電源回路４０からリニアモータ２０へ出力される電力の電圧ＶEを所定量δ2だけ降圧し、ステップ２に戻る。
【００６５】
ここで、昇圧または降圧する電圧δ1およびδ2を小さく（たとえば、数十ｍＶから数Ｖ程度）とすることにより、ピストンとディスプレーサが衝突しない範囲内において徐々にリニアモータへの入力を増加させることが可能になるため、衝突回避範囲内における最大出力運転が可能になる。
【００６６】
（作用・効果）
以上において説明したように、本実施の形態の如くのスターリング冷凍機とすることにより、ディスプレーサの位置を装置外部から精度よく検出することが可能になり、ディスプレーサの動作状態を正確に把握することが可能になるとともに、精度よくピストンとディスプレーサが衝突することを回避することができるようになる。また、衝突回避範囲内における最大出力運転も容易に実現されるようになる。このため、高信頼性で高性能のスターリング冷凍機を提供することが可能になる。
【００６７】
（実施例）
本実施例は、上述の実施の形態１の構成のスターリング冷凍機を実際に製作する場合の一例を示すものである。
【００６８】
たとえば、出力２００Ｗのスターリング冷凍機をピストンの最大振幅が８ｍｍとなるような運転条件にて動作させる場合を考える。図１において、ディスプレーサ４に取付けられる磁石１６をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石とし、磁気センサ１７としてＧａＡｓやＩｎＳｂなどの化合物半導体を用いたホール素子とする。また、第１の磁石１６の大きさは、直径５ｍｍ、厚さ１ｍｍとする。
【００６９】
このように構成した場合には、ディスプレーサ４が吸熱部９に最も近付いた状態において、第１の磁気センサ１７のセンシング面における磁束密度は２０ｍＴ程度となり、ディスプレーサ４が吸熱部９から最も遠ざかった状態における磁束密度は５ｍＴ程度となる。この約５ｍＴから約２０ｍＴ程度の磁束密度はホール素子を用いて充分に検知できるため、本構成の如くのスターリング冷凍機１Ａとすることにより、外部からディスプレーサ４の位置を正確に検出することが可能であることがわかる。
【００７０】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。また、図４は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の制御フローを示すフローチャートである。なお、上述の実施の形態１と同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００７１】
（スターリング冷凍機の構成）
図３に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｂは、ケーシングを構成するベッセル１０に弾性部材である板バネ３１を介して接続されたバランスマス３２を備えている。バランスマス３２は、ピストン３やディスプレーサ４が往復動することによって生じるケーシングの振動を吸収する質量部材である。具体的には、ピストン３やディスプレーサ４が振動することによってケーシングに振動が生じた場合に、このケーシングの振動に対して追従するようにバランスマスが振動することにより、装置の振動が低減されるとともに騒音の発生も大幅に抑制されるようになる。
【００７２】
（ピストンの位置検出機構）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機のピストンの位置検出機構について説明する。図３に示すように、バランスマス３２の所定位置には、磁石３３が取付けられている。この磁石３３としては、たとえば永久磁石が利用可能である。スターリング冷凍機１Ｂのケーシング外部のバランスマス３２と対向する位置には、磁気センサ３４が配置されている。磁気センサ３４は、上述の磁石３３との距離を検知するものであり、たとえば磁束密度を検知するセンサである。図３に示すように、磁気センサ３４がバランスマス３２に取付けられた磁石３３の往復動方向の延長線上に位置するように配置した場合には、磁石３３との間の距離を磁束密度から容易に特定できるようになる。
【００７３】
上述のようにピストン３が往復動することによって生じるケーシングの振動はバランスマス３２によって吸収される。また、ケーシングに生じる振動は、ピストン３の往復運動に大きく依存する。このため、バランスマス３２の運動状態を検出することにより、ピストン３の動作状態を推定することが可能となる。本実施の形態のスターリング冷凍機１Ｂにおいては、磁石３３の位置を磁気センサ３４を用いて検出することにより、バランスマス３２の振動状態が検出されるため、ピストン３の動作状態を推定することが可能である。
【００７４】
このようなピストンの位置検出機構を設けることにより、シリンダ内におけるピストンの位置をスターリング機関の外部から検出することが可能になり、ピストンの動作状態を把握することが可能になる。ピストンの動作状態を把握することが可能になれば、設計・試作時においては、より高性能で高信頼性のスターリング冷凍機を製作するためのデータ取りに大変役立つ。また、製品の製造時においては、製品の性能検査に大いに役立つようになる。さらに、製品出荷後の使用時においては、後述するピストンの動作制御機構と組合わせることにより、ピストンとディスプレーサとが衝突することを未然に防止することが可能になる。このように、本位置検出機構を設けることによって得られる効果は、非常に大きいものである。
【００７５】
（ピストンの動作制御機構）
次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機のピストンの動作制御機構について説明する。図３において磁気センサ３４は、スターリング冷凍機１Ｂの動作を制御する制御マイクロコンピュータ２４に信号を出力する。磁気センサ３４は、検出した磁束密度に対応して異なるレベルの信号を制御マイクロコンピュータ２４に出力するため、制御マイクロコンピュータ２４内においてこの信号をもとに演算処理を行うことにより、磁石３３の位置が検出され、結果としてピストン３の位置が特定される。
【００７６】
制御マイクロコンピュータ２４は、インバータ電源回路４０からリニアモータ２０に出力される電力を制御する電源制御部２５を含んでいる。この電源制御部２５は、ピストン３の動作を制御する制御手段に相当する。たとえば、インバータ電源回路４０から出力される電力の電圧値を調整することにより、ピストン３の振幅を制御したり、インバータ電源回路４０から出力される電力の周波数を調整することにより、ピストン３の周期を制御したりするものである。
【００７７】
制御マイクロコンピュータ２４は、上述の磁気センサ３４によって検出されたピストン３の位置情報をもとに電源制御部２５に指令を導出し、リニアモータ２０を制御してピストン３の動作を制御する。
【００７８】
（制御フロー）
次に、図４を参照して、電源制御部として、インバータ電源回路からリニアモータに出力される電力の電圧を制御する電圧制御手段を採用した場合のスターリング冷凍機の制御フローの一例について説明する。
【００７９】
図４に示すように、ステップ１（Ｓ１）において、インバータ電源回路４０からリニアモータ２０へ出力される電力の電圧ＶEを所定量δ1だけ昇圧する。次に、ステップ２（Ｓ２）において、ピストン３の振幅Ｘｐを検知する。次に、ステップ３（Ｓ３）において、ピストン３の振幅Ｘｐが予め決められた基準値以下かどうか判断する。もし、ピストン３の振幅Ｘｐが基準値以下である場合にはステップ１に戻る。もし、ピストン３の振幅Ｘｐが基準値よりも大きい場合にはステップ４（Ｓ４）に進み、インバータ電源回路４０からリニアモータ２０へ出力される電力の電圧ＶEを所定量δ2だけ降圧し、ステップ２に戻る。
【００８０】
ここで、昇圧または降圧する電圧δ1およびδ2を小さく（たとえば、数十ｍＶから数Ｖ程度）とすることにより、ピストンとディスプレーサが衝突しない範囲内において徐々にリニアモータへの入力を増加させることが可能になるため、衝突回避範囲内における最大出力運転が可能になる。
【００８１】
（作用・効果）
以上において説明したように、本実施の形態の如くのスターリング冷凍機とすることにより、ピストンの位置を装置外部から検出することが可能になり、ピストンの動作状態を把握することが可能になるとともに、精度よくピストンとディスプレーサが衝突することを回避することができるようになる。また、衝突回避範囲内における最大出力運転も容易に実現されるようになる。このため、高信頼性で高性能のスターリング冷凍機を提供することが可能になる。
【００８２】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の構造および機能ブロックを示す模式図である。また、図６は、本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の制御フローを示すフローチャートである。なお、上述の実施の形態１および２と同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００８３】
（スターリング冷凍機の構成）
図５に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｃは、上述の実施の形態１において示したディスプレーサの位置検出機構と、上述の実施の形態２において示したピストンの位置検出機構の双方を備えた構成となっている。具体的には、ディスプレーサ４に取付けられた第１の磁石１６と、ケーシングの外壁面に配置され、第１の磁石１６との距離を検知する第１の磁気センサ１７と、バランスマス３２に取付けられた第２の磁石３３と、ケーシングの外部に配置され、第２の磁石３３との距離を検知する第２の磁気センサ３４とを備えている。
【００８４】
第１の磁気センサ１７および第２の磁気センサ３４から出力された第１の信号および第２の信号は、制御マイクロコンピュータ２４へと出力され、この入力に基づいてインバータ電源回路４０からリニアモータ２０に出力される電力を電源制御部２５が調整し、ピストン３の動作が制御される。
【００８５】
（制御フロー）
次に、図６を参照して、電源制御部として、インバータ電源回路からリニアモータに出力される電力の電圧を制御する電圧制御手段を採用した場合のスターリング冷凍機の制御フローの一例について説明する。
【００８６】
図６に示すように、ステップ１（Ｓ１）において、インバータ電源回路４０からリニアモータ２０へ出力される電力の電圧ＶEを所定量δ1だけ昇圧する。次に、ステップ２（Ｓ２）において、ディスプレーサ４の振幅Ｘｄを検知する。次に、ステップ３（Ｓ３）において、ディスプレーサ４の振幅Ｘｄが予め決められた基準値以下かどうかを判断する。もし、ディスプレーサ４の振幅Ｘｄが基準値以下である場合にはステップ５（Ｓ５）へと進む。もし、ディスプレーサ４の振幅Ｘｄが基準値よりも大きい場合にはステップ４（Ｓ４）に進み、インバータ電源回路４０からリニアモータ２０へ出力される電力の電圧ＶEを所定量δ2だけ降圧し、ステップ２に戻る。
【００８７】
ステップＳ３においてディスプレーサ４の振幅Ｘｄが予め決められた基準値以下である場合には、ステップ５においてピストン３の振幅Ｘｐを検知する。次に、ステップ（Ｓ６）において、ピストン３の振幅Ｘｐが予め決められた基準値以下かどうかを判断する。もし、ピストン３の振幅Ｘｐが基準値以下である場合には、ステップ１に戻る。もし、ピストン３の振幅Ｘｐが基準値よりも大きい場合にはステップ４に進み、インバータ電源回路４０からリニアモータ２０へ出力される電力の電圧ＶEを所定量δ2だけ降圧し、ステップ２に戻る。
【００８８】
ここで、昇圧または降圧する電圧δ1およびδ2を小さく（たとえば、数十ｍＶから数Ｖ程度）とすることにより、ピストンとディスプレーサが衝突しない範囲内において徐々にリニアモータへの入力を増加させることが可能になるため、衝突回避範囲内における最大出力運転が可能になる。
【００８９】
（作用・効果）
以上のような構成とすることにより、第１および第２の磁気センサによってピストンおよびディスプレーサの相対的な位置関係が検出可能であるため、この位置情報からディスプレーサがピストンに衝突するかどうかの判断が確実に行なえるようになる。このため、この位置情報に基づいてピストンの動作を制御することにより、確実にディスプレーサとピストンとが衝突することを防止することができるようになる。また、衝突回避範囲内における最大出力運転が実現可能となるため、高効率のスターリング機関を提供することが可能になる。
【００９０】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機の構造および機能ブロックを示す模式断面図である。なお、上述の実施の形態１と同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００９１】
（スターリング冷凍機の構成）
図７に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｄは、ケーシングを構成するベッセル１０のリニアモータ２０に対応する位置の外壁面に、磁気センサ１８を備えている。この磁気センサ１８は、当該磁気センサ１８が配置された位置における磁気回路（磁界）の変化を検知するセンサであり、たとえばホール素子等が用いられる。この磁気センサ１８は、着脱が容易となるように、たとえば粘着テープ等によってベッセル１０の外壁面に取付けられる。磁気センサ１８をケーシングに対して着脱自在に構成することにより、組付けの作業性が向上するとともに、修理・交換等のメンテナンスが容易となる。
【００９２】
スターリング冷凍機１Ｄを運転するためには、リニアモータ２０に交流電圧を印加する必要がある。リニアモータ２０に外部の電源から交流電圧を印加すると、コイル２３が励磁され、磁石２１に磁力による駆動力が作用する。この磁石２１に作用する駆動力は、マグネットホルダ１９を介してピストン３に伝達され、ピストン３がシリンダ２内を摺動するようになる。
【００９３】
マグネットホルダ１９に固着された磁石２１は、ピストン３の摺動に連動して背圧室１５内を移動する。この磁石２１の移動により、磁石２１の近傍において磁気回路に変化が生じる。この磁気回路の変化は、ベッセル１０の外壁面に配設された磁気センサ１８に入力される。磁気センサ１８は、磁気回路の変化を検出し、入力値に応じた信号を制御マイクロコンピュータ２４に出力する。制御マイクロコンピュータ２４は、磁気センサ１８から入力された信号をもとにピストン３の位置を特定し、この位置情報をもとにピストン３の振幅を算出する。そして、このピストン３の振幅情報をもとに電源制御部２５に指令を導出し、リニアモータ１１に入力する交流電圧値等を制御してピストン３の動作を制御する。
【００９４】
このように構成することにより、シリンダ内におけるピストンの位置をスターリング機関の外部から検出することが可能になり、ピストンの動作状態を把握することが可能になる。ピストンの動作状態を把握することが可能になれば、設計・試作時においては、より高性能で高信頼性のスターリング冷凍機を製作するためのデータ取りに大変役立つ。また、製品の製造時においては、製品の性能検査に大いに役立つようになる。さらに、製品出荷後の使用時においては、ピストンの動作制御機構と組合わせることにより、ピストンとディスプレーサとが衝突することを未然に防止することが可能になる。このように、本位置検出機構を設けることによって得られる効果は、非常に大きいものである。なお、本スターリング冷凍機におけるピストン動作の制御フローは、たとえば上述の実施の形態２と同一の制御フローが採用可能である。
【００９５】
ピストン３の位置と磁気センサ１８に入力される入力値との整合は、停止状態にあるスターリング冷凍機１Ｄにおいて、リニアモータ２０のコイル２３に直流電圧を印加するすることによって行われる。すなわち、コイル２３に入力する直流電圧値を調整し、ピストン３の位置を種々の位置に変化させ、それぞれのピストン位置において磁気センサ１８に入力される入力値を観測することにより、ピストン３の位置と磁気センサ１８に入力される入力値との整合が行われる。これにより、磁気センサ１８の入力値からピストン３の位置が高精度で検出できるようになる。
【００９６】
（作用・効果）
以上において説明したように、本実施の形態の如くのスターリング冷凍機とすることにより、ピストンの位置を装置外部から検出することが可能になり、ピストンの動作状態を把握することが可能になるとともに、精度よくピストンとディスプレーサが衝突することを回避することができるようになる。また、衝突回避範囲内における最大出力運転も容易に実現されるようになる。このため、高信頼性で高性能のスターリング冷凍機を提供することが可能になる。
【００９７】
なお、より好ましくは、図７に示すように、スターリング冷凍機１Ｄの吸熱器９に温度センサ３７を取付け、放熱器８に温度センサ３８を取付け、さらにスターリング冷凍機１Ｄの設置箇所周囲の環境温度をモニタする温度センサ３６を設け、これら温度センサ３６〜３８にて検出された温度情報を制御マイクロコンピュータ２４に入力するように構成する。そして、上述のピストン３の位置情報に加え、これら各部の温度情報をもとにリニアモータ２０に入力する電圧を調整し、ピストン３の動作を制御するように構成する。このように構成することにより、さらにきめ細かくスターリング冷凍機の動作を制御することが可能になるため、高性能で高信頼性のスターリング冷凍機とすることが可能になる。
【００９８】
（変形例）
図８は、本発明の実施の形態４の変形例におけるスターリング冷凍機の構造および機能ブロックを示す模式断面図である。本変形例におけるスターリング冷凍機１Ｅは、図７に示すスターリング冷凍機１Ｄにおいて、リニアモータ２０の磁気回路を構成する磁石２１とは別に位置検出用の磁石４１をマグネットホルダ１９に固着した構成を有している。また、この位置検出用の磁石４１に対応した位置のケーシング外壁面には、磁気センサ４２が配設されている。この磁気センサ４２は、上述の位置検出用の磁石４１との距離を検知するものであり、たとえば磁束密度を検知することによって磁石４１との距離を検出するセンサである。
【００９９】
本構成は、リニアモータ２０によって構成される磁気回路の装置外部への漏洩が少ない場合に特に有効なものである。すなわち、本構成は、図７に示す構成のスターリング冷凍機１Ｄにおいて、磁気センサ１８が配設されたケーシングの外壁面における磁気回路の変化が十分には捉えられない場合に有効なものである。本構成の如く、マグネットホルダ１９に、別途、位置検出用の磁石４１を設けることにより、装置外部からより精度よくピストン３の位置を検出することが可能になる。
【０１００】
なお、位置検出用の磁石４１は、リニアモータ２０の磁気回路を構成する磁石２１から可能な限り離れた位置に配設されることが好ましい。このように構成することにより、磁気センサ４２がリニアモータ２０の磁気回路の影響を受け難くなるため、より精度よく位置検出を行うことが可能になる。
【０１０１】
以上において説明した実施の形態１から４においては、磁気センサによって検出したディスプレーサやピストンの位置情報に基づき、これらの振幅を特定してピストンの動作を制御する構成とした場合を例示して説明を行なったが、特にこの構成に限定されるものではない。たとえば、振幅を特定せずにピストンやディスプレーサの絶対的な位置のみを検出し、これらの位置情報からピストンとディスプレーサが最も接近した場合の離間距離を算出してこの値が予め決められた基準値以上であるかどうかを判断することによっても衝突を回避することは可能である。このように、磁気センサによって検出された位置情報をどのように利用するかには、様々な手法が考えられる。
【０１０２】
また、上述の実施の形態に示す各種機構は、適宜互いに組み合わせることが可能である。たとえば、実施の形態１に示すディスプレーサの位置検出機構と、実施の形態４に示すピストンの位置検出機構とを組み合わせれば、ピストンとディスプレーサの衝突をさらに精度よく回避することが可能になるとともに、衝突回避範囲内での最大出力運転もさらに制御性よく行うことができる。
【０１０３】
また、上述の実施の形態１から４においては、いずれもスターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機を例示して説明を行なったが、特にこれに限定されるものではない。たとえば、発電機として利用されるスターリング機関においても、ディスプレーサやピストンの動作状態を外部から検出することは高効率化やピストンおよびディスプレーサの衝突回避の観点から非常に重要であり、本発明を適用することは非常に有効である。
【０１０４】
このように、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の構造および機能ブロックを示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の制御フローを示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の構造および機能ブロックを示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の制御フローを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の構造および機能ブロックを示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機の制御フローを示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態４におけるスターリング冷凍機の構造および機能ブロックを示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態４の変形例におけるスターリング冷凍機の構造および機能ブロックを示す模式図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１Ａ〜１Ｅ  スターリング冷凍機、２  シリンダ、３  ピストン、４  ディスプレーサ、５  再生器、６  圧縮室、７  膨張室、８  放熱部、９  吸熱部、１０  ベッセル、１２，１３，３１  板バネ、１４  ディスプレーサロッド、１５  背圧室、１６，３３，４１  磁石、１７，１８，３４，４２  磁気センサ、１９  マグネットホルダ、２０  リニアモータ、２１  磁石、２２ａ  インナーヨーク、２２ｂ  アウターヨーク、２３  コイル、２４  制御マイクロコンピュータ、２５  電源制御部、３２  バランスマス、３６〜３８  温度センサ、４０  インバータ電源回路。
【図１】
2004317108.tif 000003
【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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【図８】
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