(57)【要約】【課題】冷凍機の不良原因や故障原因となった異常箇所を容易且つ正確に特定することが可能な異常診断装置及び異常診断方法を提供する。【解決手段】スターリング冷凍機４０を設置して駆動部３２により駆動するとシリンダ３内をピストン１やディスプレーサ２から成る移動体が往復運動して冷凍サイクルが運転される。この時のスターリング冷凍機４０の振動や騒音の大きさを振動計３７及び騒音計３８から成る異常検出部３６で検出し、診断部３９によって時間に対する変化を出力する。ユーザーは診断部３３の出力に基づき異常発生の時期や周波数等から異常の原因を把握する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体を内嵌したシリンダが密閉状態のハウジング内に配された冷凍機を駆動して前記移動体を往復運動させる駆動部と、駆動された冷凍機から発生する振動または騒音を検出する異常検出部と、前記異常検出部の検出結果を加工して出力する診断部とを備えたことを特徴とする冷凍機の異常診断装置。
【請求項２】
振動または騒音の時間に対する変化を、前記駆動部による冷凍機の駆動電流または駆動電圧に同期して出力できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の異常診断装置。
【請求項３】
前記駆動部により冷凍機の駆動電流または駆動電圧を所望の値に可変して、それに応じた振動または騒音の変化を前記移動体の位相別に前記診断部により出力できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の異常診断装置。
【請求項４】
前記診断部によって、振動または騒音を周波数分解したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の異常診断装置。
【請求項５】
移動体を内嵌したシリンダが密閉状態のハウジング内に配された冷凍機を駆動して前記移動体を往復運動させる駆動部と、駆動された冷凍機から発生する振動または騒音を検出する異常検出部と、前記異常検出部の検出結果を加工して出力する診断部とを備え、前記診断部の出力に基づいて冷凍機の異常原因を判別することを特徴とする冷凍機の異常診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機等の冷凍機の異常を診断する異常診断装置及び異常診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
逆スターリングサイクルにより極低温を生成するスターリング冷凍機等の冷凍機は、例えば特開平１０−３３９５１０号公報に開示されている。同公報のスターリング冷凍機はいわゆるフリーピストン型になっており、シリンダに内嵌するピストン及びディスプレーサが軸方向に並設される。
【０００３】
シリンダ内には作動ガスが封入され、リニアモータの駆動によってピストン及びディスプレーサが所定の位相差で往復運動する。これにより、逆スターリングサイクルが行われ、ピストンとディスプレーサとの間に形成される圧縮空間（ウォームドヘッド）では圧縮による熱を放熱する。再生器を介して圧縮空間と連通してピストンの先端に形成される膨張空間（コールドヘッド）では吸熱が行われる。その結果、コールドヘッド側の冷却が行われる。
【０００４】
上記のスターリング冷凍機は金属製のケーシング内にコールドヘッド側の熱交換用フィン、再生器、ウオームヘッド側の熱交換用フィン、シリンダ、リニアモーター用ヨーク、ディスプレーサ、ピストン、リニアモータ用マグネット、ピストンスプリング、ディスプレーサスプリング等の各精密部品が順にシリンダと同軸上に嵌挿して組立てられる。
【０００５】
従って、高性能のスターリング冷凍機を作製する為には、各部品は高い真円度や、数十μｍ以下の寸法公差及び嵌合精度が要求される。そして、組立てられたスターリング冷凍機は、ケーシング内に所定の圧力で作動ガスを充填して密閉されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成のスターリング冷凍機は、所定の組立精度で組み立てられていないと異常騒音や異常振動等を発生して不良になる場合がある。また、運転中の不具合によって故障による異常騒音や異常振動が発生する場合がある。これらの不良や故障が発生すると、再発防止のために原因となる異常箇所を調査する必要がある。
【０００７】
異常箇所を調査するには、密封されたケーシング内の作動ガスを抜いた後、ケーシングを切開して、各部が個々に分解及び検査される。このため、原因調査に多大な時間と労力を必要とする問題があった。更に、スターリング冷凍機を停止した状態で異常箇所を調査するため、各部の色や形状変化によって原因を推定するに過ぎず、運転中の動作不良の原因を正確に把握することが困難な問題もあった。
【０００８】
本発明は、冷凍機の不良原因や故障原因となった異常箇所を容易且つ正確に特定することが可能な異常診断装置及び異常診断方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、移動体を内嵌したシリンダが密閉状態のハウジング内に配された冷凍機を駆動して前記移動体を往復運動させる駆動部と、駆動された冷凍機から発生する振動または騒音を検出する異常検出部と、前記異常検出部の検出結果を加工して出力する診断部とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
この構成によると、冷凍機を設置して駆動部により駆動するとシリンダ内をピストンやディスプレーサから成る移動体が往復運動して冷凍サイクルが運転される。この時の冷凍機の振動や騒音の大きさを異常検出部で検出し、振動や騒音のデータを診断部によって時間に対する変化や駆動電圧に対する変化等に加工して出力する。ユーザーは診断部の出力に基づき異常発生の時期や周波数等から異常の原因を把握する。
【００１１】
また本発明は、振動または騒音の時間に対する変化を、前記駆動部による冷凍機の駆動電流または駆動電圧に同期して出力できるようにしたことを特徴としている。この構成によると、異常発生時のピストンやディスプレーサの位置を把握して異常原因を解析することができる。
【００１２】
また、診断部により周波数解析を行うと異常な振動や騒音の周波数を把握でき、駆動部により可変される冷凍機の駆動電流または駆動電圧に対する振動または騒音の変化によって特定の入力に対する異常を把握できる。これにより、異常原因の判断材料を取得することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は一実施形態の冷凍機の異常診断装置の構成を示すブロック図である。異常診断装置３１はスターリング冷凍機４０等の冷凍機に接続して該冷凍機の異常を診断する。スターリング冷凍機４０は図２に示すように構成されている。
【００１４】
スターリング冷凍機４０には、軸方向に分割された略円筒形状のシリンダ３が設けられ、シリンダ３に円柱形のピストン（移動体）１及びディスプレーサ（移動体）２が内嵌されている。ピストン１とディスプレーサ２とは圧縮空間９を介して同軸に配置されている。
【００１５】
シリンダ３の先端にはディスプレーサ２との間に膨張空間１０が設けられている。圧縮空間９と膨張空間１０とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１１により連通している。媒体流通路１１内には、作動媒体の熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器１２が配されている。シリンダ３の略中間には鍔部３ａが突設されている。鍔部３ａにはドーム状のハウジング４が取り付けられ、内部を密閉している。
【００１６】
ピストン１は後端でピストンスプリング５と一体化され、ディスプレーサ２はピストン２の中心孔１ａを貫通するロッド２ａを介してディスプレーサスプリング６と一体化されている。ピストンスプリング５とディスプレーサスプリング６とはボルト２２により連結されている。後述するように、ピストン１が往復運動するとディスプレーサ２はその慣性力によってピストン１に対して所定の位相差を有して往復運動を行うようになっている。
【００１７】
シリンダ３の後部には内側ヨーク１８が外嵌されている。内側ヨーク１８には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対峙している。外側ヨーク１７には駆動用コイル１６が内装され、隙間１９には環状のマグネット１５が移動可能に配されている。マグネット１５はカップ状のスリーブ１４を介してビストン１と一体化されている。これにより、駆動用コイル１６に電圧を印加することによってピストン１を軸方向に移動させるリニアモータ１３が構成されている。
【００１８】
駆動用コイル１６には、リード線２０、２１が接続されている。リード線２０、２１は、ハウジング４の壁面に設けられたハーメチックシール端子（不図示）を貫通し、リニアモータ１３の駆動電源が供給されるようになっている。また、駆動用コイル１６の駆動電圧及び駆動電流を取り出すことが可能な端子（不図示）が設けられている。
【００１９】
上記構成のスターリング冷凍機４０は、リニアモータ１３によってピストン１が往復運動すると、ディスプレーサ２の慣性力によってピストン１に対して所定の位相差でディスプレーサ２が往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間１０との間を作動媒体が移動して逆スターリングサイクルが行われる。即ち、作動媒体が圧縮されることによって高温側となる圧縮空間９で発生した熱は媒体流通路１１を介して大気中へ放出され、更に作動媒体は再生器１２に熱を蓄積して膨張空間１０へ移動する。
【００２０】
再生器１２により冷却された作動媒体は低温側となる膨張空間１０で膨張されることによって更に冷却される。そして、作動媒体が媒体流通路１１を通じて圧縮空間９へ移動する際に再生器１２に蓄えられた熱を奪って再生器１２を冷却する。この動作を繰り返して冷凍が行われるようになっている。
【００２１】
図１において、異常診断装置３１は駆動部３２、入力検出部３３、異常検出部３６及び診断部３９から成っている。駆動部３２はリード線２０、２１を介して駆動用コイル１６に所望の駆動電圧を印加し、スターリング冷凍機４０を駆動する。入力検出部３３は電圧計３４及び電流計３５を有し、スターリング冷凍機４０に設けられた端子（不図示）を介して駆動用コイル１６の駆動電圧や駆動電流を検出可能になっている。
【００２２】
異常検出部３６は振動計３７及び騒音計３８を有している。振動計３７は駆動用コイル１６のハウジング４に接触するように配置され、ハウジング４の加速度の変化により振動を検出する。騒音計３８はハウジング４から例えば０．１５ｍｍ離れた所定位置に設置され、その位置の音圧により騒音を検出する。
【００２３】
診断部３９は、電圧計３４、電流計３５、振動計３７及び騒音計３８の検出値を取込んで、振動や騒音のデータを加工して時間に対する変化を駆動電流や駆動電圧と同期して出力することができる。また、駆動部３２による駆動電圧を可変して、各駆動電圧時の振動や騒音をシリンダ１やディスプレーサ２の位相別に出力することができる。更に、診断部３９は振動計３７及び騒音計３８の出力データをフーリエ変換法により周波数分解して出力できるようになっている。
【００２４】
上記構成の異常診断装置３１にスターリング冷凍機４０が設置されると、駆動部３１によりスターリング冷凍機４０の駆動用コイル１６に駆動電圧が印加される。駆動電圧及び駆動用コイル１６を流れる駆動電流は電圧計３４及び電流計３５により検出され、診断部３９に出力される。
【００２５】
また、駆動電圧の印加によってピストン１及びディスプレーサ２が所定周期で往復運動する。ピストン１及びディスプレーサ２の往復運動に伴って発生する振動及び騒音は振動計３７及び騒音計３８により検出され、診断部３９に出力される。診断部３９はスターリング冷凍機４０の振動のデータや騒音のデータを出力し、ユーザーは診断部３９の出力から異常の発生箇所を把握することができる。
【００２６】
本実施形態によると、スターリング冷凍機４０の振動や騒音の時間に対する変化が診断部により出力されるので、経験に基づいて異常の発生形態を把握することができる。例えば、周期的に振動や騒音が発生している場合は、シリンダ１やディスプレーサ２が特定の位置に配されたときに異常が発生していることがわかる。また、継続して一様に振動や騒音が発生している場合は、ネジの取付不良等の原因を把握することができる。これにより、不良原因や故障原因の箇所を容易に判断することができ、組立工程及び設計にフィードバックしてスターリング冷凍機４０の信頼性向上を図ることができる。
【００２７】
また、駆動電流や駆動電圧の時間に対する変化を、振動または騒音に同期して出力することによって、振動や騒音が発生するシリンダ１及びディスプレーサ２の位置を容易に把握することができる。
【００２８】
また、駆動電圧を駆動部３２により可変して、駆動電流や駆動電圧に応じた振動または騒音の変化を診断部３９によってシリンダ１及びディスプレーサ２の位相別に出力することにより、振動や騒音が発生するシリンダ１及びディスプレーサ２の位置を容易に把握することができるとともに、振動や騒音の駆動電圧または駆動電流に対する変化を把握することができる。更に、診断部３１により振動や騒音を周波数分解して出力することによって、高調波の発生から経験に基づいて異常箇所を判別することができる。
【００２９】
尚、異常診断装置３１はスターリング冷凍機４０の異常診断に限られず、パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機等のシリンダ内をピストン等の移動体が往復運動する冷凍機であれば同様の構成によって同様の効果を得ることができる。
【００３０】
【実施例】
以下に本発明の実施例について説明する。図３、図４、図５はそれぞれ第１、第２、第３実施例の診断部３９による出力結果を示している。これらの図において、横軸は時間（単位：ｓｅｃ）である。（ａ）の縦軸は電流計により検出されたスターリング冷凍機４０の駆動電流（単位：Ａ）である。（ｂ）の縦軸は騒音計により検出された音圧である。（ｃ）の縦軸は振動計により検出された振動レベルを加速度により表わしている。
【００３１】
また、図中、Ｔは駆動電流の周期を示しており、Ｐｉｎ、Ｐｏｕｔはそれぞれ膨張空間側及び圧縮空間側のピストン１の死点位置を示すとともに、Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔはそれぞれ膨張空間側及び圧縮空間側のディスプレーサ２の死点位置を示している。
【００３２】
第１実施例の検証サンプルとして、駆動周波数７５．１Ｈｚ、駆動電圧５７．７Ｖ、駆動電流０．７Ａで１０００時間運転を行った際に冷凍能力の低下、異常騒音及び異常振動が発生したスターリング冷凍機４０を用いている。ピストン１の入力電流に対する位相遅れは１１１．４゜、ピストン１のディスプレーサ２に対する位相遅れは６４．９゜である。
【００３３】
図３は上記のスターリング冷凍機４０を異常診断装置３１に設置し、駆動部３２により駆動電圧５７．７Ｖ、駆動電流０．７Ａで駆動した結果を示している。図３（ｃ）によると、ピストン１が圧縮空間側の死点位置Ｐｉｎに配されたときに振動がスパイク状に立ち上がっていることが分かる。
【００３４】
これにより、シリンダ１の軸ずれによって死点位置Ｐｉｎでシリンダ３とピストン１とが摩擦していると推察することができる。実際にスターリング冷凍機４０を分解して調査したところ、シリンダ３の先端部の内壁に摺動痕が発見された。従って、異常診断装置３１によってスターリング冷凍機４０の異常箇所を容易且つ正確に診断することができる。
【００３５】
第２実施例は検証サンプルとして、駆動周波数７５．１Ｈｚ、駆動電圧７８．６Ｖ、駆動電流１．０３４Ａで５００時間運転を行った際に冷凍能力の変動及び異常騒音が発生したスターリング冷凍機４０を用いている。ピストン１の入力電流に対する位相遅れは１１７．４゜、ピストン１のディスプレーサ２に対する位相遅れは７４．７゜である。また、異常発生前の状態を異常診断装置３１により測定した結果、駆動電流に同期した周期的な振動及び騒音を発生しており、振動振幅が１０μｍ、騒音レベルが４９ｄＢであった。
【００３６】
図４は上記のスターリング冷凍機４０を異常診断装置３１に設置し、駆動部３２により駆動電圧７８．６Ｖ、駆動電流１．０３４Ａで駆動した結果を示している。この時の振動振幅は１１．３２μｍ、騒音レベルが５６．９ｄＢになっており、全体的な振動の増加はないが騒音が増加していることがわかった。また、図４（ｃ）によると、ディスプレーサ２が両死点に配された最大振幅時にスパイク状のピーク波形が形成されていることが分かる。
【００３７】
これにより、ディスプレーサ２の軸ずれによって死点位置Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔでシリンダ３とディスプレーサ２とが摩擦していると推察することができる。実際にスターリング冷凍機４０を分解して調査したところ、ディスプレーサ２の両端で摺動痕が発見された。従って、異常診断装置３１によってスターリング冷凍機４０の異常箇所を容易且つ正確に診断することができる。
【００３８】
次に、第３実施例は検証サンプルとして、駆動周波数７５．０Ｈｚ、駆動電圧８８．３Ｖ、駆動電流１．１８９Ａで５０時間運転を行った際に冷凍能力の変動及び異常騒音が発生したスターリング冷凍機４０を用いている。ピストン１の入力電流に対する位相遅れは１１１．４゜、ピストン１のディスプレーサ２に対する位相遅れは６４．９゜である。また、異常発生前の状態を異常診断装置３１により測定した結果、駆動電流に同期した周期的な振動及び騒音を発生しており、振動振幅が１２．６μｍ、騒音レベルが５０ｄＢであった。
【００３９】
図５は上記のスターリング冷凍機４０を異常診断装置３１に設置し、駆動部３２により駆動電圧８８．３Ｖ、駆動電流１．１８９Ａで駆動した結果を示している。この時の振動振幅は１４．９μｍ、騒音レベルが５８．２ｄＢになっており、振動振幅の大きな変化はないがことがわかった。また、図５（ｂ）、（ｃ）によると、時間軸全体に亙って騒音及び振動が変動していることが分かる。
【００４０】
このため、シリンダ１またはディスプレーサ２の取付けネジの緩みが生じていると考えられる。経験からシリンダ１の取付けネジの緩みによる冷凍能力の変動は小さいため、冷凍能力の変動が大きいことを考慮すると、ディスプレーサ２の往復運動により微細振動が発生し、ディスプレーサ２の取付けネジの緩みが生じていると推察することができる。実際にスターリング冷凍機４０を分解して調査したところ、ディスプレーサ２の両端で摺動痕が発見された。従って、異常診断装置３１によってスターリング冷凍機４０の異常箇所を容易且つ正確に診断することができる。
【００４１】
次に、図６は第４実施例の異常診断装置３１の出力結果を示している。本実施例は検証サンプルとして、駆動周波数７５．１Ｈｚ、駆動電圧５４．０Ｖ、駆動電流０．５５７Ａで２０００時間運転を行った際に異常騒音及び異常振動が発生したスターリング冷凍機４０を用いている。
【００４２】
ピストン１の入力電流に対する位相遅れは１１１．４゜、ピストン１のディスプレーサ２に対する位相遅れは６４．９゜である。また、異常発生前の状態を異常診断装置３１により測定した結果、駆動電流に同期した周期的な振動及び騒音を発生しており、振動振幅が４．６μｍ、騒音レベルが４７ｄＢであった。
【００４３】
図６は上記のスターリング冷凍機４０を異常診断装置３１に設置し、駆動部３２により駆動周波数７５．１Ｈｚで駆動電圧を０Ｖ〜７５Ｖの間で可変して駆動した結果を示している。縦軸は振動の振幅（単位：μｍ）を示し、横軸は駆動電圧（単位：Ｖ）を示している。
【００４４】
駆動電圧が５４Ｖ付近の時にピストン１が膨張空間側の死点位置Ｐｉｎに配されると振動振幅が増加している。駆動電圧が増加するとピストン１及びディスプレーサ２のストロークは大きくなり、駆動電圧が減少するとピストン１及びディスプレーサ２のストロークは小さくなる。このため、駆動電圧５４Ｖに対応するストロークの端部でピストン１の反転時に軸ずれが生じ、ピストン１とシリンダ３とが接触していると推察される。
【００４５】
実際にスターリング冷凍機４０を分解して調査したところ、駆動電圧５４Ｖ時のピストン１の振幅である４ｍｍの位置のシリンダ３内壁に異物が付着しているのが発見された。従って、異常診断装置３１によってスターリング冷凍機４０の異常箇所を容易且つ正確に診断することができる。
【００４６】
次に、図７、図８は第５実施例の異常診断装置３１の出力結果を示している。本実施例は検証サンプルとして、駆動周波数７５．０Ｈｚ、駆動電圧６３．７Ｖ、駆動電流０．５Ａで１０００時間運転を行った際に冷凍能力の低下と異常振動が発生したスターリング冷凍機４０を用いている。
【００４７】
ピストン１の入力電流に対する位相遅れは１１５゜、ピストン１のディスプレーサ２に対する位相遅れは６６゜である。また、異常発生前の状態を異常診断装置３１により測定した結果、駆動電流に同期した周期的な振動及び騒音を発生しており、振動振幅が５μｍ、騒音レベルが４５ｄＢであった。
【００４８】
図７、図８は上記のスターリング冷凍機４０を異常診断装置３１に設置し、駆動部３２により駆動電圧６３．７Ｖ、駆動電流０．５Ａで駆動した結果の周波数分解を示している。図７、図８の横軸は周波数（単位：Ｈｚ）を示し、縦軸はそれぞれ加速度により表わされる振動レベル及び音圧（ｄＢ表示）による騒音レベルを示している。
【００４９】
この時の振動振幅は７μｍ、騒音レベルが４８ｄＢになっており、異常が発生していることが確認され、振動レベル及び騒音レベルは２．２ｋＨｚ及び３．７ｋＨｚ付近でピークを有する高調波が確認された。経験から高調波が確認される場合はネジの緩みが発生していると推察される。
【００５０】
実際にスターリング冷凍機４０を分解して調査したところ、ピストンスプリング５の固定ネジが緩んでいることが確認された。従って、異常診断装置３１によってスターリング冷凍機４０の異常箇所を容易且つ正確に診断することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によると、駆動部により駆動された冷凍機の振動または騒音を異常検出部により検出して振動や騒音の時間に対する変化が診断部により出力されるので、経験に基づいて異常の発生形態を把握することができる。これにより、不良原因や故障原因の箇所を容易に判断することができ、組立工程及び設計にフィードバックして冷凍機の信頼性向上を図ることができる。
【００５２】
また、駆動電圧または駆動電流に同期して振動または騒音を出力するので異常発生する移動体の位置を捉えて異常箇所を容易に判別することができる。駆動電流または駆動電圧に応じた振動または騒音の変化を移動体の位相別に出力することや、振動または騒音を周波数分解して出力することによって異常原因を容易に判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の実施形態の異常診断装置の構成を示すブロック図である。
【図２】は、スターリング冷凍機の構成を説明する側面断面図である。
【図３】は、本発明の第１実施例の診断部による出力結果を示す図である。
【図４】は、本発明の第２実施例の診断部による出力結果を示す図である。
【図５】は、本発明の第３実施例の診断部による出力結果を示す図である。
【図６】は、本発明の第４実施例の診断部による出力結果を示す図である。
【図７】は、本発明の第５実施例の診断部による出力結果を示す図である。
【図８】は、本発明の第５実施例の診断部による出力結果を示す図である。
【符号の説明】
１　　ピストン
２　　ディスプレーサ
３　　シリンダ
４　　耐圧容器
５　　ピストンスプリング
６　　ディスプレーサスプリング
９　　圧縮空間
１０　　膨張空間
１２　　再生器
１３　　リニアモータ
１４　　スリーブ
１５　　マグネット
１６　　駆動用コイル
１７　　内側ヨーク
１８　　外側ヨーク
２０、２１　リード線
３１　　異常診断装置
３２　　駆動部
３３　　入力検出部
３４　　電圧計
３５　　電流計
３６　　異常検出部
３７　　振動計
３８　　騒音計
３９　　診断部
４０　　スターリング冷凍機
【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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【図８】
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