(57)【要約】【課題】ピストン１やディスプレーサ２の位置を把握することにより、これらの動きの乱れが原因で起こる衝突を回避して冷却能力を精度よく制御することができるスターリング機関を提供する。【解決手段】ピストン１とともに往復動するスリーブ１４上に反射軸３３を取り付ける。反射軸３３の反射面は、スリーブ１４に向かうに従い漸次幅小となる二等辺三角形に加工され、ピストン１の移動によりレーザ光の反射量が変化するようになっている。ピストン１が往復動を開始すると、反射軸３３も同じストロークで往復動を行なう。レーザ照射部３１とレーザ受光部３２は所定の位置に固定されているため、これら不動のレーザ照射部３１とレーザ受光部３２に対して反射軸３３のみが動くことになる。したがって、反射光量とピストン１の位置をあらかじめ把握しておくことにより、レーザ受光部３２で検出した反射光量に基づいてピストン１の正確な位置を特定することができる。【選択図】　　　図１
2004068713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスの充填されたシリンダに挿入され同軸上で往復動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータとを有するフリーピストン型スターリング機関において、前記ピストン及び／又は前記ディスプレーサの位置を測定する位置センサを設けたことを特徴とするスターリング機関。
【請求項２】
作動ガスの充填されたシリンダに挿入され同軸上で往復動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータとを有するフリーピストン型スターリング機関において、前記ピストン及び／又は前記ディスプレーサの位置を測定する位置センサと、前記位置センサからの入力に基づき、前記ピストン及び／又は前記ディスプレーサの位置を求める演算部と、前記演算部の求めた前記ピストン及び／又は前記ディスプレーサの位置に基づいて前記スターリング機関の運転状態を判断する状態判断部と、前記状態判断部によって前記リニアモータの入力を制御する入力制御部とを備えたことを特徴とするスターリング機関。
【請求項３】
作動ガスの充填されたシリンダに挿入され同軸上で往復動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータとを有するフリーピストン型スターリング機関において、前記ピストン及び／又は前記ディスプレーサの位置を測定する位置センサと、前記位置センサからの入力に基づき、前記ピストン及び／又は前記ディスプレーサのストロークを求める演算部と、前記演算部の求めた前記ピストン及び／又は前記ディスプレーサのストロークに基づいて前記スターリング機関の運転状態を判断する状態判断部と、前記状態判断部によって前記リニアモータへの入力を制御する入力制御部とを備えたことを特徴とするスターリング機関。
【請求項４】
前記位置センサは、前記ピストン及び／又はディスプレーサの変位に連動する可動部に取り付けた異形反射面から反射されるレーザ光線の反射光量の変化を検出するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスターリング機関。
【請求項５】
前記ピストンと前記ディスプレーサの間に形成された圧縮空間部と、前記ディスプレーサに関して前記圧縮空間部と反対側に形成された膨張空間部と、前記ピストンに関して前記圧縮空間部と反対側に形成された背面空間部とを備え、前記圧縮空間部及び／又は前記膨張空間部及び／又は前記背面空間部の温度を検出して前記状態判断部に入力する温度センサを設けたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のスターリング機関。
【請求項６】
作動ガスの充填されたシリンダに挿入され同軸上で往復動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストン駆動用のリニアモータと、前記シリンダに挿入されたピストンを前記シリンダの一端面から距離を隔てた位置で取り付けているスリーブと、前記シリンダの他端面に取り付けられたコールドヘッドとを備え、前記スリーブを前記リニアモータによって前記シリンダの外側で駆動することにより、前記ピストンを駆動するフリーピストン型スターリング機関において、前記スリーブと前記シリンダの一端面との衝突及び／又は前記ピストンと前記ディスプレーサとの衝突及び／又は前記ディスプレーサと前記コールドヘッドとの衝突を検出する衝突検出センサを設けたことを特徴とするスターリング機関。
【請求項７】
前記衝突検出センサは、前記ピストン又は前記ディスプレーサの動きに基づいて変化するレーザ光線の光量を検出するものであることを特徴とする請求項６に記載のスターリング機関。
【請求項８】
前記衝突検出センサは、衝突時のひずみ変形により発生する起電力を検出するものであることを特徴とする請求項６に記載のスターリング機関。
【請求項９】
前記衝突検出センサは、衝突時にオンされるスイッチング回路であることを特徴とする請求項６に記載のスターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストン型スターリング機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング冷凍機は、逆スターリングサイクルとして既知の熱力学的サイクルを利用して所望の冷凍能力を取り出すように構成された冷凍システムである。特に、機械的な駆動系を用いないフリーピストン型スターリング冷凍機は、設計が比較的容易で優れた能力を発揮するため、実用化に向けた開発が盛んに行われている。
【０００３】
図１５は、従来のフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の断面図である。まず、このスターリング冷凍機の構成について説明する。略円筒形に形成されたシリンダ３Ａには、略円柱形のピストン１が同軸に挿入されている。ピストン１はピストン支持バネ５によって圧力容器４に対して弾性支持されている。シリンダ３Ｂは、シリンダ３Ａの端面に同軸に接合されており、その内側にディスプレーサ２が同軸に配置されている。シリンダ３Ｂの外側には、シリンダ３Ａの端面に同軸に接合された外筒３Ｃが設けられており、ディスプレーサ２の摺動する空洞の外側に断面ドーナツ型の作動ガスの通路１２が形成されている。シリンダ３Ａは、シリンダ３Ｂとの接合部から外筒３Ｃとの接合部へ向かうに従い内径が広がっており、内側の空洞が作動ガスの通路１２に連通するようになっている。
【０００４】
ディスプレーサ２の端面中心部からピストン１側に延長して設けられたロッド２ａは、ピストン１の中心部を軸方向に貫通する摺動穴１ａに挿通しており、その先端と圧力容器４との間に介在するディスプレーサ支持バネ６によってディスプレーサ２は圧力容器４に対して弾性支持されている。
【０００５】
シリンダ３Ａ，３Ｂ及び圧力容器４の内部に形成される空間には、一定量の作動ガスが封入されている。この空間は、ピストン１によって２つの空間に分割される。１つはピストン１のディスプレーサ２側に形成される作動空間７であり、もう１つはディスプレーサ２と反対側の背面空間８である。更に、作動空間７はピストン１とディスプレーサ２によって圧縮空間９と膨張空間１０とに仕切られている。そして、圧縮空間９と膨張空間１０の間を連通する作動ガスの通路１２には、金網等の充填材（マトリックス）を詰めた再生器１１を中央に配置し、その再生器１１の両端面に隣接して、圧縮空間９側に高温側内部熱交換器２１、膨張空間１０側に低温側内部熱交換器２２をそれぞれ配している。高温側内部熱交換器２１は、作動ガスの通路１２の出入り口から圧縮空間９に面し、低温側熱交換器２２は、作動ガスの通路１２の出入り口から膨張空間１０に面している。
【０００６】
ピストン１のディスプレーサ２と反対側の端面には、シリンダ３Ａの一端面から距離を隔てた位置で、非磁性材料から成る断面コ字状のスリーブ１４が連結され、その先端には環状永久磁石１５が取り付けられている。そして、間隙１９を有するように形成されたヨーク１７をシリンダ３Ａの外周に嵌着して、ヨーク１７の間隙１９内で環状永久磁石１５を有するスリーブ１４がシリンダ３Ａの軸方向に往復動することにより、スリーブ１４の往復動と連動してピストン１がシリンダ３Ａの軸方向に摺動できる構造になっている。
【０００７】
上記のように構成されたスターリング冷凍機の動作について説明する。リニアモータ１６を駆動すると、ヨーク１７の間隙１９内で極性が所定の周期で変化する磁界が作られ、この磁界との相互作用により環状永久磁石１５には吸引及び反発力がシリンダ３の軸方向に働く。その結果、環状永久磁石１５が間隙１９内で往復動し、これによって環状永久磁石１５にスリーブ１４を介して連結されたピストン１がシリンダ３内を軸方向に往復動する。
【０００８】
これにより、圧縮空間９内で作動ガスは圧縮されて発熱し、作動ガスの通路１２を通過する際に、高温側内部熱交換器２１によって外筒３Ｃの外部と熱交換され、再生器１１を通過する際にさらに余熱を回収された後、膨張空間１０側に移動する。膨張空間１０内に流入した作動ガスは、ディスプレーサ２により膨張されて温度が低下し、コールドヘッド１３から外部の熱を吸熱する。その結果、コールドヘッド１３の周囲の空気が冷やされる。
【０００９】
そして、ディスプレーサ２がディスプレーサ支持バネ６の復元力により復帰する際、作動ガスは上記とは逆向きに押し出され、作動ガスの通路１２を通過する際に、低温側内部熱交換器２２によって熱交換され、再生器１１を通過する際に半サイクル前に再生器１１に回収された熱を受け取った後、圧縮空間９側に戻る。
【００１０】
このようにして作動空間７内で作動ガスが圧縮又は膨張されることによる圧縮空間９と膨張空間１０の作動ガスの圧力変化によって、ピストン１及びディスプレーサ２は、それぞれピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６のバネ定数に従って、一般に約９０°の位相差をもって共振する逆スターリングサイクルが構成される。
【００１１】
この種のスターリング冷凍機は、ピストン１の駆動にリニアモータ１６を使用し、リニアモータ１６への入力電圧値や電流値を調整してピストン１の往復動のストロークを変化させることにより、冷却能力の制御を行なっている。そのため、ピストン１のストロークを大きくしていくと、スリーブ１４とシリンダ３Ａの端面、あるいはピストン１とディスプレーサ２、あるいはディスプレーサ２とコールドヘッド１３が衝突することがあった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、このような衝突を防ぐため、ピストン１のストロークを入力電圧や電流値を用いて概算し、衝突を防ぐ試みがなされている。しかし、この方法では、背面空間８、高温側内部熱交換器２１、低温側内部熱交換器２２などの温度の影響により作動空間７の内部圧力が変わると、リニアモータ１６に掛かる負荷が変わり、入力電圧や電流値とストロークの関係にずれが生じて、ストロークを正確に把握することができなかった。
【００１３】
また、最大の冷却能力を得るためにはピストン１を仕様ストロークの極限で運転させなければならないが、ガス圧力のバランスによりピストン１のストロークの中心が正常位置から圧縮空間９側にずれることがあり、この場合、そのずれ分だけピストン１の動作範囲がずれることになる。したがって、正常位置からのずれ量が大きくなれば、スターリング冷凍機設計時に設定された限界ストロークに近づき、ピストン１とディスプレーサ２の衝突が発生しやすくなる。
【００１４】
さらに、衝突やその他の原因により、スターリング冷凍機の運転に不具合が発生しても、冷凍機内部のピストン１やディスプレーサ２の動きが把握できないため、問題箇所や発生原因が特定できず、迅速に対応することができなかった。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ピストン１やディスプレーサ２の位置を把握することにより、これらの動きの乱れが原因で起こる衝突を回避することができるスターリング機関を提供することを目的とする。また、スターリング機関の運転状態を判断し、異常運転時に発生する不具合に迅速に対応することを目的とする。
【００１６】
【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では、ピストン１及び／又はディスプレーサ２の位置を測定する位置センサを設けて、ピストン１やディスプレーサ２の絶対位置を直接測定するようにした。これにより、ピストン１やディスプレーサ２の正確な位置を把握することができる。また、スターリング機関の要所に温度センサを設け、この検出温度に基づいてスターリング冷凍機の運転状態を判断するようにした。これらの位置センサや温度センサからの入力によって衝突の危険性や異常運転が判断されたときは、リニアモータ１６への入力値を的確に制御することにより、不具合が発生しても迅速に対応することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係るフリーピストン型スターリング冷凍機の縦断面図である。この図において、従来図に示す従来のスターリング冷凍機と共通の部材には同一の符号を附し、その詳細な説明を省略する。
【００１８】
まず、ピストン１の位置を測定するために設けた位置センサについて説明する。ピストン１とともに往復動するスリーブ１４上に反射軸３３を取り付けている。また、圧力容器４の内面には、レーザ照射部３１とレーザ受光部３２がある角度で取り付けられており、レーザ照射部３１から出射されたレーザ光が反射軸３３に反射され、レーザ受光部３２に入射するようになっている。反射軸３３の反射面は、スリーブ１４に向かうに従い漸次幅小となる形状（例えば、二等辺三角形や二等辺台形）に加工され、ピストン１の移動によりレーザ光の反射量が変化するようになっている。なお、反射軸３３の反射面の形状は上記に限られず、スリーブ１４がシリンダ３Ａと衝突する位置に近づいたときにのみ、反射光量が変化するような形状としてもよい。
【００１９】
このようなレーザを用いた位置センサは、応答速度の速さも魅力であるが、可動部（ピストン１及びピストン１の変位に応じて動く可動部）と非接触で測定が行なえることが最大のメリットであり、上記のようにピストン１の位置センサに使用することにより、ピストン１と非接触で迅速に測定が行なえる。このことは、位置センサの軽量化が可能であることを意味している。フリーピストン型スターリング機関では、運転周波数と共振周波数を調整し、できるだけ少ない電力で動作させることが重要である。このため、可動部に何らかのセンサを取り付ける場合であっても、できるだけ軽量のもの（０．１ｇ程度でも共振周波数は変化する）を使用する必要がある。本発明のように、レーザを用いた位置センサは、可動部に取り付ける反射軸が回路を必要としないため、動作による屈曲断線等の心配がなく、また、非常に軽量にできるため、省エネの面でも有利である。
【００２０】
図２は、ピストン１の位置検出部周辺の拡大図である。レーザ照射部３１から照射される光３４は、反射軸３３を横切るように、反射軸３３の反射面の幅よりも大きい範囲に直線状に照射される。そのため、反射面の外へはみ出した光３６は、照射光３４の進行方向と同じ方向へ反射軸３３の横を抜けて行き、反射面の幅に相当する光量の光３５がレーザ受光部３２に向けて反射される。照射光量は一定であるが、反射軸３３の反射面は、上記のようにスリーブ１４に向かうに従い漸次幅小となる形状に加工されているため、反射光量はピストン１の位置によって変化し、ピストン１が圧縮空間９（図１参照）側（矢印Ａの方向）へ移動するほど反射光量が多くなり、逆に圧縮空間９と反対方向（矢印Ｂの方向）に移動するほど反射光量が少なくなる。
【００２１】
ピストン１が往復動を開始すると、反射軸３３も同じストロークで往復動を行なう。レーザ照射部３１とレーザ受光部３２は所定の位置に固定されているため、これら不動のレーザ照射部３１とレーザ受光部３２に対して反射軸３３のみが動くことになる。したがって、反射光量とピストン１の位置をあらかじめ把握しておくことにより、レーザ受光部３２で検出した反射光量に基づいてピストン１の正確な位置を特定することができる。
【００２２】
また、スターリング冷凍機には、要所に温度センサを設けている。例えば、高温側内部熱交換器２１の冷却が十分に行われているかとか、低温側内部熱交換器２２が冷えすぎていないかなど不具合を発見するために、高温側内部熱交換器２１部の温度を検出する温度センサ３４（図示せず）、低温側内部熱交換器２２部の温度を検出する温度センサ３５（図示せず）を設けている。また、リニアモータ１６の発熱状態をモニターするために、背面空間８部の温度を検出する温度センサ３６（図示せず）を設けている。
【００２３】
図３は、スターリング冷凍機の運転制御のブロック図である。レーザ受光部３２が検出した反射光量は、演算部３７に入力され、ピストン１の位置情報に変換される。演算部３７は、ピストン１のストロークやスリーブ１４がシリンダ３Ａの端面に最も近づいたときの距離を計算し、状態判断部３８に入力する。また、高温側熱内部交換器２１部、低温側内部熱交換器２２部、背面空間８部に取り付けた温度センサ３４，３５，３６によって測定された各温度も状態判断部３８に送られる。また、リニアモータ１６の駆動電圧や電流などの入力値も状態判断部３８に与えられる。これらの情報に基づいて状態判断部３８は、スターリング冷凍機の運転状態が正常か否かを判断する。
【００２４】
例えば、あらかじめ冷凍機への入力値とピストン１のストロークの関係を記憶させておき、この関係から入力に対してピストン１のストロークが著しく小さい場合、ピストン１の摺動摩擦の増大やリニアモータ１６の不具合と判断する。また、例えば、高温側内部熱交換器２１部の温度が運転に支障をきたすほど高い場合、高温側内部熱交換器２１の冷却が足りないと判断する。
【００２５】
状態判断部３８が運転を正常と判断した場合は、スリーブ１４がシリンダ３Ａの端面と衝突するおそれがないため、入力制御部３９はあらかじめ求められたピストン１のストロークと冷却能力の関係から必要な冷却能力が得られる入力をリニアモータ１６に与える制御を行なう。状態判断部３８が異常運転と判断した場合は、入力制御部３９がリニアモータ１６への入力電圧を下げて冷却能力を落とすか、入力を停止して運転を中止する。ここで、レーザ照射部３１、レーザ受光部３２、反射軸３３は、ピストン１の位置を測定するために設置しているが、あらかじめピストン１とディスプレーサ２のストローク比、位相差を求めておけば、演算部３７でピストン１とディスプレーサ２の位置関係も計算できる。さらに、この計算結果から、スリーブ−シリンダ間の距離Ｄ１の最小値だけでなく、ピストン−ディスプレーサ間の距離Ｄ２、ディスプレーサ−コールドヘッド間の距離Ｄ３の最小値も概算できるため、これらの衝突もある程度回避するように入力を調整することができる。
【００２６】
このように、本発明によればスターリング冷凍機の運転状態を判断して、必要に応じた冷却能力が得られるように、あるいは不具合を解消するように、入力を適宜調整することが可能である。
【００２７】
また、ピストン１の位置センサと同様に、ロッド２ａにも反射軸を設け、別途、レーザ照射部とレーザ反射部を取り付ければ、ディスプレーサ２の位置も測定できるため、ピストン−ディスプレーサ間やディスプレーサ−コールドヘッド間の衝突を回避したり、スターリング冷凍機の動作状態を把握して不具合箇所の発見や発生原因を究明したりするのに役立つ。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態に係るスターリング冷凍機のピストン１とディスプレーサ２の位置検出部周辺の断面図である。この実施形態では、ピストン１とディスプレーサ２の位置の測定に振動計を用いる。振動の大きさを検出する振動ピックアップ４１は、ピストン１をピストン支持バネ５に固定するネジ部近傍に取り付けられている。振動ピックアップ４１の信号線４２は、屈曲ができるだけ小さくなるように、若干長さを余らせてピストン支持バネ５に固定されている。また、ロッド２ａをディスプレーサ支持バネ６に固定しているネジ部近傍にも振動ピックアップ４３が取り付けられ、その信号線４４はピストン１の場合と同様に、若干長さを余らせてディスプレーサ支持バネ６に固定されている。振動ピックアップ４１は、ピストン１が往復動とともに振動するため、ピストン１のストロークが大きいと、振動ピックアップ４１の振動も大きくなる。この振動値とストロークの関係をあらかじめ求めておけば振動計でピストン１のストロークが測定できる。なお、ディスプレーサ２のストロークについても同様に測定できる。
【００２９】
図５は、スターリング冷凍機の運転制御のブロック図である。振動ピックアップ４１，４３が検出した振動の強さは、演算部３７に入力され、ピストン１やディスプレーサ２のストローク、ストローク比、位相角に変換されて状態判断部３８に送られる。また、高温側熱内部熱交換器２１部、低温側内部熱交換器２２部、背面空間８部に取り付けた温度センサ３４，３５，３６によって測定された各温度も状態判断部３８に送られる。また、リニアモータ１６の駆動電圧や電流などの冷凍機への入力値も状態判断部３８に与えられる。これらの情報に基づいて状態判断部３８は、スターリング冷凍機の運転状態が正常か否かを判断する。
【００３０】
状態判断部３８が運転を正常と判断した場合は、スリーブ−シリンダ間、ピストン−ディスプレーサ間、ディスプレーサ−コールドヘッド間で衝突が起こるおそれがなく、入力制御部３９はあらかじめ求められたピストン１のストロークと冷却能力の関係から必要な冷却能力が得られる入力電圧をリニアモータ１６に与える制御を行なう。状態判断部３８が異常運転と判断した場合は、入力制御部３９がリニアモータ１６への入力電圧を下げて冷却能力を落とすか、運転を中止する。また、異常表示部４０に異常箇所を表示する。
【００３１】
図６は、異常表示部４０の表示例を示している。（ａ）は正常運転時の表示であり、スターリング冷凍機内部の構造を全部表示することにより、運転が正常であることを示している。そして、異常を判断すると、例えば、運転中のスターリング冷凍機のピストン１とディスプレーサ２のストローク比をあらかじめ記憶している所定値と比較し、ストローク比が著しく小さく、ディスプレーサ２のストロークがそれほど出ていないと判断した場合は、（ｂ）のように、点線で示す冷凍機の輪郭の中にディスプレーサのみを表示し、不具合の発生箇所を目立たせる。また、背面空間８部の温度が異常に高くなっている場合、リニアモータ１６の不具合が考えられるため、（ｃ）のように、冷凍機の輪郭の中にモータ部のみを表示する。ここでは、不具合の発生箇所を表示するにとどめたが、さらにその不具合の発生原因を表示させるようにするとよい。また、不具合の発生と同時に警報を鳴らして注意を促すようにすると更によい。
【００３２】
次に、第３の実施形態について説明する。図７は、第３の実施形態に係るスターリング冷凍機のディスプレーサ２の衝突検出部周辺を示す断面図である。この実施形態では、ディスプレーサ２とコールドヘッド１３との衝突の検出にレーザを使用している。レーザ照射部４５とレーザ受光部４６を、膨張空間１０のコールドヘッド１３の近傍で対向するように、外筒３Ｃに埋設する。ディスプレーサ２が正常に往復動しているとき、レーザ照射部４５から照射されるレーザ光線４７は、図７のように、常に受光部４６で受光できる状態にある。
【００３３】
ピストン１とディスプレーサ２は共振しているので、ピストン１のストロークが大きくなるほど、ディスプレーサ２のストロークも大きくなるが、ディスプレーサ２の先端部がコールドヘッド１３に接近すると、図８のように、レーザ光線４７が遮られ、レーザ受光部４６に届かなくなる。このことにより、ディスプレーサ２がコールドヘッド１３に衝突寸前であることを検出できる。したがって、この瞬間にリニアモータ１６への入力値を下げ、ピストン１のストロークを小さくすることにより、ディスプレーサ２のストロークが小さくなるので、ディスプレーサ２の衝突を回避してスターリング冷凍機の運転を継続することができる。この実施形態によると、把握が難しい衝突限界が容易に把握でき、冷凍機運転中の衝突による不具合の発生を回避できる。
【００３４】
ここでは、レーザ照射部４５とレーザ受光部４６をコールドヘッド１３の近傍の位置にのみ設ける例を示したが、ピストン１とディスプレーサ２の衝突が発生する箇所にレーザ光線が照射されるように、圧縮空間９の周囲に設けることにより、これらの衝突の発生を回避できる。あるいは、スリーブ１４とシリンダ３Ａの端面の衝突が起こる箇所にレーザ光線が照射されるように、スリーブ１４の内面に設けてもよい。また、レーザ照射部４５とレーザ受光部４６を、図９のようにコールドヘッド１３の内面から膨張空間１０に面するように、コールドヘッド１３に並べて埋設し、レーザ照射部４５によってディスプレーサ２の先端面に向けて所定の角度でレーザ光線４７を照射することにより、反射されたレーザ光線４７をレーザ受光部４６で受光し、その反射光量からコールドヘッド１３とディスプレーサ２の距離を測定し、衝突を判断させてもよい。
【００３５】
次に、第４の実施形態について説明する。図１０は、第４の実施形態に係るスターリング冷凍機のピストン１駆動部品であるスリーブ１４の衝突検出部周辺を示す拡大断面図である。この実施形態では、スリーブ１４とシリンダ３Ａの端面の衝突の検出にひずみゲージを使用している。シリンダ３Ａの端面にひずみゲージ４８を取り付ける。ひずみゲージ４８は、スリーブ１４とシリンダ３Ａの端面の衝突時に、ピストン１に取り付けられたスリーブ１４と接触するようになっており、この接触によってひずみゲージ４８が変形して起電力を発生する。
【００３６】
図１１は、スターリング冷凍機の運転制御のブロック図である。スターリング冷凍機の運転中にピストン１のストロークが大きくなりすぎ、スリーブ１４がシリンダ３Ａの端面と衝突すると、ひずみゲージ４８は起電力を発生して、この値が状態判断部３８に入力される。状態判断部３８は、この入力値に基づいて入力制御部３９を制御し、リニアモータ１６への入力を下げる。これにより、ピストン１のストロークが小さくなり、冷凍機の運転を安定した状態に戻すことができるため、衝突時の安全性が増し、被害を最小限に食い止めることができる。また、ひずみゲージ４８がクッションとなり、衝突時の衝撃が和らげられるため、不具合の発生も少なくなる。
【００３７】
ここでは、シリンダ３Ａに取り付けた例を示したが、図１２のように、コールドヘッド１３とディスプレーサ２の衝突が発生する箇所に設けてもよい。あるいはピストン１とディスプレーサ２の衝突を検出できるように、ピストン１の端面などに設けてもよい。また、冷凍機特性から最も衝突しやすい箇所にだけ取り付けてもよい。また、レーザなど他の方法と組み合わせてもよい。
【００３８】
次に、第５の実施形態を説明する。図１３は、第５の実施形態に係るスターリング冷凍機の概略的な断面図である。ピストン１の位置を測定するために、第１の実施形態と同様のレーザ照射部３１Ａ、レーザ受光部３２Ａ、反射軸３３Ａを設けるとともに、ディスプレーサ２の位置を測定するために、新たにレーザ照射部３１Ｂ、レーザ受光部３２Ｂを耐圧容器４の内面に設け、反射軸３３Ｂをディスプレーサロッド２ａに印刷形成により設ける。そして、シリンダ３Ａの端面には、スリーブ１４とシリンダ３Ａの衝突を検出するために、第４の実施形態と同様のひずみゲージ４８を設ける。さらに、コールドヘッド１３の内面の膨張空間に面する部分に、スイッチング回路４９を設ける。スイッチング回路４９は、ディスプレーサ２とコールドヘッド１３の衝突時にスイッチがオンする。
【００３９】
図１４は、スターリング冷凍機の運転制御部のブロック図である。この実施形態の場合、レーザ受光部３２Ａ，３２Ｂからの入力に基づいて、演算部３７はピストン１とディスプレーサ２の位置を求める。したがって、ピストン１とディスプレーサ２の双方の位置が把握できるため、常に冷凍機の運転状態を状態判断部３８でモニターし、ディスプレーサ２の動きに注意しながら、入力制御部３９でリニアモータ１６への入力を制御し、必要冷却能力に応じたストロークにピストン１の往復動を調整することができる。
【００４０】
また、ピストン１とディスプレーサ２の位相角やストローク比から運転状態が初期の状態からどのように変化したのかを追跡することができ、不具合が発生した場合は、その発生原因を状態判断部３８で特定することができる。さらに、スリーブ１４とシリンダ３Ａの端面の衝突はひずみゲージ４８で検出し、ディスプレーサ２とコールドヘッド１３の衝突は、スイッチング回路４９の出力変化を測定できるため、最大ストロークの運転を行なっていた場合に衝突の危険性をいち早く察知し、異常表示部４０で衝突の危険性のある箇所の表示や、衝突を回避するために入力制御部３９でリニアモータ１６の入力を下げてピストン１のストロークを小さくするなどの運転制御を行なうことができる。また、このように不具合の発生した箇所を特定できるため、対応を素早く行なうことができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、作動ガスの充填されたシリンダに挿入され同軸上で往復動するピストン及びディスプレーサと、ピストン駆動用のリニアモータとを有するフリーピストン型スターリング機関において、ピストン及び／又はディスプレーサの位置を測定する位置センサを設けたので、ピストンやディスプレーサの位置を正確に把握することができる。したがって、ピストンやディスプレーサの位置に基づいてリニアモータの入力を制御することにより、ピストンやディスプレーサのストロークを調整することができ、可動部の衝突を未然に回避することが可能となる。
【００４２】
また、スターリング機関要所に温度センサを設け、この温度センサの検出した温度に基づいて運転状態を判断するようにしたので、異常運転が判断されたときは、リニアモータの入力を低下もしくは遮断することにより、不具合の発生に迅速に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスターリング冷凍機を示す概略的な断面図である。
【図２】そのスターリング冷凍機のピストンの位置検出部周辺の拡大図である。
【図３】そのスターリング冷凍機の制御ブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るスターリング冷凍機のピストンとディスプレーサの位置検出部周辺を示す拡大断面図である。
【図５】そのスターリング冷凍機の制御ブロック図である。
【図６】そのスターリング冷凍機の運転状態の表示の一例を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るスターリング冷凍機のディスプレーサの衝突検出部周辺を示す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るスターリング冷凍機のディスプレーサの衝突検出部周辺を示す断面図であり、ディスプレーサがコールドヘッドに衝突する寸前の状態を示している。
【図９】第３の実施形態の他の例に係るスターリング冷凍機のディスプレーサの衝突検出部周辺を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るスターリング冷凍機のピストン駆動部品であるスリーブの衝突検出部周辺を示す断面図である。
【図１１】そのスターリング冷凍機の制御ブロック図である。
【図１２】第４の実施形態の他の例に係るスターリング冷凍機のディスプレーサの衝突検出部周辺を示す断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係るスターリング冷凍機を示す概略的な断面図である。
【図１４】そのスターリング冷凍機の制御ブロック図である。
【図１５】従来のスターリング冷凍機を示す概略的な断面図である。
【符号の説明】
１　ピストン
２　ディスプレーサ
３Ａ，３Ｂ　シリンダ
４　耐圧容器
８　背面空間
９　圧縮空間
１０　膨張空間
１１　再生器
１３　コールドヘッド
１４　スリーブ
１６　リニアモータ
３１　レーザ照射部
３２　レーザ受光部
３３　反射軸
３８　状態判断部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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