(57)【要約】【課題】  リニアモータのピストンを駆動するための駆動用コイルで消費される電力の無駄を抑制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】  リニアモータには、並んで設けられた第１、第２および第３コイル部１６ａ，１６ｂおよび１６ｃとタップ切換リレー５０とが４つのタップ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６を介して設けられている。タップ切換リレー５０は、第２コイル部１６ｂにのみ交流電流が流れる状態と、第１、第２および第３コイル部１６ａ，１６ｂおよび１６ｃのそれぞれに交流電流が流れる状態とに変化可能である。したがって、ピストンのストロークが小さい場合には中央の第２コイル部１６ｂのみが用いられてピストンが駆動され、ピストンのストロークが大きい場合には、第１、第２および第３コイル部１６ａ，１６ｂおよび１６ｃの３つが用いられてピストンが駆動される。【選択図】        図８
2005331130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復運動するピストンと、
前記ピストンを駆動するリニアモータの駆動コイルと、
前記駆動コイルに電流を流す電源部と、
前記駆動コイルと前記電源部とを電気的に接続する接続部と、
前記接続部の接続状態を変更する制御部とを備えたスターリング冷凍機であって、
前記接続部は、前記駆動コイルの通電部分を変更可能であり、
前記制御部は、前記接続部の接続状態を変更することによって前記駆動コイルの通電部分を変更する、スターリング冷凍機。
【請求項２】
前記制御部は、
前記ピストンのストロークを算出する手段と、
前記ストロークに基づいて前記駆動コイルの通電部分を変更する、請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項３】
往復運動するピストンと、
前記ピストンを駆動するリニアモータの駆動コイルと、
前記駆動コイルに電流を流す電源部と、
前記駆動コイルと前記電源部とを電気的に接続する接続部と、
前記接続部の接続状態を変更する制御部とを備えたスターリング冷凍機であって、
前記駆動コイルは、第１コイル部、第２コイル部、および第３コイル部がこの順番で前記ピストンの往復運動方向に沿って並んで設けられており、
前記接続部は、電流が前記第１コイル部、前記第２コイル部および前記第３コイル部に流れる通常状態と、前記第２コイル部にのみ流れる省電力状態とのそれぞれの接続状態に変更され得るものであり、
前記制御部は、前記接続部が前記通常状態となる第１制御および前記接続部が前記省電力状態となる第２制御のうちからいずれか１の制御を選択して実行する、スターリング冷凍機。
【請求項４】
往復運動するピストンと、
前記ピストンを駆動するリニアモータの駆動コイルと、
前記駆動コイルに電流を流す電源部と、
前記駆動コイルと前記電源部とを電気的に接続する接続部と、
前記接続部の接続状態を変更する制御部とを備えたスターリング冷凍機であって、
前記駆動コイルは、第１コイル部、第２コイル部、および第３コイル部がこの順番で前記ピストンの往復運動方向に沿って並んで設けられており、
前記接続部は、電流が前記第１コイル部および前記第３コイル部に流れる通常状態と、前記第２コイル部にのみ流れる省電力状態とのそれぞれの接続状態に変更され得るものであり、
前記制御部は、前記接続部が前記通常状態となる第１制御および前記接続部が前記省電力状態となる第２制御のうちからいずれか１の制御を選択して実行する、スターリング冷凍機。
【請求項５】
前記第１コイル部および前記第３コイル部と前記第２コイル部とは、並列に接続されている、請求項３または４に記載のスターリング冷凍機。
【請求項６】
前記制御部は、
前記ピストンのストロークを算出する手段と、
前記ストロークが所定値より小さいか否かを判別する手段と、
前記ストロークが前記所定値以上である場合に前記第１制御を実行し、前記ストロークが前記所定値より小さい場合に、前記第２制御を実行する手段とを含む、請求項３または４に記載のスターリング冷凍機。
【請求項７】
往復運動するピストンと、
前記ピストンを駆動する駆動コイルと、
前記駆動コイルに電流を流す電源部と、
前記駆動コイルと前記電源部とを電気的に接続する接続部と、
前記接続部の接続状態を変更する制御部とを備えたスターリング冷凍機であって、
前記駆動コイルは、第１コイル部、第２コイル部、および第３コイル部がこの順番で前記ピストンの往復運動方向に沿って並んで設けられており、
前記接続部は、電流が前記第１コイル部、前記第２コイル部および前記第３コイル部の全てに流れる通常状態と、前記第１コイル部および前記第３コイル部にのみ流れる第１省電力状態と、前記第２コイル部にのみ流れる第２省電力状態とのそれぞれの接続状態に変更され得るものであり、
前記制御部は、前記接続部が前記通常状態となる第１制御、前記接続部が前記第１省電力状態となる第２制御、および前記接続部が前記第２省電力状態となる第３制御のうちからいずれか１の制御を選択して実行する、スターリング冷凍機。
【請求項８】
往復運動するピストンと、
前記ピストンを駆動するリニアモータの駆動コイルと、
前記駆動コイルに電流を流す電源部と、
前記駆動コイルと前記電源部とを電気的に接続する接続部と、
前記接続部の接続状態を変更する制御部とを備えたスターリング冷凍機であって、
前記駆動コイルは、第１コイル部、第２コイル部、および第３コイル部がこの順番で前記ピストンの往復運動方向に沿って並んで設けられており、
前記第２コイル部は、第１中央以外コイル部、中央コイル部、および第２中央以外コイル部がこの順番で並んで設けられており、
前記接続部は、電流が前記第１コイル部、前記第２コイル部および前記第３コイル部の全てに流れる通常状態と、前記第１中央以外コイル部、前記中央コイル部、および前記第２中央以外コイル部にのみ流れる第１省電力状態と、前記中央コイル部にのみ電流が流れる第２省電力状態とのそれぞれの接続状態に変更され得るものであり、
前記制御部は、前記接続部が前記通常状態となる第１制御と、前記接続部が前記第１省電力状態となる第２制御と、前記接続部が前記第２省電力状態とからなる第３制御のうちからいずれか１の制御を選択して実行する、スターリング冷凍機。
【請求項９】
前記制御部は、
前記ピストンのストロークを算出する手段と、
前記ストロークが所定値より小さい状態、前記ストロークが前記所定値以上かつ前記所定値よりも大きな特定値以下である状態、および前記ストロークが前記特定値より大きい状態からなる３つの状態のうちいずれの状態であるかを判別する手段と、
前記ストロークが前記特定値よりも大きい場合に、前記第１制御を実行し、前記ストロークが前記所定値以上かつ前記特定値以下である場合に、前記第２制御を実行し、かつ、前記ストロークが前記所定値よりも小さい場合に、前記第３制御を実行する手段とを含む、請求項７または８に記載のスターリング冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータが搭載されたスターリング冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、スターリング冷凍機は、シリンダ内に設けられたピストンと、そのピストンと所定の位相差を有しながら往復運動するディスプレーサとを有している。そのピストンおよびディスプレーサの往復運動によって作動媒体が圧縮または膨張される。それにより、スターリング冷凍機の内部に膨張空間と圧縮空間とが生じ、膨張空間で生成された冷熱が用いられて、冷気が生成される。
【０００３】
上記従来のスターリング冷凍機においては、ピストンのストロークが大きければ大きいほど冷凍能力が高くなる。したがって、大きな冷凍能力を必要としない場合には、ピストンのストロークを小さくする制御が行なわれている。
【特許文献１】特開平６−６２５０６号公報
【特許文献２】特開２０００−１５５９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ピストンのストロークが小さくなった場合においても、コイルの長さは一定である。したがって、たとえば、コイルの長さ方向の中央部にピストンの振幅の中心が位置する場合には、ピストンの振幅が非常に小さいときには、コイルの両端において発生する磁界はピストンの駆動に寄与しない。したがって、コイルの両端の近傍に流れている電流は無駄な電流となっている。
【０００５】
しかしながら、従来のスターリングエンジンにおいては、コイルの全長のうち電源部が発生した電流が流れる部分の長さを変更する手段がないため、コイルの両端において消費される電力は無駄なものとなっている。
【０００６】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コイルにおいて無駄な電力が消費されることが抑制されたスターリング冷凍機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の各局面のスターリング冷凍機は、往復運動するピストンと、ピストンを駆動するリニアモータの駆動コイルと、駆動コイルに交流電流を流す電源部と、駆動コイルと電源部とを電気的に接続する接続部と、接続部の接続状態を変更する制御部とを備えている。
【０００８】
本発明の一の局面のスターリング冷凍機は、接続部が駆動用コイルの通電部分を変更可能であり、制御部は接続部の接続状態を変更することによって駆動コイルの通電部分を変更する。
【０００９】
上記の構成によれば、必要に応じて駆動用コイルの通電部分を変更することができるため、スターリング冷凍機の消費電力の無駄を抑制することができる。
【００１０】
また、本発明の一の局面のスターリング冷凍機は、制御部が、ピストンのストロークを算出する手段と、ストロークに基づいて駆動コイルの通電部分を変更する手段とを含んでいる。
【００１１】
上記の構成によれば、ピストンのストロークに正確に対応して駆動用コイルの通電部分を変更することができる。
【００１２】
本発明の他の局面のスターリング冷凍機の駆動用コイルにおいては、第１コイル部、第２コイル部、および第３コイル部がこの順番でピストンの往復運動の方向に沿って並んで設けられている。また、接続部は、電流が第１コイル部、第２コイル部および第３コイル部に流れる通常状態と、電流が第２コイル部にのみ流れる省電力状態とのそれぞれの接続状態に変更され得るものである。また、制御部は、接続部が通常状態となる第１制御および接続部が省電力状態となる第２制御のうちからいずれか１の制御を選択して実行する。
【００１３】
上記の構成によれば、必要に応じて駆動用コイルの状態を通常状態から省電力状態へ変更することにより、使用しないコイル部において電力が無駄に消費されることを抑制することができる。
【００１４】
本発明のさらに他の局面のスターリング冷凍機の駆動用コイルにおいては、第１コイル部、第２コイル部、および第３コイル部がこの順番でピストンの往復運動の方向に沿って並んで設けられている。接続部は、その接続状態が、電流が第１コイル部および第３コイル部に流れる通常状態と、電流が第２コイル部にのみ流れる省電力状態とのそれぞれの接続状態に変更され得るものである。制御部は、接続部が通常状態となる第１制御および接続部が省電力状態となる第２制御のうちからいずれか１の制御を選択して実行する。
【００１５】
上記の構成によれば、前述の一および他の局面のスターリング冷凍機により得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００１６】
前述の他の局面およびさらに他の局面のスターリング冷凍機においては、第１コイル部および第３コイル部と第２コイル部とは、並列に接続されていることが望ましい。
【００１７】
第１コイル部および第３コイル部と第２コイル部とが並列に接続されていれば、第１コイル部、第２コイル部および第３コイル部の全てが直列に接続する場合に比較して、駆動用コイル全体に印加される電圧を小さくすることができる。
【００１８】
本発明の別の局面のスターリング冷凍機は、制御部が、ピストンのストロークを算出する手段と、ストロークが所定値より小さいか否かを判別する手段と、ストロークが所定値以上である場合に第１制御を実行し、ストロークが所定値より小さい場合に、第２制御を実行する手段とを含んでいる。
【００１９】
上記の構成によれば、ピストンのストロークの値に対応して第１制御と第２制御とを切り換えることができる。
【００２０】
本発明のさらに別の局面のスターリング冷凍機の駆動用コイルにおいては、第１コイル部、第２コイル部、および第３コイル部がこの順番でピストンの往復運動方向に沿って並んで設けられている。また、接続部は、電流が第１コイル部、第２コイル部および第３コイル部の全てに流れる通常状態と、電流が第１コイル部および第３コイル部にのみ流れる第１省電力状態と、電流が第２コイル部にのみ流れる第２省電力状態とのそれぞれの接続状態に変更され得るものである。制御部は、接続部が通常状態となる第１制御、接続部が第１省電力状態となる第２制御、および接続部が第２省電力状態となる第３制御のうちからいずれか１の制御を選択して実行する。
【００２１】
上記の構成によっても上記のスターリング冷凍機により得られる効果と同様の効果を得ることができる。また、駆動用コイルの状態を３段階の状態のうちのいずれか１の状態に切り換えることができるため、よりきめ細かくスターリング冷凍機の消費電力を削減することができる。
【００２２】
本発明の異なる局面のスターリング冷凍機の駆動用コイルにおいては、第１コイル部、第２コイル部、および第３コイル部がこの順番でピストンの往復運動の方向に沿って並んで設けられている。第２コイル部は、第１中央以外コイル部、中央コイル部、および第２中央以外コイル部がこの順番で並んで設けられている。接続部は、電流が第１コイル部、第２コイル部および第３コイル部の全てに流れる通常状態と、電流が第１中央以外コイル部、中央コイル部、および第２中央以外コイル部にのみ流れる第１省電力状態と、中央コイル部にのみ電流が流れる第２省電力状態とのそれぞれの接続状態に変更され得るものである。制御部は、接続部が通常状態となる第１制御と、接続部が第１省電力状態となる第２制御と、接続部が第２省電力状態となる第３制御のうちからいずれか１の制御を選択して実行する。
【００２３】
上記の構成によれば、前述の各局面のスターリング冷凍機により得られる効果に加えて、駆動用コイルの状態を３段階の状態のうちから選択された１つの状態にすることができるため、ピストンのストロークに対応して木目細かく、使用される駆動用コイルの状態を変化させることができる。その結果、より木目細かく、スターリング冷凍機の消費電極を低減することができる。
【００２４】
前述の異なる局面のスターリング冷凍機においては、制御部が、ピストンのストロークを算出する手段と、ストロークが所定値より小さい状態、ストロークが所定値以上特定値以下である状態、およびストロークが所定値よりも大きな特定値より大きい状態からなる３つの状態のうちいずれの状態であるかを判別する手段を備えている。また、制御部は、ストローク値が特定値よりも大きい場合に、第１制御を実行し、ストロークが所定値以上かつ特定値以下である場合に、第２制御を実行し、かつ、ストロークが所定定値よりも小さい場合に、第３制御を実行する手段を備えている。
【００２５】
上記の構成によれば、ピストンのストロークの値に対応して第１制御、第２制御および第３制御のうちからいずれか１の制御を選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
まず、実施の形態の冷却庫に用いられるスターリング冷凍機を説明する。
【００２７】
図１は、実施の形態のスターリング冷凍機４０を示す断面図である。スターリング冷凍機４０においては、２つの部分で構成されている円筒形状のシリンダ３内に、円柱形のピストン１およびディスプレーサ２が嵌め込まれている。ピストン１とディスプレーサ２とは、圧縮空間９を介して設けられ、共通の駆動軸として軸Ｙを有している。
【００２８】
ディスプレーサ２の先端側に膨張空間１０が形成されている。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を介して連通している。媒体流通路１１内には、再生器１２が設けられている。再生器１２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。シリンダ３の略中間には鍔部（フランジ）３ａが設けられている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられることによって密閉されたバウンス空間（背面空間）８が形成されている。
【００２９】
ピストン１は後端側で支持バネ５と一体化されている。ディスプレーサ２はピストン１の中心孔１ａを貫通するロッド２ａを介して支持バネ６と一体化されている。支持バネ５と支持バネ６とはボルトおよびナット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、ピストン１とディスプレーサ２との間に生じる慣性力によって、ピストン１に対して所定の位相差を有する状態で往復運動を行な
う。
【００３０】
バウンス空間８内のシリンダ３の外側には内側ヨーク１８が嵌め込まれている。内側ヨーク１８には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対向している。外側ヨーク１７の内側には駆動用コイル１６が嵌め込まれている。隙間１９には環状の永久磁石１５が移動可能に設けられている。永久磁石１５はカップ状のスリーブ１４を介してピストン１と一体化されている。内側ヨーク１８、外側ヨーク１７、駆動用コイル１６、および永久磁石１５によって、ピストン１を軸Ｙに沿って移動させるリニアモータ１３が構成されている。
【００３１】
駆動用コイル１６には、リード線２０，２１，２２，２３が接続されている。この４本のリード線のうち２本のリード線が、後述するタップ切換リレー５０の切換動作によって選択されて使用される。また、本実施の形態においては、リード線２０，２１，２２，２３からなる４本のリード線が用いられているが、後述する各実施の形態においては、タップ切換リレー５０の種類に応じて、３本または６本のリード線が用いられる。ただし、リード線の数は、実施の形態に記載されている数に限定されず、タップ切換リレーの形態に応じて、適宜変更され得るものである。リード線２０，２１，２２，２３は、耐圧容器４の壁面を貫通し、制御ボックス３０に接続されている。制御ボックス３０によってリニアモータ１３に駆動電力が供給される。
【００３２】
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、ピストン１に対して所定の位相差を有する状態でディスプレーサ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する。その結果、逆スターリングサイクルが形成される。
【００３３】
図２は、制御ボックス３０とスターリング冷凍機４０との電気的な接続の状態を示す図である。スターリング冷凍機４０の外側面には、膨張空間１０の温度Ｔｃを検知する温度センサ３４、圧縮空間９の温度Ｔｈを検知する温度センサ３５、および、バウンス空間８の温度Ｔｂを検知する温度センサ３６が取り付けられている。
【００３４】
制御ボックス３０には、温度センサ３４の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換するＴｃＡ／Ｄ変換部１０８、温度センサ３５の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換するＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、温度センサ３６の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換するＴｂＡ／Ｄ変換部１１０が設けられている。また、リード線２０，２１，２２，２３を介してハーメチックシール端子３７にはリニアモータ駆動用電圧出力部１０１が接続されている。リニアモータ駆動用電圧出力部１０１は、リニアモータ１３の駆動電圧を出力する。リニアモータ駆動用電圧出力部１０１および電流センサ３０は、タップ切換リレー５０に接続されている。タップ切換リレー５０には、４本のリード線２０，２１，２２，２３が接続されている。このタップ切換リレー５０については後で詳細に説明する。
【００３５】
図３は、制御ボックス３０の更に詳細を示すブロック図である。制御ボックス３０には、各種演算等を行なうマイクロコンピュータ１０４が設けられる。マイクロコンピュータ１０４には、制御ボックス３０の各部に電源を供給する電源部１０５が接続されている。
【００３６】
また、マイクロコンピュータ１０４には、電圧値入力部１０２が接続されている。電圧値入力部１０２は、電源部１０５の入力電圧を検出する電圧センサ（図示せず）の検出値をアナログ情報からデジタル情報へ変換された状態で受け入れる。また、マイクロコンピュータ１０４には、リニアモータ１３の電流を検出する電流センサ３３の検出値がアナログ情報からデジタル情報へ変換されたものが入力される電流値入力部１０３が接続されている。さらに、制御ボックス３０をリセットするリセット部１０６、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバーター波形を生成するための発振部１０７、および書換可能な不揮発性記憶素子（ＥＥＰＲＯＭ：Erectric Erasable Programable Read Only Memory）からなる記憶部１１１がマイクロコンピュータ１０４に接続されている。
【００３７】
この記憶部１１１には、少なくとも各スターリング冷凍機４０に応じた、入力電圧と出力との関係が記憶されている。図１に示したようなフリーピストン型のスターリング冷凍機４０においては、ディスプレーサ２がピストン１の往復運動に基づく圧縮空間９および膨張空間１０の圧力変動に起因して往復運動する。そのため、媒体流通路１１を通過する冷媒の流動抵抗の変化等に起因して、入力電圧に対するディスプレーサ２の移動量がスタ
ーリング冷凍機４０ごとにばらつく傾向がある。このばらつきが生じるということは、一定の入力電圧を複数のスターリング冷凍機のそれぞれに与えた場合においても、スターリング冷凍機の出力が異なってしまうということを意味する。
【００３８】
そこで、各スターリング冷凍機の出力を正確に制御するために、スターリング冷凍機に応じた入力電圧と出力との関係を数値データとして算出するとともに、その数値化されたデータを記憶部１１１に記憶させる。それにより、マイクロコンピュータ１０４は、前述の関係を示す数値化されたデータを用いてリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力される電圧をコントロールする。
【００３９】
後述するように、電圧値入力部１０２からマイクロコンピュータ１０４へ入力されたデータに応じてマイクロコンピュータ１０４から電源部１０５へ制御信号が送信される。これにより、電源部１０５の出力電圧が制御される。また、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１は、マイクロコンピュータ１０４の制御によって電源部１０５の出力電圧をＰＷＭインバータ波形に変換するとともに、その変換されたＰＷＭインバータ波形の電圧をリニアモータ１３に供給する。
【００４０】
図４は、マイクロコンピュータ１０４の内部構成を示すブロック図である。マイクロコンピュータ１０４内には、制御プログラムが記憶された読出し専用のＲＯＭ１２１、演算の一時記憶を行なうＲＡＭ１２２、運転時間等を計時するタイマ１２３、および入出力用のＩ／Ｏポート１２５がＣＰＵ１２４に接続されている。ＣＰＵ１２４がＲＯＭ１２１から読出した制御プログラムを実行することにより、スターリング冷凍機４０の制御が行なわれる。
【００４１】
上述の本実施の形態のスターリング冷凍機４０は、所定の交流波形の駆動電圧がリニアモータ１３に印加されると、ピストン１がその所定の交流波形の駆動電圧に対応した周期およびストロークで往復運動を行なう。したがって、リニアモータ１３に印加される駆動電圧を制御することにより、ピストン１の往復運動の周期およびストロークを制御することが可能である。
【００４２】
次に、上記本実施の形態のフリーピストン型スターリング冷凍機の動作原理をより詳細に説明する。
【００４３】
ピストン１は、リニアモータ１３により駆動される。ピストン１は、支持バネ５に弾性的に支持されている。そのため、ピストン１は、その位置と時間との関係が正弦波を描くように運動する。また、ピストン１の動きにより、圧縮空間９内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。圧縮空間９内で圧縮された作動ガスは、まず、放熱用熱交換部としての圧縮空間９から熱を放出する。次に、圧縮された作動ガスは、ディスプレーサ２の周囲に設けられた再生器１２で冷却される。その後、圧縮された作動ガスは、再生器１２から吸熱用熱交換部としての膨張空間１０へ流入する。
【００４４】
膨張空間１０の作動ガスは、ディスプレーサ２の動きにより膨張する。膨張した作動ガスは、その温度が低下する。膨張空間１０内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。膨張空間１０内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波は、圧縮空間９内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波に対して、所定の位相差を有する波形であるが、同じ周期で変化する波形である。すなわちディスプレーサ２はピストン１に対して所定の位相差を有する状態で往復運動する。
【００４５】
膨張空間１０における冷凍能力は、ディスプレーサ２の往復運動によって生じる膨張空間１０内の作動ガスの圧力の変動の度合いによって決定される。また、膨張空間１０の圧力は、ピストン１の位相とディスプレーサ２の位相との変化、すなわち膨張空間１０の圧力と圧縮空間９の圧力との差によって生じるディスプレーサ２とピストン１との相対的な位置の変化によって変動する。
【００４６】
ディスプレーサ２とピストン１との相対的な位置関係は、ディスプレーサ２の質量、支持バネ６のバネ定数およびピストン１の周波数により決定される。また、ディスプレーサ２の質量および支持バネ６のバネ定数は、設計時に決定されるものであり、これを運転時に変更することはできない。
【００４７】
そこで、本実施の形態のスターリング冷凍機４０においては、図３に示すインバータ波形を出力する制御ボックス３０（この内部には、電流センサ３３を内蔵している。）と、スターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部としての膨張空間１０の温度を測定するためのサーミスタ回路（Ｔｃサーミスタ）と、放熱用熱交換部としての圧縮空間９の温度を測定するためのサーミスタ回路（Ｔｈサーミスタ）と、バウンス空間８の温度を測定するためのサーミスタ回路（Ｔｂサーミスタ）とが設けられている。
【００４８】
なお、本実施の形態および後述する各実施の形態においては、上記制御ボックス３０内のマイクロコンピュータ１０４が、ＴｃＡ／Ｄ変換部１０８、ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、およびＴｂＡ／Ｄ変換部１１０のそれぞれを介して得られた各サーミスタ回路の情報および電流センサ３３の情報、電圧測定回路１１２等を用いて、ピストン１を駆動するための駆動電圧をリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力する。
【００４９】
マイクロコンピュータ１０４から出力される電圧波形は、デジタル信号すなわちパルス波形である。このパルス波形をリニアモータ駆動用電圧出力部１０１においてアナログ信号すなわち正弦波に変換する。この正弦波の周波数が、スターリング冷凍機４０のピストン１の周波数になる。
【００５０】
なお、デジタル信号をアナログ信号に変換するときには、上述したようにＰＷＭが用いられる。つまり、マイクロコンピュータ１０４から順次出力される複数のパルスは、その幅が、小さいものから大きなものへと除々に変化し、ピークの幅になった後、除々に小さなものへと戻っていくように構成されている。それにより、交流波形が生成される。
【００５１】
次に、リニアモータ１３のピストン１のスロークＸを制御する方法について説明する。
【００５２】
まず、制御ボックス３０の定常時の駆動状態について図５および図６を用いて説明をする。図５は、定常時においてリニアモータ１３に印加される電圧Ｖ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に流れる電流Ｉ、リニアモータ１３の駆動用コイル１６に発生する誘起電圧Ｅ、及び、ピストン１の変位Ｔの関係を示した図である。図６は、リニアモータ１３の等価回路図である。また、図６に示すように、誘起電圧Ｅによって生じる電流Ｉの流れの方向と、印加電圧Ｖによって生じる電流の流れの方向とは逆である。
【００５３】
図５に示すように、電流Ｉは、リニアモータ１３のインダクタンス（図６に示すＬ）の影響で、印加電圧Ｖよりもθだけ位相が遅れている。ここで、リニアモータ１３に作用する推力の大きさは、電流Ｉの値に推力定数αを乗じた値となる。また、図６に示す等価回路図から分かるように、誘起電圧Ｅは、次の式（４）で表される。
【００５４】
Ｅ＝Ｖ−Ｒ×Ｉ×ｃｏｓθ−Ｌ×ｓｉｎθ×（ｄＩ／ｄｔ）・・・（４）
したがって、モータ巻線抵抗Ｒが予め分かっていれば、電圧Ｖと、電流Ｉとを用いて誘起電圧Ｅを計算することができる。なお、位相差θは、電圧Ｖがピーク時の位相の値と電流Ｉがピークの時の位相の値との差を算出することによって得られる。
【００５５】
本実施の形態においては、ピストン１のストロークＸは、次のように算出される。
【００５６】
ピストンの速度の最大値ｖは、ｖ＝Ｅ／αで表される。このピストンの速度の最大値ｖ、推力定数αおよび角速度ｗを用いて、ピストンの振幅Ｔを表すと、Ｔ＝ｖ／ｗ＝Ｅ／（ｗ・α）＝［Ｖ−Ｒ×Ｉ×Ｃｏｓθ−Ｌ×Ｓｉｎθ×（ｄＩ／ｄｔ）］／（ｗ・α）となる。
【００５７】
ストロークＸは振幅Ｔの２倍であり、また、角速度ｗは周波数ｆを用いて表すとｗ＝２×π×ｆであるため、次の式（５）によってピストン１のストロークＸが算出される。
【００５８】
Ｘ＝２×［Ｖ−Ｒ×Ｉ×Ｃｏｓθ−Ｌ×Ｓｉｎθ×（ｄＩ／ｄｔ）］／（２×π×ｆ×α）・・・（５）
このように、位相差θ、モータ巻線抵抗Ｒ、電圧Ｖ、電流Ｉ、周波数ｆ、および推力定数αが分かっていれば、ストロークＸを算出することができる。
【００５９】
なお、前述のストロークＸの算出方法は、特開２００３−３１４９１９号公報および特開２００３−６５２４４号公報により詳細に開示されている。
【００６０】
以下、図７〜図９を用いて、本実施の形態のスターリング冷凍機４０の駆動用コイル１６の接続部の状態を変更するための処理を説明する。なお、以降に説明する各実施の形態においては、ピストン１のストロークＸの中心位置は、図１の駆動用コイル１６の軸Ｙ方向の中心位置と一致するものとする。すなわち、ピストン１は、駆動用コイル１６の長さ方向（ピストン１の往復運動の方向）の中心位置（駆動用コイル１６の巻き方が一定の場合における駆動用コイル１６の長さの１／２の位置）を基位置準として、一の方向と他の方向とに同じ距離だけ移動する往復運動を繰り返す。
【００６１】
図７は、実施の形態１の駆動用コイル１６の全体構成を示す図である。駆動用コイル１６は、第１コイル部１６ａ、第２コイル部１６ｂおよび第３コイル部１６ｃがこの順番で並んで設けられている。ピストン１は、３つのコイル部内を３つのコイル部が並んでいる方向に往復運動する。また、図７に示す駆動用コイル１６を具現化すると図８に示すような構造となる。第１コイル部１６ａの端部にはタップ１０６ａが設けられている。第１コイル部１６ａと第２コイル部１６ｂとの間にはタップ１０６ｂが設けられている。第２コイル部１６ｂと第３コイル部１６ｃとの間にはタップ１０６ｃが設けられている。第３コイル部１６ｃの端部には、タップ１０６ｄが設けられている。
【００６２】
４つのタップ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄは、それぞれ、配線を介してタップ切換リレー５０に接続されている。タップ切換リレー５０は、制御ボックス３０によって制御されて磁界を発生させるコイル３００と、コイル３００による磁界の発生によってＯＮ／ＯＦＦの状態が切換わるレバー４００ａおよび４００ｂとを備えている。
【００６３】
コイル３００に電流が流れるように制御ボックス３０が制御信号をタップ切換リレー５０へ送信すると、レバー４００ａおよびレバー４００ｂのそれぞれはＯＦＦの状態からＯＮの状態へ変化する。レバー４００ａおよびレバー４００ｂがＯＮ状態になれば、第２コイル部１６ｂにのみ電流が流れる。したがって、ピストン１のストロークＸが小さいときには、レバー４００ａおよびレバー４００ｂをＯＦＦ状態からＯＮ状態へ切換えることによって、第２コイル部１６ｂのみを用いてピストン１を駆動させることが可能である。
【００６４】
また、ピストン１のストロークＸが大きい場合には、制御ボックス３０は、タップ切換リレー５０へ制御信号を送信し、レバー４００ａおよびレバー４００ｂのそれぞれをＯＦＦの状態に切り換えることが可能である。これにより、第１コイル部１６ａ、第２コイル部１６ｂおよび第３コイル部１６ｃは、直列に接続されているため、第３コイル部１６ａ、第２コイル部１６ｂおよび第３コイル部１６ｃのそれぞれに、電源部としての制御ボックス３０から供給された電流が流れる。その結果、駆動用コイル１６のうち電流が流れる部分の長さは、大きなストロークＸで往復運動するピストン１に対応したものとなる。
【００６５】
図９は、図８に示す駆動用コイル１６の状態を切換えるときに実行されるコイル切換処理（１）を説明するためのフローチャートである。
【００６６】
図９に示すコイル切換処理（１）においては、まず、Ｓ８１において、電流波形のピークの位相と電圧波形のピークの位相との差である位相差θが算出される。次に、Ｓ８２において、図３に示す電流センサ３３を用いて電流Ｉが検出される。その後、Ｓ８３において、電圧Ｖが図３に示す電圧測定回路１１２を用いて算出される。次に、Ｓ８４において、位相差θ、電圧Ｖ、電流Ｉ、およびモータ巻線抵抗Ｒを用いて、誘起電圧Ｅが算出される。その後、Ｓ８５においては、ストロークＸｐＡが前述の（５）式：Ｘ＝２×［Ｖ−Ｒ×Ｉ×ｃｏｓθ−Ｌ×ｓｉｎθ×（ｄＩ／ｄｔ）］／（２×π×ｆ×α）を用いて算出される。
【００６７】
Ｓ８６においては、ピストン１の現在のストロークＸｐＡが所定値Ｋよりも小さいか否かが判別される。Ｓ８６において、ピストン１の現在のストロークＸｐＡが、所定値Ｋよりも小さければ、Ｓ８７の処理が実行される。
【００６８】
Ｓ８７においては、電磁スイッチすなわちタップ切換リレー５０がＯＮの状態になっているか否かが判別される。Ｓ８７において、タップ切換リレー５０がＯＮの状態であると判定されればタップ切換リレー５０の状態を変更する必要がないため、Ｓ８１の処理が再度実行される。
【００６９】
また、Ｓ８７において、タップ切換リレー５０がＯＮの状態になっていると判定されればＳ８８の処理が実行される。Ｓ８８においては、タップ切換リレー５０をＯＦＦからＯＮの状態へ切換えるための処理が実行される。すなわち、コイル３００に制御信号が送信され、レバー４００ａおよび４００ｂのそれぞれがＯＦＦの状態からＯＮの状態へ変化する。その後、Ｓ８１の処理が実行される。また、Ｓ８６において、ピストン１の現在のストロークＸｐＡが指定値Ｋ以上であると判定されれば、Ｓ８９の処理が実行される。Ｓ８９においては、電磁スイッチすなわちタップ切換リレー５０がＯＦＦの状態となっているか否かが判別される。
【００７０】
Ｓ８９において、タップ切換リレー５０が既にＯＦＦの状態になっていると判定されればＳ８１の処理が再度実行される。また、Ｓ８９において、タップ切換リレー５０がＯＦＦの状態になっていると判定されればＳ９０の処理が実行される。Ｓ９０におていは、タップ切換リレー５０をＯＮの状態からＯＦＦの状態へ切換える処理が行なわれる。その後、Ｓ８１の処理が実行される。
【００７１】
上記のような構成の本実施の形態のリニアモータ１３のタップ切換動作によれば、Ｓ８６の処理において、制御ボックス３０は、ピストン１のストロークＸが所定値Ｋよりも小さいと判定されたときには第２コイル部１６ｂのみを用いてピストン１を駆動させ、ピストン１のストロークＸが所定値Ｋ以上になっていれば、第１コイル部１６ａ、第２コイル部１６ｂ、および第３コイル部１６ｃの全てを用いて、ピストン１を駆動させる。したがって、ピストン１のストロークＸに応じて必要なコイル部のみが使用されるため、不必要なコイル部を使用してピストン１の駆動に寄与しない無駄な磁界が生成されることがない。その結果、スターリング冷凍機４０において無駄な消費電力の発生を抑制することが可能となる。
【００７２】
また、タップ切換リレー５０の状態をＯＮ状態にするかＯＦＦ状態にするかは、ピストン１の現在のストロークＸの値に応じて決定される。そのため、ピストン１のストロークＸの大きさと使用される駆動用コイル１６の電流が流れる部分の長さとが対応したものとなる。その結果、消費電力の無駄の抑制を適正に行うことが可能となる。
【００７３】
なお、ピストン１のストロークＸの代わりに、スターリング冷凍機４０の冷凍能力を用いて、タップ切換リレー５０の状態を変更するか否かが判別されてもよい。この場合、Ｓ８１〜Ｓ８５のステップにおいて、スターリング冷凍機４０の冷凍能力が算出され、Ｓ８６のステップにおいて、冷凍能力が所定値より小さいか否かを判別することによって、Ｓ８７のステップが実行されるか、または、Ｓ８９のステップが実行されるかが決定される。ピストン１のストロークＸとスターリング冷凍機４０の冷凍能力とはほぼ対応するため、この手法によっても駆動用コイル１６での無駄な消費電力の発生を抑制することができる。
【００７４】
また、冷凍能力を算出する手法としては、放熱用熱交換部の温度Ｔｈおよび吸熱用熱交換部の温度Ｔｃのそれぞれの値を制御ボックス３０が取得し、予め実験により得られた冷凍能力の値が記憶されたデータテーブルから、温度Ｔｈの値および温度Ｔｃの値によって特定される冷凍能力の値を取得する手法などが考えられる。なお、スターリング冷凍機４０の冷凍能力は、たとえば、スターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部が伝熱ヒータで熱っせられた状態で、温度センサ３４の温度が−４０℃であり、かつ、温度センサ３５の温度が１０℃となるようにスターリング冷凍機４０を運転したときの、スターリング冷凍機４０の消費電力に対する伝熱ヒータの消費電力の比である。
【００７５】
また、本実施の形態のスターリング冷凍機４０は、往復運動するピストン１とピストン１の動作に従って動くディスプレーサ２とにより冷凍サイクルが形成されるものであり、かつ、制御ボックス３０の制御によって、ピストン１とディスプレーサ２とがほぼ一定の共振周波数で駆動されるものである。このスターリング冷凍機４０によれば、ピストン１のストロークＸと冷凍能力とがほぼ比例関係にある。そのため、冷凍能力の値を算出することによって、ピストン１のストロークＸの値を推定することができる。
【００７６】
（実施の形態２）
図１０および図１１に示す本実施の形態のスターリング冷凍機は、実施の形態１のスターリング冷凍機とほぼ同様である。したがって、本実施の形態のスターリング冷凍機に関しては、実施の形態１のスターリング冷凍機と異なる部分についてのみ説明がなされる。
【００７７】
本実施の形態のリニアモータ１３に設けられる駆動用コイル１６は、図１０および図１１に示すように、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅ、および第３コイル部１６ｆがこの順番に並んで設けられかつ直列に接続されていることは実施の形態１の駆動用コイル１６と同様であるが、電流が流れる順序が第１コイル部１６ｄ、第３コイル部１６ｆ、および第２コイル部１６ｅの順またはその逆であることが、実施の形態１の駆動用コイルと異なる。
【００７８】
ただし、本実施の形態の駆動用コイル１６は、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅ、および第３コイル部１６ｆのそれぞれ内をピストン１が往復運動すること、および、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅ、および第３コイル部１６ｆのそれぞれに同じ向きに電流が流れることに関しては、実施の形態１の駆動用コイル１６と同様である。
【００７９】
また、本実施の形態の駆動用コイル１６においては、第１コイル部１６ｄの端部にはタップ１０６ｄが設けられている。第２コイル部１０６ｅの両端にはタップ１０６ｅおよび１０６ｆが設けられている。
【００８０】
また、タップ１０６ｄおよびタップ１０６ｅのそれぞれは、配線を介してタップ切換リレー５０に接続されている。タップ切換リレー５０とタップ１０６ｆとは、交流電源として機能する制御ボックス３０に接続されている。タップ切換リレー５０は、コイル３００とレバー４００とからなる。
【００８１】
本実施の形態においては、前述の実施の形態１の図９に示すコイル切換処理（１）と同様のタップ切換リレー５０の制御によって、コイル３００に電流が流れ、タップ切換リレー５０がＯＮ状態になった場合には、第２コイル部１６ｅにのみ交流電流が流れる。また、タップ切換リレー５０がＯＦＦ状態となった場合には、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅおよび第３コイル部１６ｆの全てに交流電流が流れる。
【００８２】
したがって、ピストン１のストロークが大きい場合には、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅおよび第３コイル部１６ｆの全てが用いられてピストン１が駆動され、一方、ピストン１のストロークが小さいときには、第２コイル部１６ｅのみが用いられてピストン１が駆動される。
【００８３】
つまり、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、ピストン１のストロークに応じて用いられる駆動用コイル１６の電流が流れる部分の長さを変化させることができるため、極力消費電力の無駄を防止することができる。また、本実施の形態のスターリング冷凍機によれば、タップ切換リレー５０が１つで済むため、実施の形態１に比較して、タップを１つ少なくすることができる。
【００８４】
（実施の形態３）
図１２に示す本実施の形態のスターリング冷凍機は、実施の形態２のスターリング冷凍機とほぼ同様である。したがって、本実施の形態のスターリング冷凍機に関しては、実施の形態１のスターリング冷凍機と異なる部分についてのみ説明がなされる。
【００８５】
前述の実施の形態２の図１１に示す駆動用コイルの接続部においては、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅ、および第３コイル部１６ｆが直列に接続される手法が示されている。しかしながら、本実施の形態のスターリング冷凍機４０においては、図１２に示すように、第１コイル部１６ｄと第３コイル部１６ｆとが直列に接続され、かつ第１コイル部１６ｄおよび第３コイル部１６ｆと第２コイル部１６ｅとが並列に接続されている。また、タップ１０６ｅは、タップ切換リレー５０と接続されるとともに、制御ボックス３０にも直接接続されている。
【００８６】
このような駆動用コイル１６によっても、制御ボックス３０は、前述の実施の形態１の図９に示すコイル切換処理（１）と同様のタップ切換リレー５０の制御によって、第２コイル部１６ｅにのみ電流が流れる状態と、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅ、および第３コイル部１６ｆの全てに電流が流れる状態とを選択することが可能になる。
【００８７】
また、本実施の形態の駆動用コイル１６のように、第１コイル部１６ｄおよび第３コイル部１６ｆと第２コイル部１６ｅとが並列に接続される場合には、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅおよび第３コイル部１６ｆを直列に接続する実施の形態１および２の駆動用コイル１６に比較して、駆動用コイル１６全体に印加される電圧を小さくすることができる。
【００８８】
（実施の形態４）
図１３に示す本実施の形態のスターリング冷凍機は、実施の形態３のスターリング冷凍機とほぼ同様である。したがって、本実施の形態のスターリング冷凍機に関しては、実施の形態１のスターリング冷凍機と異なる部分についてのみ説明がなされる。
【００８９】
前述の実施の形態３の図１２に示す駆動用コイル１６のタップ切換リレー５０は１つのみ用いられている。しかしながら、本実施の形態の駆動用コイル１６においては、図１３に示すように、タップ切換リレー５０ａおよび５０ｂの２つが用いられている。
【００９０】
この場合、タップ切換リレー５０ａは、レバー４００ａとコイル３００ａとを有している。また、タップ切換リレー５０ｂは、レバー４００ｂとコイル３００ｂとを有している。この図１３に示すタップ切換リレー５０によっても、タップ切換リレー５０ａおよびタップ切換リレー５０ｂのそれぞれがＯＮの状態であれば、第２コイル部１６ｅにのみ交流電流が流れる。また、タップ切換リレー５０ａおよびタップ切換リレー５０ｂのそれぞれがＯＦＦの状態の場合には、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅおよび第３コイル部１６ｆの全てに交流電流が流れる。
【００９１】
その結果、制御ボックス３０は、前述の実施の形態１の図９に示すコイル切換処理（１）と同様のタップ切換リレー５０の制御によって、第１コイル部１６ｄ、第１コイル部１６ｅおよび第３コイル部１６ｆの全てに電流が流れる状態と第２コイル部１６ｅにのみ電流が流れる状態とを選択することが可能である。
【００９２】
なお、本実施の形態においては、制御ボックス３０は、前述の２つの状態以外に、第１コイル部１０６ｄおよび第３コイル部１０６ｆにのみ電流が流れる他の状態を選択することが可能である。他の状態は、タップ切換リレー５０ａがＯＦＦの状態になり、タップ切換リレー５０ｂがＯＮの状態になる状態である。
【００９３】
したがって、本実施の形態の駆動用コイル１６は、図１３に示すように、タップ切換リレー５０ｂおよびタップ切換リレー５０ａの状態を変化させることによって、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅ、および第３コイル部１６ｆの全てに電流が流れる通常状態、第１コイル部１６ｄおよび第３コイル部１６ｆにのみ電流が流れる第１省電力状態、および第２コイル部１６ｅにのみ電流が流れる第２省電力状態からなる３つ状態のうちいずれか１の状態に変化することが可能である。
【００９４】
次に、図１３に示す本実施の形態の駆動用コイル１６のコイル切換処理（２）を図１４に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００９５】
本実施の形態の図１４に示すコイル切換処理（２）においては、まず、Ｓ１８１〜Ｓ１８５において、図９に示す実施の形態１のコイル切換処理（２）のＳ８１〜Ｓ８５と全く同様の処理が実行される。次に、Ｓ１８６においては、ピストン１の現在のストロークＸｐＡが所定値Ｋよりも小さいか否かが判別される。Ｓ１８６において、ピストン１の現在のストロークＸｐＡが、所定値Ｋよりも小さいと判定されれば、Ｓ１８７の処理が実行される。
【００９６】
Ｓ１８７においては、タップ切換リレー５０が第２省電力状態になっているか否かが判別される。Ｓ１８７において、タップ切換リレー５０が第２省電力状態であると判定されればタップ切換リレー５０の状態を変更する必要がないため、Ｓ１８１の処理が再度実行される。また、Ｓ１８７において、タップ切換リレー５０が第２省電力状態以外の状態すなわち通常状態または第１省電力状態となっていると判定されればＳ１８８の処理が実行される。Ｓ１８８においては、タップ切換リレー５０を通常状態または第１省電力状態から第２省電力状態へ切換えるための処理が実行される。その後、Ｓ１８１の処理が実行される。
【００９７】
また、Ｓ１８６において、現在のストロークＸｐＡが所定値Ｋ（たとえば、３ｍｍ）以上であると判定されれば、Ｓ１８９の処理が実行される。Ｓ１８９において、ピストン１の現在のストロークＸｐＡが所定値Ｋより大きな特定値Ｔ（特定値Ｔは、所定値Ｋより大きな値であればよく、たとえば、所定値Ｋ＋１ｍｍが用いられる）より大きいか否かが判別される。Ｓ１８９において、現在のストロークＸｐＡが特定値Ｔより大きいと判定されれば、Ｓ１９０の処理が実行される。Ｓ１９０においては、タップ切換リレー５０が通常状態になっているか否かが判別される。Ｓ１９０において、タップ切換リレー５０が通常状態となっていると判定されればＳ１８１の処理が再度実行される。
【００９８】
また、Ｓ１９０において、タップ切換リレー５０が通常状態となっていないと判定されれば、すなわちタップ切換リレー５０が第１省電力状態または第２省電力状態となっていると判定されればＳ１９０の処理が実行される。Ｓ１９０においては、タップ切換リレー５０を第１省電力状態または第２省電力状態から通常状態へ切換える処理が行なわれる。その後、Ｓ１８１の処理が実行される。
【００９９】
また、Ｓ１８９において、現在のストロークＸｐＡが特定値Ｔ以下であると判定されれば、Ｓ１９２において、タップ切換リレー５０が第１省電力状態になっているか否かが判別される。Ｓ１９２において、タップ切換リレー５０が第１省電力状態であると判定されればタップの状態を切換る必要がないため、Ｓ１８１の処理が実行される。Ｓ１９２において、タップ切換リレー５０が第１省電力状態となっていると判定されればＳ１９３においてタップ切換リレー５０を通常状態または第２省電力状態から第１省電力状態へ切換る制御が実行された後、Ｓ１８１の処理が実行される。
【０１００】
上記のような構成の本実施の形態のリニアモータのタップ切換動作によれば、制御ボックス３０は、ピストン１のストロークＸが所定値Ｋよりも小さいときには第２コイル部１６ｅのみを用いてピストン１を駆動させる。また、制御ボックス３０は、ピストン１のストロークＸが所定値Ｋ以上特定値Ｔ以下になっていれば、第１コイル部１６ｄおよび第１コイル部１６ｆのみを用いて、ピストン１を駆動させる。さらに、制御ボックス３０は、ピストン１のストロークＸが特定値Ｔ以上になっていれば、第１コイル部１６ｄ、第２コイル部１６ｅ、および第３コイル部１６ｆの全てを用いて、ピストン１を駆動させる。したがって、ピストン１のストロークＸに応じて必要なコイル部のみが使用されるため、不必要なコイル部を使用してピストン１の駆動に寄与しない無駄な磁界を生成することがない。その結果、スターリング冷凍機４０の消費電力を削減することが可能となる。
【０１０１】
また、タップ切換リレー５０を動作させるか否かは、ピストン１のストロークＸの大きさに基づいて決定されるため、ピストン１のストロークＸの大きさと使用される駆動用コイル１６の状態とが対応したものとなる。その結果、より正確に消費電力の無駄を防止することができる。
【０１０２】
（実施の形態５）
本実施の形態のスターリング冷凍機は、実施の形態１のスターリング冷凍機とほぼ同様である。したがって、本実施の形態のスターリング冷凍機に関しては、実施の形態１のスターリング冷凍機と異なる部分についてのみ説明がなされる。
【０１０３】
本実施の形態のスターリング冷凍機の駆動用コイル１６においては、図１５に示すように、第１コイル部１６ｇは、１つのコイル部からなり、第２コイル部は、第１中央以外コイル部１６ｈ、中央コイル部１６ｉおよび第２中央以外コイル部１６ｊからなり、かつ第３コイル部１６ｋは、１つのコイル部からなっている。また、図１５に示すように、第１コイル部１６ｇの端部にはタップ１０６ｇが設けられている。第１コイル部１６ｇと第１中央以外コイル部１６ｈとの間にはタップ１０６ｈが設けられている。第１中央以外コイル部１６ｈと中央コイル部１６ｉとの間にはタップ１０６ｉが設けられている。中央コイル部１６ｉと第２中央以外コイル部１６ｊとの間にはタップ１０６ｊが設けられている。第２中央以外コイル部１６ｊと第３コイル部１６ｋとの間にはタップ１０６ｋが設けられている。第３コイル部１６ｋの端部には、タップ１０６ｌが設けられている。
【０１０４】
６つのタップ１０６ｇ，１０６ｈ，１０６ｉ，１０６ｊ，１０６ｋ，１０６ｌは、それぞれ、配線を介してタップ切換リレー５０に接続されている。タップ切換リレー５０においては、制御ボックス３０の制御によって、レバー４００ａおよび４００ｂのそれぞれの状態が変化する。それにより、タップ切換リレー５０は、レバー４００ｂがタップ１０６ｇに接続され、かつ、レバー４００ａがタップ１０６ｌに接続される通常状態、レバー４００ｂがタップ１０６ｈに接続され、かつ、レバー４００ａがタップ１０６ｋに接続される第１省電力状態、およびレバー４００ｂがタップ１０６ｉに接続され、かつ、レバー４００ａがタップ１０６ｊに接続される第２省電力状態からなる３つの状態のうちいずれか１の状態に変化することが可能である。
【０１０５】
つまり、タップ切換リレー５０は、第１コイル部１６ｇ、第２コイル部１６ｈ，１６ｉ，１６ｊ、および第３コイル部１６ｋの全てに電流が流れる通常状態、第２コイル部１６ｈ，１６ｉ，１６ｊにのみ電流が流れる第１省電力状態、および第２コイル部１６ｈ，１６ｉ，１６ｊのうち中央コイル部１６ｉにのみ電流が流れる第２省電力状態からなる３つの状態のうちのいずれか１の状態に変化することが可能である。
【０１０６】
前述のような駆動用コイル１６を有するスターリング冷凍機４０によれば、制御ボックス３０は、ピストン１のストロークＸが小さいときには、タップ切換リレー５０が通常状態になる制御が実行され、ピストン１のストロークＸが中程度である場合には、タップ切換リレー５０が第１省電力状態になる制御が実行され、また、ピストン１のストロークＸが大きい場合には、タップ切換リレー５０が第２省電力状態になる制御が実行される。
【０１０７】
上記のような本実施の形態のスターリング冷凍機によれば、図１５に示すコイル１６において、制御ボックス３０は、第１コイル部１６ｇ、第２コイル部１６ｈ，１６ｉ，１６ｊ、および第３コイル部１６ｋの全てを用いる通常状態、第２コイル部を構成する３つのコイル部１６ｈ，１６ｇ，１６ｈのみを用いる第１省電力状態、および、第２コイル部１６ｈ，１６ｇ，１６ｉを構成する３つのコイル部のうちの中央コイル部１６ｉのみを用いる第２省電力状態からなる３つの状態のうちいずれか１の状態を、ピストン１のストロークＸに応じて選択して実行することができる。そのため、ピストン１のストロークＸに対して木目細かく対応して、使用される駆動用コイル１６の状態を変更することが可能になる。
【０１０８】
前述の実施の形態５の制御方法を示すフローチャートは、図１４に示すコイル切換処理（２）のフローチャートと同様であるため、その説明は繰り返さない。
【０１０９】
なお、実施の形態４および５のそれぞれにおいては、通常状態、第１省電力状態、および第２省電力状態の順に、リニアモータ１３において消費される電力が小さくなっている。
【０１１０】
また、前述の各実施の形態において、図３に示す電源部１０５およびそれに接続された電力供給源（たとえば、家庭用の１００Ｖの電力供給源）が本発明の電源部として機能し、制御ボックス３０のうち電源部１０５以外の部分が本発明の制御部として機能する。また、タップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｇ，１６ｈ，１６ｉ，１６ｊ，１６ｋおよびタップ切換リレー５０は、本発明の接続部として機能する。
【０１１１】
また、今回開示された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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】実施の形態のスターリング冷凍機の構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態のスターリング冷凍機のリニアモータと制御ボックスとの関係を説明するための図である。
【図３】実施の形態のスターリング冷凍機の制御ボックスの内部構成を説明するための図である。
【図４】実施の形態のスターリング冷凍機のマイクロコンピュータの内部を説明するための図である。
【図５】リニアモータの電流の位相、電圧の位相、およびピストンの位相の関係を説明するための参考図である。
【図６】定常時のリニアモータの等価回路図である。
【図７】実施の形態１の駆動用コイルの全体構成を示す図である。
【図８】実施の形態１の駆動用コイルの回路構成を示す図である。
【図９】実施の形態１〜３の駆動用コイルに共通して用いられるコイル切換処理（１）を説明するためのフローチャートである。
【図１０】実施の形態２の駆動用コイルの全体構成を示す図である。
【図１１】実施の形態２の駆動用コイルの回路構成を示す図である。
【図１２】実施の形態３の駆動用コイルの回路構成を示す図である。
【図１３】実施の形態４の駆動用コイルの回路構成を示す図である。
【図１４】実施の形態４および５の駆動用コイルに共通して用いられるコイル切り換え処理（２）を説明するためのフローチャートである。
【図１５】実施の形態５の駆動用コイルの回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１  ピストン、２  ディスプレーサ、１６  駆動用コイル、１６ａ，１６ｄ，１６ｇ  第１コイル部、１６ｂ，１６ｅ，１６ｈ，１６ｉ，１６ｊ  第２コイル部、１６ｃ，１６ｆ，１６ｋ  第３コイル部、５０，５０ａ，５０ｂ  タップ切換リレー、３００，３００ａ，３００ｂ  コイル、４００，４００ａ，４００ｂ  レバー。
【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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