JP7143272B2 - フリーピストン型スターリング冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、フリーピストン型スターリング冷凍機に関するものであり、特に、ピストンとディスプレイサーとが圧縮室を隔てて直接対向して配されているフリーピストン型スターリング冷凍機に関するものである。

従来、この種のフリーピストン型スターリング冷凍機としては、ケーシングと、このケーシング内に設けられるシリンダと、このシリンダ内を往復動可能に設けられるピストンと、このピストンを往復動させるリニアモータと、前記ピストンの往復動に伴って前記シリンダ内を往復動するディスプレイサーと、前記リニアモータの動作を制御する制御手段とを有するものが知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。このようなフリーピストン型スターリング冷凍機は、前記ピストンの振幅が定まっておらず、前記リニアモータに供給される電力等によって振幅が変動する。同様に、前記ディスプレイサーの振幅も定まっておらず、前記リニアモータに供給される電力等によって振幅が変動する。なお、前記ピストン及びディスプレイサーの振幅は、吸熱部や排熱部の温度等によっても変動する。このため、特許文献１では、吸熱部及び排熱部の温度に基づいて前記リニアモータに供給される電力を制御し、前記ピストンとディスプレイサーの相互の衝突或いは前記ピストン及び／又はディスプレイサーと他の部位との衝突（以下、「ヒッティング」とする。）を抑止している。また、特許文献２では、ピストン及びディスプレイサーの位置を連続的に演算で求め、この演算結果に基づいて前記リニアモータに供給される電力を制御し、ヒッティングを抑止している。なお、特許文献２において、ピストン及びディスプレイサーの位置を連続的に演算で求めるため、電流及び電圧検知手段、又は静電容量を検知する手段、又は光学センサ等が必要となる。

特開２００５－３３７５５１号公報 特開２００３－１４３２２号公報

しかしながら、これらのようなフリーピストン型スターリング冷凍機では、制御のための物理量を検出する手段が必要になったり、演算が複雑になったりする問題があった。そして、このため、フリーピストン型スターリング冷凍機のシステムが複雑になったり高価になったりするという問題があった。

本発明は以上の問題点を解決し、単純で安価な手段でヒッティングを抑制することができるフリーピストン型スターリング冷凍機を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のフリーピストン型スターリング冷凍機は、ケーシングと、このケーシング内に設けられるシリンダと、このシリンダ内を往復動可能に設けられるピストンと、このピストンを往復動させるリニアモータと、前記ピストンの往復動に伴って前記シリンダ内を往復動するディスプレイサーと、前記リニアモータの動作を制御する制御手段とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機において、前記制御手段が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータへ供給するインバータ回路と、このインバータ回路から出力される電流を検知する検流回路と、この検流回路が検知した電流の波形面積又は振幅の乱れに基づいて前記インバータ回路からの出力を制御する制御回路とを有し、この制御回路が、ｎサイクル分の交流電流の検出波形を平均して１サイクル分の基準波形を算出するものであると共に、前記制御回路が、前記インバータ回路が出力した交流電流の１サイクル毎に、前記検流回路が検出した検出波形と基準波形とを比較して差分値を算出し、この差分値を電流の乱れの判断基準とするものである。

また、本発明の請求項２に記載のフリーピストン型スターリング冷凍機は、請求項１において、前記制御回路が、算出された基準波形を算出元になったｎサイクル分の交流電流に続く次のｎサイクル分の交流電流の検出波形と比較すると共に、次のｎサイクル分の交流電流の検出波形を平均して次の基準波形を算出するものである。

本発明の請求項１に記載のフリーピストン型スターリング冷凍機は、以上のように構成することにより、検流手段によって検知された電流の波形面積又は振幅の乱れに基づいて前記リニアモータへの出力が制御されるので、安価な構成で且つ単純な制御によりヒッティングを抑制することができる。

なお、前記制御回路が、前記インバータ回路が出力した交流電流の１サイクル毎に、前記検流回路が検出した検出波形と基準波形とを比較して差分値を算出し、この差分値を電流の乱れの判断基準とすることで、単純な演算でヒッティングを抑制することができる。

また、前記制御回路が、ｎサイクル分の交流電流の検出波形を平均して１サイクル分の基準波形を算出することで、運転強度や周囲の温度等によって安定条件が異なる場合でも、同様に安定してヒッティングを抑制することができる。

更に、前記制御回路が、算出された基準波形を算出元になったｎサイクル分の交流電流に続く次のｎサイクル分の交流電流の検出波形と比較すると共に、次のｎサイクル分の交流電流の検出波形を平均して次の基準波形を算出することで、運転強度を調節したり周囲の温度等が変動したりすることによって安定条件が変動する場合でも、同様に安定してヒッティングを抑制することができる。

本発明の一実施形態を示すフリーピストン型スターリング冷凍機の断面図である。 同、制御回路のブロック図である。 同、理想的な状態における電流波形とその乱れを示す説明図であり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は電流波形の乱れを示す。 同、乱れが比較的軽度な場合の電流波形と、それに基づくデータ処理を示す説明図である。 同、図４の波形に基づく電流の乱れを示す説明図である。 同、乱れが比較的重度な場合の電流波形と、それに基づくデータ処理を示す説明図である。 同、図６の波形に基づく電流の乱れを示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図７に基づいて説明する。１は本発明のフリーピストン型スターリング冷凍機である。このスターリング冷凍機１は、金属製のケーシング２を有する。そして、このケーシング２は、第一ケーシング体３と第二ケーシング体４とを有する。前記第一ケーシング体３は、小径円筒状に形成された円筒部５と、基端が開放した大径部６とを有して一体に形成される。そして、前記円筒部５は、閉塞された先端部７と、中間部８と、基部９とを有する。また、前記大径部６は、略円形の突曲面状に形成された一端面部１０と、短円筒状の側面部１１とを有する。同様に、前記第二ケーシング体４は、円筒状の側面部１２と、略円形の突曲面状に形成された他端面部１３とを有する。そして、前記大径部６と前記第二ケーシング体４とで、円筒状の胴部１４が形成される。

前記円筒部５の内部には、前記胴部１４の内部まで延びるシリンダ１５が、前記円筒部５に対して同軸的に挿入されて設けられる。即ち、前記シリンダ１５の中心軸線Ｘは、前記円筒部５の中心軸線Ｘと一致する。そして、前記シリンダ１５は金属を用いて成形される。そして、前記シリンダ１５の先端側の内側には、ディスプレイサー１６が中心軸線Ｘ方向に摺動可能に収容される。また、このディスプレイサー１６の先端と前記円筒部５の先端部７の間には膨張室Ｅが形成され、隙間１７によって前記シリンダ１５の内外が連通される。また、前記中間部８において、前記円筒部５の内周と前記シリンダ１５の外周との間に再生器１８が設けられると共に、前記基部９において、前記シリンダ１５の内外を連通する連通孔１９が前記シリンダ１５自体に形成される。また、前記円筒部５の先端部７の内周と前記シリンダ１５の先端外周との間には、吸熱フィン２０が設けられると共に、前記再生器１８と連通孔１９の間において、前記円筒部５の内周と前記シリンダ１５の外周との間に排熱フィン２１が設けられる。そして、前記シリンダ１５の内部先端から隙間１７、吸熱フィン２０、再生器１８、排熱フィン２１、連通孔１９を通って前記シリンダ１５内の圧縮室Ｃに至る経路２２が形成される。更に、前記胴部４内において、前記シリンダ１５の基部側の内側には、ピストン２３が中心軸線Ｘ方向に摺動可能に収容される。そして、このピストン２３の基端部は、リニアモータ２４に対して同軸的に連結される。なお、このリニアモータ２４は、接続体２５によって前記ピストン２３の基端に接続されて前記シリンダ１５の基端側の外周に同軸状に延設された短筒状の枠２６と、この枠２６の一端に固定された円筒状の永久磁石２７と、この永久磁石２７の外周に近接して設けられた環状の電磁コイル２８とを有して構成される。

また前記ピストン２３に枠２６を接続させる接続体２５には、前記ピストン２３の動作を制御するための第一の板バネ２９が接続される。さらに、前記ディスプレイサー１６の基端側に、このディスプレイサー１６の動作を制御するためのロッド３０の一端が接続されると共に、このロッド３０の他端に、第二の板バネ３１が接続される。なお、前記ロッド３０は、前記ピストン２３の中心を貫通して中心軸線Ｘ方向に延びる。また、前記第一及び第二の板バネ２９，３１は、前記胴部１４内において前記シリンダ１５の基端側の外部に配置されると共に、前記第一の板バネ２９よりも第二の板バネ３１が前記シリンダ１５の基端側から離れた位置に配置される。

なお、図１における３２は、前記第二ケーシング体４の他端面部１３に設けられた振動吸収ユニットであり、前記シリンダ１５の中心軸線Ｘと同軸となるように配置された取付部３３及びこの取付部３３に接続される接続部３４を介して、同軸状に板バネ３５とバランスウエイト３６が重なるように配置される。

図２は前記スターリング冷凍機１の電気系統の簡単なブロック図である。この電気系統は、電源３７と制御手段３８とを有する。前記電源３７は、直流電源である。なお、この直流電源は、電池等であっても良く、また、交流電源と整流回路であってもよい。また、前記制御手段３８は、インバータ回路３９と、検流回路４０と、制御回路４１とを有する。前記インバータ回路３９は、前記電源３７からの直流電流を所定の周波数の交流電流に変換して前記リニアモータ２４の電磁コイル２８に供給するものである。また、前記検流回路４０は、前記インバータ回路３９から出力される電流を検知するものである。更に、前記制御回路４１は、前記検流回路４０が検知した電流の波形又は振幅の乱れに基づいて前記インバータ回路３９からの出力を制御するものである。

そして、前記構成により、前記インバータ回路３９が形成した交流電流を前記電磁コイル２８に流すと、この電磁コイル２８から交番磁界が発生し、この交番磁界によって、前記永久磁石２７を中心軸線Ｘ方向に往復動させる力が生じる。この力によって、前記永久磁石２７を固定した枠２６に接続されたピストン２３が、前記シリンダ１５内を中心軸線Ｘ方向に往復動する。このため、前記ピストン２３が前記ディスプレイサー１６に近づく方向に移動すると、前記ピストン２３とディスプレイサー１６との間に形成された圧縮室Ｃ内の気体が圧縮されて、前記連通孔１９、排熱フィン２１、再生器１８、吸熱フィン２０、隙間１７を通り、前記ディスプレイサー１６の先端と円筒部５の先端部７の間に形成された膨張室Ｅに至ることで、前記ディスプレイサー１６が前記ピストン２３に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン２３が前記ディスプレイサー１６から遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室Ｃの内部が負圧となり、前記膨張室Ｅ内の気体が前記膨張室Ｅから前記隙間１７、吸熱フィン２０、再生器１８、排熱フィン２１、連通孔１９を通って前記圧縮室Ｃに還流することで、前記ディスプレイサー１６が前記ピストン２３に対して所定の位相差をもって押し上げられる。このような工程中において二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、前記膨張室Ｅの近傍は低温となり、一方、前記圧縮室Ｃの近傍は高温となる。

前記インバータ回路３９から前記リニアモータ２４の電磁コイル２８に供給される交流電流は、前記検流回路４０によって検知される。前記スターリング冷凍機１の動作が安定していれば、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の前記検流回路４０による検出波形は、図３（ａ）に示すように、同じ形状の正弦波が続くことになる。そして、この場合、全ての正弦波の大きさ、形状が同じであるので、図３（ｂ）に示すように、検出波形の乱れはない。

一方、実際に前記検流回路４０が検知する交流電流は、図４又は図６に示すように、多少の乱れがある。本出願人は、ヒッティングの危険性が高くなると電流波形の乱れが大きくなり、ヒッティングが始まると電流波形の乱れが更に大きくなることを見いだした。電流波形の乱れは、基準となる波形と検出された波形とを比較して導き出された差分値ΔＩにより定義される。なお、ここで言う差分値ΔＩは、波形の面積の差分であってもよく、また、単純に振幅の差分であってもよい。何れの場合であっても、差分値ΔＩの算出は、簡単なプログラムで極めて容易に行うことができる。そして、この現象を利用すれば、様々な物理量を測定するためのセンサ類を設けたり、前記ピストン２３やディスプレイサー１６の位置を算出したりすることなく、ヒッティングを抑制することができる。

なお、前記スターリング冷凍機１が安定動作する状態の電流波形は、運転強度や周囲の温度条件等により変化する。このため、予め基準波形を設定しておくのではなく、ほぼ安定動作している状態の電流波形を平均することで算出するのが望ましい。また、前記スターリング冷凍機１を作動させ続けることで周囲の温度条件等が変化したり、前記スターリング冷凍機１の運転強度を調節したりすると、前記検流回路４０が検出する波形が変化する。従って、定期的に基準波形を算出するのが望ましい。

前記スターリング冷凍機１の動作がほぼ安定した状態で、前記制御回路４１は、前記検流回路４０が検知した交流電流のｎサイクル分Ｃｎ１の波形を平均した１サイクル分の基準波形Ｗｓ１を算出する。なお、ここではｎ＝５とする。そして、前記制御回路４１は、次の５サイクルの交流電流Ｃｎ２の波形を一つずつ前記基準波形Ｗｓ１と比較し、その差分を算出する。同時に、前記制御回路４１は、次の５サイクルの交流電流Ｃｎ２の波形を平均した１サイクル分の基準波形Ｗｓ２を算出する。そして、前記制御回路４１は、更に次の５サイクルの交流電流Ｃｎ３の波形を一つずつ前記基準波形Ｗｓ２と比較し、その差分を算出する。同時に、前記制御回路４１は、更に次の５サイクルの交流電流Ｃｎ３の波形を平均した１サイクル分の基準波形Ｗｓ３を算出する。これらを繰り返すことで、図５又は図７に示すような、電流の乱れを得ることができる。

図５に示すように、検出された電流波形の乱れ（差分値ΔＩ）が基準値＋Ｂから－Ｂの範囲に収まっていれば、一応安定していると見なす。一方、図７に示すように、検出された電流波形の乱れ（差分値ΔＩ）が基準値＋Ｂから－Ｂの範囲から逸脱すれば、その度合いに応じて前記制御回路４１は前記インバータ回路３９の出力を抑制する。

以上のように本発明は、ケーシング２と、このケーシング２内に設けられるシリンダ１５と、このシリンダ１５内を往復動可能に設けられるピストン２３と、このピストン２３を往復動させるリニアモータ２４と、前記ピストン２３の往復動に伴って前記シリンダ１５内を往復動するディスプレイサー１６と、前記リニアモータ２４の動作を制御する制御手段３８とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機１において、前記制御手段３８が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータ２４へ供給するインバータ回路３９と、このインバータ回路３９から出力される電流を検知する検流回路４０と、この検流回路４０が検知した電流の乱れに基づいて前記インバータ回路３９からの出力を制御する制御回路４１とを有することで、安価な構成で且つ単純な制御によりヒッティングを抑制することができるものである。

また、本発明は、前記制御回路４１が、前記インバータ回路３９が出力した交流電流の１サイクル毎に、前記検流回路４０が検出した検出波形と基準波形とを比較して差分値ΔＩを算出し、この差分値ΔＩを電流の乱れの判断基準とすることで、単純な演算でヒッティングを抑制することができるものである。

また、本発明は、前記制御回路４１が、ｎサイクル分の交流電流の検出波形を平均して１サイクル分の基準波形を算出することで、運転強度や周囲の温度等によって安定条件が異なる場合でも、同様に安定してヒッティングを抑制することができるものである。

更に、本発明は、前記制御回路４１が、算出された基準波形Ｗｓ１を算出元になったｎサイクル分の交流電流Ｃｎ１に続く次のｎサイクル分の交流電流Ｃｎ２の検出波形と比較すると共に、次のｎサイクル分の交流電流Ｃｎ２の検出波形を平均して次の基準波形Ｗｓ２を算出することで、運転強度を調節したり周囲の温度等が変動したりすることによって安定条件が変動する場合でも、同様に安定してヒッティングを抑制することができるものである。

なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施形態では、電流の乱れを判定する基準値が単一であるが、この基準値を複数段階にしてもよい。

１ フリーピストン型スターリング冷凍機
２ ケーシング
１５ シリンダ
１６ ディスプレイサー
２３ ピストン
２４ リニアモータ
３８ 制御手段
３９ インバータ回路
４０ 検流回路
４１ 制御回路
Ｗｓ１～Ｗｓ７ 基準波形
Ｃｎ１～Ｃｎ７ ｎサイクル分の検出波形

Claims (2)

1. ケーシングと、このケーシング内に設けられるシリンダと、このシリンダ内を往復動可能に設けられるピストンと、このピストンを往復動させるリニアモータと、前記ピストンの往復動に伴って前記シリンダ内を往復動するディスプレイサーと、前記リニアモータの動作を制御する制御手段とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機において、
   前記制御手段が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータへ供給するインバータ回路と、このインバータ回路から出力される電流を検知する検流回路と、この検流回路が検知した電流の波形面積又は振幅の乱れに基づいて前記インバータ回路からの出力を制御する制御回路とを有し、この制御回路が、ｎサイクル分の交流電流の検出波形を平均して１サイクル分の基準波形を算出するものであると共に、前記制御回路が、前記インバータ回路が出力した交流電流の１サイクル毎に、前記検流回路が検出した検出波形と基準波形とを比較して差分値を算出し、この差分値を電流の乱れの判断基準とするものであることを特徴とするフリーピストン型スターリング冷凍機。
2. 前記制御回路が、算出された基準波形を算出元になったｎサイクル分の交流電流に続く次のｎサイクル分の交流電流の検出波形と比較すると共に、次のｎサイクル分の交流電流の検出波形を平均して次の基準波形を算出するものであることを特徴とする請求項１記載のフリーピストン型スターリング冷凍機。
   

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