JP2005009353A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動効率がさらに向上したスターリング機関を提供する。
【解決手段】スターリン冷凍機の制御装置は、交流電力の周波数を変更する周波数変更部（ＳＴ５，ＳＴ８）と、当該スターリング機関にかかる負荷を算出する負荷算出部（ＳＴ２，ＳＴ６，ＳＴ９）とを含み、周波数変更部は、負荷算出部により算出された負荷が小さくなるように、交流電力の周波数を変更する（ＳＴ１１〜ＳＴ１６）。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストン型のスターリング機関の制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スターリング機関の一例として、スターリング冷凍機が用いられている。以下、スターリング冷凍機を例にして、従来のスターリング機関の構造、機能および問題点を述べる。
【０００３】
スターリング冷凍機は、作動媒体として、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガスなどといった地球環境に悪影響を与えないガスを用いることによって低温を得る冷凍機である。この冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機とその圧縮機から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張機とを組み合わせたものである。この圧縮機においては、ガス圧の値がサインカーブを描く所定の周期で経時変化するように、冷媒ガスが圧縮される。
【０００４】
このサインカーブは、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式のインバータにより発生させた交流電圧波形でリニアモータを駆動することにより得られる。ＰＷＭインバータでは、数十ヘルツの交流電圧波形を得るために、十数キロヘルツの周期パルスが用いられる。この十数キロヘルツのパルスの幅がコントロールされることにより、所定の交流電圧の波形が得られる。
【０００５】
一方、膨張機は、先端が閉塞されたシリンダと、そのシリンダ内に往復運動可能に嵌装され、シリンダ内を先端側の膨張室および基端側の作動室に区画形成するフリーディスプレーサと、そのフリーディスプレーサの往復運動を可能にするためにフリーディスプレーサを弾性的に支持するスプリングとを備えている。
【０００６】
また、作動室は、圧縮機に接続されており、圧縮機からの冷媒ガス圧によりディスプレーサを往復運動させて冷媒ガスを膨張させる。それにより、シリンダ先端のコールドヘッドの近傍に冷気を発生させる。
【０００７】
なお、この方式のスターリング冷凍機は、フリーピストン型スターリング冷凍機と呼ばれている。
【０００８】
一般に、フリーピストン型冷凍機は、作動室の温度状態に応じて可動部分が最大の効率を得られる周波数で共振するように、ピストンに連結されたスプリングのバネ定数およびディスプレーサに連結されたスプリングのバネ定数と可動部分の質量（マス）が所定の値に設定されている。
【０００９】
しかしながら、スプリングのバネ定数等が経年により変化した場合、または、負荷変動による温度の状態変化等により、可動部分が共振しない事態が発生した場合には、可動部分の周波数を変化させることにより、可動部分を再度共振させるように設定し直す必要がある。
【００１０】
バネ常数が変化する問題を解決するための手法が、特開２０００−１９９６５３号公報に開示されている。これによれば、まず、バネ常数が変化することに起因して可動部が共振しなくなった場合、膨張空間および圧縮空間それぞれの温度を検知する。それにより、冷凍機の各部の温度がそれぞれ一定の温度になっているか否かを判断する。冷凍機の各部の温度が一定の温度になっている場合、冷凍機の負荷が一定になったと判断する。
【００１１】
次に、冷凍機の負荷が一定になった状態で、バネ常数の変化を検出する。バネ定数の変化は、振動センサーによる振動量の大小または電流センサーによる電流値の大小により検出される。これにより、検出されたバネ定数の変化に応じて、最適な周波数でピストンを駆動する。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−１９９６５３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在では、バネの材料またはバネの形状に技術的な改良が加えられたため、バネ定数の経年変化の度合いは小さくなっている。
【００１４】
つまり、可動部の周波数を変化させる要因としては、バネ定数の経年変化以外の要因の方が大きくなっている。具体的に言うと、ピストンおよびディスプレーサの相対的な位置関係の変化の方が、バネ定数の変化に比較して、大きなものとなっている。
【００１５】
すなわち、共振周波数を決定する新たな要因として、ピストンおよびディスプレーサの相対的な位置関係、すなわち冷凍機の“負荷”が大きなものとなっている。
【００１６】
したがって。スターリング冷凍機のバネ定数の変化に関わらず、スターリング冷凍機の“負荷”が変化しても共振状態を維持させることにより、さらにスターリング冷凍機の冷凍能力を向上させることが望まれている。つまり、スターリング機関一般について言えば、ピストンおよびディスプレーサの駆動効率をさらに向上させることが望まれている。
【００１７】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動効率がさらに向上したスターリング機関を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスターリング機関は、ピストンに駆動力を与えることにより、ピストンとディスプレーサとが位相差を有しながら同軸上を所定の周期で往復運動し、当該往復運動に起因して、熱交換媒体の熱交換サイクルが形成されるものである。
【００１９】
当該スターリング機関は、ピストンに与える駆動力を生成するリニアモータと、リニアモータに駆動力を与えるための交流電力を生成する交流電源と、交流電力の制御を行なう制御装置とを備えている。また、制御装置は、交流電力の周波数を変更する周波数変更部と、当該スターリング機関にかかる負荷を算出する負荷算出部とを含んでいる。さらに、周波数変更部が、負荷算出部により算出された負荷に基づいて、交流電力の周波数を変更する。
【００２０】
上記の構成によれば、バネ定数の変化に関わらず、容易にピストンの駆動効率を向上させる制御を実行することができる。
【００２１】
また、当該スターリング機関は、制御装置が、交流電力の電流の位相と電圧の位相との差を検出する電流電圧位相差検出部をさらに含んでおり、周波数変更部が、電流電圧位相差が小さくなるように、交流電力の周波数を変更するものであることが望ましい。
【００２２】
このようにすれば、電流の位相と電圧の位相との差を直接検出し、それを小さくすることができるため、よりピストンの駆動効率を向上させることができる。
【００２３】
前述のスターリング機関は、電流電圧位相差として、電流波形のピークのタイミングと電圧波形のピークのタイミングとの差を用いるものである。このようにすれば、容易な処理で電流電圧位相差を算出する。
【００２４】
また、スターリング機関は、熱交換サイクルにおいて冷媒が圧縮される圧縮空間と、熱交換サイクルにおいて冷媒が膨張する膨張空間と、熱交換サイクルを構成する圧縮空間とはピストンを介して隔たれた背面空間とをさらに備えているものである。このような構成において、当該スターリング機関は、負荷算出手段が、圧縮空間の温度、膨張空間の温度、および背面空間の温度のうち少なくともいずれか２つの温度を用いて、負荷を算出してもよい。
【００２５】
上記の構成によれば、圧縮空間の温度、膨張空間の温度、および背面空間の温度というスターリング機関にかかる負荷が適正に反映された情報を用いて、ピストンの駆動効率を向上させることができる。また、電流電圧位相差を算出する複雑な処理を実行することなく、負荷を算出することができる。
【００２６】
また、負荷算出手段は、当該スターリング機関の運転開始から所定時間までは、膨張空間の温度と背面空間の温度とを用いて負荷を算出し、所定時間の経過後においては、膨張空間の温度と圧縮空間の温度とを用いて負荷を算出するものであることが望ましい。
【００２７】
この構成によれば、運転を開始した直後のスターリング冷凍機の状態が不安定な期間においては、膨張空間の温度と背面空間の温度とを負荷の算出に用い、スターリング冷凍機の状態が安定した後には、膨張空間の温度と圧縮空間の温度とを負荷の算出に用いる。それにより、運転が開始された直後の期間および運転が安定した期間のそれぞれに応じてスターリング冷凍機にかかる負荷を適切に推定することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて、本発明のスターリング機関を、スターリング冷凍機を例に挙げて説明する。
【００２９】
各実施の形態のスターリング冷凍機を説明する前に、まず、各実施の形態のスターリング冷凍機に共通する構造および機能を詳細に説明する。
【００３０】
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は、軸方向に分割された略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（Ｘ）に配置されている。
【００３１】
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（フランジ）３ａが突設されている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられ、内部を密閉してバウンス空間（背面空間）８が形成されている。
【００３２】
ピストン１は後端でピストン支持バネ５と一体化され、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を介してディスプレーサ支持バネ６と一体化されている。ピストン支持バネ５とディスプレーサ支持バネ６とはボルト・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して往復運動を行うようになっている。
【００３３】
バウンス空間８内のシリンダ３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には環状の永久磁石１５が移動可能に配されている。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。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。
【００３４】
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、耐圧容器４の壁面をハーメチックシール端子３７（図２参照）を介して貫通し、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の駆動電源が供給されるようになっている。
【００３５】
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ことにより、逆スターリングサイクルが構成される。
【００３６】
図２は、制御ボックス３０とスターリング冷凍機４０との接続状態を示す図である。スターリング冷凍機４０には、膨張空間１０、圧縮空間９、バウンス空間８の温度Ｔｃ、Ｔｈ、Ｔｂをそれぞれ検知する温度センサ３４、３５、３６が取り付けられている。
【００３７】
制御ボックス３０には温度センサ３４、３５、３６の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換するＴｃＡ／Ｄ変換部１０８、ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、ＴｂＡ／Ｄ変換部１１０が設けられている。また、リード線２０，２１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。
【００３８】
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。
【００３９】
また、マイクロコンピュータ１０４には、電源部１０５の入力電圧を検出する電圧センサー（不図示）の検出値をＡ／Ｄ変換して入力する電圧値入力部１０２及びリニアモータ１３の電流を検出する電流センサ３３の検出値をＡ／Ｄ変換して入力する電流値入力部１０３が接続されている。更に、制御ボックス３０をリセットするリセット部１０６、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｅ 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）から成る記憶部１１１がマイクロコンピュータ１０４に接続されている。
【００４０】
この記憶部１１１には、少なくとも各スターリング冷凍機に応じた、入力電圧と出力の関係が記憶される。図１に示したようなフリーピストン形のスターリング冷凍機においては、ディスプレーサがピストンの往復運動に基づく圧縮空間９および膨張空間１０の圧力変動を動力として往復運動するため、媒体流通路１１を通過する冷媒の流動抵抗の変化等の要因により、入力電圧に対するディスプレーサの移動量が各スターリング冷凍機によってばらつくことがある。このばらつきは、一定の入力電圧を各スターリング冷凍機に与えた場合には、出力が異なることを示す。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、例えばエージング試験を行う際に、その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予め測定し、その測定結果を記憶させるようにする。そして、マイクロコンピュータ１０４は、この関係を用いてリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力する電圧をコントロールする。
【００４１】
後述するように、電圧値入力部１０２からの入力に応じてマイクロコンピュータ１０４から電源部１０５に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インバーター波形に変換してリニアモータ１３に供給するようになっている。
【００４２】
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うＲＡＭ１２２、運転時間等を計時するタイマー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の制御が行われる。
【００４３】
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振幅で往復運動を行う。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振幅を制御することが可能である。
【００４４】
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。
【００４５】
ピストン１は、リニアモータ４により駆動される。ピストン１は、共振用バネ１０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。
【００４６】
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、放熱部１１で熱を放出する。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１３で予冷される。その後、圧縮された作動ガスは、再生器１３から膨張空間５へ流入する。
【００４７】
膨張空間５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５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５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６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が、同じ周期である。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。
【００４８】
膨張空間５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の位相との差の変化、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差の変化によって変動する。
【００４９】
ディスプレーサ２とピストン１との相対的位置の差は、ディスプレーサ２の質量、共振用バネ９のバネ定数およびピストンの駆動周波数により決定される。また、ディスプレーサ２の質量および共振用バネ９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。
【００５０】
そこで、本実施の形態のスターリング冷凍機では、上述したように、図４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。
【００５１】
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、ＴｈＡ／Ｄ変換部、ＴｂＡ／Ｄ変換部１０８，１０９，１１０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の情報等を用いて、ピストン１を駆動する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。
【００５２】
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のピストン１の駆動周波数になる。
【００５３】
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ことにより、交流波形を生成している。
【００５４】
以下、各実施の形態のスターリング冷凍機を説明する。
（実施の形態１）
図５を用いて、実施の形態１のスターリング冷凍機の特徴を説明する。
一般に、冷凍機にかかる負荷が一定の場合であって、ピストン１とディスプレーサ２とが共振している状態では、電気的にみれば、本来モータ（コイル）が有しているインダクタンス成分（Ｌ成分）がゼロである状態と同じ状態になっていると考えられる。このとき、ピストン１を駆動するための電力の電圧の位相と電流の位相との差はゼロである。このことを利用して、ピストン１とディスプレーサ２とが共振しているかどうかを判断する。
【００５５】
本実施の形態のスターリング冷凍機では、駆動電圧の周波数（以下、「駆動周波数」という。）の変更により、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差を小さくする。
【００５６】
より具体的には、図５のフローチャートに示すように、次のような処理が実行される。
【００５７】
まず、ＳＴ１において、ピストン１を駆動するためにリニアモータ駆動用電圧出力部１０１の電圧が所定値ＶＡより大きくなっているか否かが判別される。ＳＴ１において、電圧が所定値ＶＡ以下であれば、最適周波数決定処理は終了となる。ＳＴ１において、電圧が所定値ＶＡよりも大きければ、ＳＴ２において位相差測定処理が実行される。
【００５８】
位相差測定処理においては、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力される電圧（以下、「駆動電圧」という。）の位相と、その駆動電圧により生じる電流（以下、「駆動電流」という。）の位相との差（以下、「電流電圧位相差」という。）が測定される。電流電圧位相差が小さくなるようにピストン１の駆動周波数が制御されれば、効率良くスターリング冷凍機が運転されることになる。
【００５９】
なお、駆動電圧の位相は、マイクロコンピュータ１０４により予め決定されている。また、駆動電流は、図３に示す電流センサ３３および電流値入力部１０３を介してマイクロコンピュータ１０４に入力される。そのため、マイクロコンピュータ１０４は、駆動電流の位相の情報を常時得ている。また、電流電圧位相差の測定は、半サイクル毎に行われる。
【００６０】
次に、ステップＳＴ３において、電流電圧位相差が、所定値（例えば、位相角１５°）以上であるか否かが判別される。電流電圧位相差の大きさが所定値以上の場合には、ステップＳＴ４において、その時の駆動周波数がｆ０としてＲＡＭ１２２に記憶される。また、ステップＳＴ４においては、その時の電流電圧位相差がｐｈ０としてＲＡＭ１２２に記憶される。なお、ステップＳＴ３において、電流電圧位相差が所定値以上でない場合には、ステップＳＴ１の処理が実行される。
【００６１】
次に、ステップＳＴ５において、たとえば、１０サイクルの間、ｆ０＋Δｆ（たとえば、Δｆ＝０．１Ｈｚ）の駆動周波数でピストン１が駆動される。次に、ステップＳＴ６において、ｆ０＋Δｆの駆動周波数でピストン１が駆動された場合の電流電圧位相差が測定される。それにより、ステップＳＴ７において、ステップＳＴ６において測定された電流電圧位相差がｐｈ１としてＲＡＭ１２２に記憶される。
【００６２】
次に、ステップＳＴ８において、たとえば、１０サイクルの間、ｆ０−Δｆの駆動周波数でピストン１が駆動される。それにより、ステップＳＴ９において、そのときの電流電圧位相差が測定される。次に、ステップＳＴ１０において、ステップＳＴ９において測定された電流電圧位相差がｐｈ２としてＲＡＭ１２２に記憶される。
【００６３】
次に、電流電圧位相差ｐｈ０、ｐｈ１、およびｐｈ２が比較される。それにより、電流電圧位相差ｐｈ０、ｐｈ１、およびｐｈ２のうちいずれが最小値であるかが判別される。それにより、最適周波数決定処理は、次の３つのパターンに分類される。すなわち、電流電圧位相差ｐｈ１が最小値である場合がパターンＡとされ、電流電圧位相差ｐｈ２が最小値である場合がパターンＢとされ、電流電圧位相差ｐｈ０が最小値である場合がパターンＣとされる。
【００６４】
ステップＳＴ１１において、電流電圧位相差ｐｈ１が最小値であるか否かが判別される。ステップＳＴ１１において、ｐｈ１が最小値であると判別された場合には、ステップＳＴ１２において、パターンＡが実行される、すなわち、ピストン１が駆動周波数ｆ０＝ｆ０＋Δｆで駆動される。その後、再度、ステップＳＴ２の位相差測定処理が実行される。
【００６５】
ステップＳＴ１１において、電流電圧位相差ｐｈ１が最小値でないと判定された場合には、ステップＳＴ１３において、電流電圧位相差ｐｈ２が最小値であるか否かが判別される。
【００６６】
ステップＳＴ１３において電流電圧位相差ｐｈ２が最小値であると判別された場合には、ステップＳＴ１４において、パターンＢの処理が実行される、すなわち、駆動周波数ｆ０＝ｆ０−Δｆでピストン１が駆動される。その後、再度、ステップＳＴ２の位相差測定処理が実行される。
【００６７】
また、ステップＳＴ１３において、電流電圧位相差ｐｈ２が最小値でないと判定された場合には、ＳＴ１５においてｐｈ０が最小値であるとみなされ、パターンＣの処理が実行される。そのため、ステップＳＴ１６において、今現在の駆動周波数で運転が継続される。
【００６８】
パターンＣによるピストン１の駆動が決定されると、所定時間（たとえば、１０分間）、その駆動周波数でのピストン１の駆動が継続する。所定時間が経過した後、再度のステップＳＴ２の位相差測定処理が実行される。
【００６９】
上記のような最適周波数決定処理を有する本実施の形態のスターリング機関によれば、駆動周波数は、常に電流電圧位相差が小さくなるように制御されるため、ピストン１の駆動効率を向上させることが可能になっている。
【００７０】
（実施の形態２）
実施の形態２のスターリング冷凍機の特徴を図６〜図８を用いて説明する。本実施の形態のスターリング冷凍機における最適周波数決定処理のフローは、実施の形態１の最適周波数決定処理のフローと同様のフローである。本実施の形態においては、実施の形態１のステップＳＴ２，ＳＴ６，ＳＴ９の位相差測定処理がより具体的に示されている。
【００７１】
なお、図６（ａ）には、半サイクル分のＰＷＭ制御に用いられる駆動電圧の波形が示されている。駆動電圧の波形は、サインカーブとして描かれる。また、図６（ｂ）には、駆動電圧に対応する駆動電流の波形が示されている。駆動電流の波形も、サインカーブとして描かれる。ただし、実際には、図７に示すように、駆動電圧の位相と駆動電流の位相とは、それらのピークの位置が互いにずれている。
【００７２】
また、ＰＷＭインバータ波形は、図６（ｃ）に示すように、複数のパルスによって形成される。この複数のパルスは、時間の経過に伴って、幅が、除々に大きくなり、ピークに達した後、除々に小さくなるものである。駆動電圧の大きさはパルスの幅に対応している。
【００７３】
本実施の形態のスターリング冷凍機は、電流電圧位相差を測定する方法として、駆動電圧のピークのタイミングと駆動電流のピークのタイミングとの時間差を求める方法が用いられる。
【００７４】
駆動電圧の大きさは、マイクロコンピュータ１０４が自ら決定しているものである。そのため、マイクロコンピュータ１０４は、駆動電圧のピークのタイミングを容易に認識することが可能である。たとえば、駆動周波数が１００Ｈｚである場合を考える。この場合、１００Ｈｚの駆動周波数の交流波形の形成に用いられる複数のパルスを構成する１つのパルスの周期が１０ｋＨｚであれば、駆動電圧の半サイクルの間に、パルスは５０個用いられる。したがって、５０個のパルスのうち２６番目のパルスが交流波形のピークのタイミングに対応するパルスになる。
【００７５】
図８に示すように、本実施の形態の位相差決定処理においては、まず、ＳＴ１０１において、駆動電圧の波形を形成するためのパルスＰＩが交流波形の１番目のパルスであるか否かが判別される。ＳＴ１０１において、パルスＰＩが１番目のパルスでなければ、位相差測定処理は終了され、図５の最終周波数決定処理のＳＴ３、ＳＴ７またはＳＴ１０の処理を実行する。また、ＳＴ１０１において、パルスＰＩが１番目のパルス（交流波形を形成するためのパルスの１番目）であれば、ＳＴ１０２およびＳＴ１０３の処理が実行される。
【００７６】
ＳＴ１０２においては、駆動電圧ＰＩのパルスの数がカウントされる。ＳＴ１０３においては、ＲＡＭ１２２内に形成されたカウンタの値が２６以上であるか否かが判別される。ＳＴ１０３において、カウンタの値が２６よりも小さい場合には、ＳＴ１０２において駆動電圧ＰＩＮのパルス数Ｎをカウントする処理が繰返される。ＳＴ１０３において、カウンタの値が２６以上であれば、ＳＴ１０４の処理が実行される。
【００７７】
駆動電流の波形のピークのタイミングが、駆動電圧の波形のピークのタイミングからどの程度ずれるのかについては、マイクロコンピュータ１０４は認識していない。一般的には、駆動電圧より駆動電圧に対応する電流の方が、位相が遅れることが知られている。そのため、駆動電圧のピークのタイミング（ＰＩ_Ｒ）が基準タイミングとして用いられる。
【００７８】
したがって、ＳＴ１０４において、基準タイミングの以後の駆動電圧を生成するためのパルスを出力している期間において、駆動電圧のＰＩ２６、ＰＩ２７・・〜・ＰＩＮ（Ｎ≦５０）のタイミングそれぞれに対応する駆動電流ＱＩｍの大きさが複数回順次測定される。
【００７９】
また、ＳＴ１０４において、測定により得られた複数の駆動電流の大きさのデータは、ＱＩ１、ＱＩ２・・〜・ＱＩｍと名付けられ、ＲＡＭ１２２に記憶される。また、データＱＩ１、ＱＩ２・・〜・ＱＩｍは、そのデータそれぞれに対応する駆動電圧のタイミングと関連付けられて、ＲＡＭ１２２に記憶される。
【００８０】
一般に、スターリング冷凍機は、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差は所定値以下である。この所定値として、本実施の形態では、たとえば、４５°が用いられる。この場合、駆動電圧のピークのタイミングのパルスＰＩ２６から数えて１３番目（Ｎ＝１３）のパルスＰＩ３８まで、すなわちパルスＰＩ２６〜ＰＩ３８それぞれのタイミングにおいて、駆動電流が測定される。ＳＴ１０５においては、一般的には、駆動電流の値がゼロになるまで駆動電流の値の測定が行われてもよい。しかしながら、前述の手法によれば、ＲＡＭ１２２に記憶されるデータの量を低減することが可能になる。
【００８１】
次に、ＳＴ１０６において、測定された駆動電流のデータＱＩ１〜ＱＩ１３の中から電流値が最大であるもののデータが検索され、そのデータのタイミング情報ｍが読み出される。その後、ＳＴ１０７において、タイミング情報ｍの値を用いて、電流電圧位相差が算出される。
【００８２】
たとえば、最大電流値がＱＩ４であれば、ｍ＝４（４番目）であるため、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差は、次の式で表される。
【００８３】
電流電圧位相差ｐｈ＝４×（１００／１００００）×３６０°＝１４．４°
なお、一般式は、
電流電圧位相差ｐｈ＝ｍ×１つのパルスに与えられた位相角の割合×３６０°である。なお、ｍは、駆動電圧がピークとなるパルスＰＩ２６と駆動電流がピークとなるパルスＱＩｍに対応する駆動電圧ＰＩＮとの間のパルス数である。
【００８４】
１つのパルスに与えられた位相角の割合＝（ＰＷＭ制御に用いられる複数のパルスにより形成される交流波形の周波数）／（ＰＷＭ制御に用いられる１つのパルスの周波数）
その後、ＳＴ１０８において、図５に示す最適周波数決定処理のＳＴ３、ＳＴ７またはＳＴ１０に進む処理が実行される。
【００８５】
上記のような本実施の形態の位相差測定処理によれば、電流電圧位相差を正確に把握することができる。
【００８６】
（実施の形態３）
次に、図９および図１０を用いて、実施の形態３のスターリング冷凍機の特徴を説明する。
【００８７】
本実施の形態のスターリング冷凍機における最終周波数決定処理のフローは、実施の形態１の最終周波数決定処理のフローと同様のフローである。本実施の形態においては、実施の形態１のステップＳＴ２，ＳＴ６，ＳＴ９の位相差測定処理がより具体的に示されている。
【００８８】
本実施の形態のスターリング冷凍機は、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差を測定する方法として、駆動電流の大きさを示すサイン波と時間軸とに囲まれた領域の面積を求める方法が用いられる。
【００８９】
駆動電圧は、マイクロコンピュータ１０４が出力している。そのため、マイクロコンピュータ１０４は、駆動電圧のピークとなるタイミングを認識している。したがって、図１０に示すように、ＳＴ２０１において、駆動電流ＱＩの大きさは、駆動電圧ＰＩを出力している半サイクル分の期間、順次測定される。
【００９０】
それにより、駆動電流の値は、データＱＩ１、ＱＩ２・・〜・ＱＩＮと名付けられ、ＲＡＭ１２２に記憶される（図９）。また、データＱＩ１、ＱＩ２・・〜・ＱＩＮそれぞれは、それらの駆動電圧のタイミングと関連付けられて、ＲＡＭ１２２に記憶される。
【００９１】
次に、ＳＴ２０２において、ＱＩ１〜ＱＩ５０それぞれの値の和を求める。次に、その和の１／２の値を求める。この値をＴＷとする。
【００９２】
ＴＷ＝ＱＩ１〜ＱＩ５０それぞれ値の合計×１／２
このＴＷの値は、ＲＡＭ１２２に記憶される。
【００９３】
次に、ＳＴ２０３において、再度ＱＩ１からＱＩｍまでのパルスの数がカウントされる。そのカウントされた値は、ＲＡＭ１２２に記憶される。ＳＴ２０４において、再度ＱＩ１からＱＩｍまでの値が順次合計される。
【００９４】
ＳＴ２０５において、ｍが１増加するごとにＱＩ１からＱＩｍまでの合計値とＴＷとを比較する処理が実行される。ＳＴ２０５において、ＱＩ１からＱＩｍまでの合計値がＴＷを超えれば、その時点で、比較処理は終了され、ＳＴ２０６の処理が実行される。
【００９５】
なお、ＱＩ１からＱＩｍでの合計値がＴＷを超えたタイミングの駆動電流のパルスをＱＩｍとする。このＱＩｍのパルスのタイミングが電流波形のピークのタイミングである。
【００９６】
駆動周波数ｆが実施の形態１のスターリング冷凍機と同一である場合、電流波形のＱＩｍのパルスのタイミングと電圧波形のＰＩ２６のパルスのタイミングとの差であるｍ−２６が、電流電圧位相差ｐｈになる。したがって、電流電圧位相差ｐｈは、下記の式で表される。
【００９７】
電流電圧位相差ｐｈ＝（ＱＩｍを取得したときのＰＩＮのタイミング値（Ｎ）−ＰＩ２６のタイミング値（２６））×１つのパルスに与えられた位相角の割合×３６０°（ＳＴ２０７）
この場合、理論上、電流電圧位相差ｐｈは、マイナス値となることが考えられる。しかしながら、電流電圧位相差ｐｈは、マイナス値となることは、実使用上はあり得ない。したがって、電流電圧位相差ｐｈがマイナス値の場合には、電流電圧位相差ｐｈはゼロに置き換えられる。
【００９８】
その後、ＳＴ２０８において、図５に示す最適駆動周波数決定処理のＳＴ３、ＳＴ７またはＳＴ１０に進む処理が実行される。
【００９９】
上記のような本実施の形態の位相差測定処理によれば、マイクロコンピュータ１０４は電流電圧位相差を正確に把握することができる。
【０１００】
（実施の形態４）
前述の実施の形態２および３においては、駆動電圧の位相と駆動電流の位相との差である電流電圧位相差を測定する。それにより、駆動周波数を変更する制御が行われている。しかしながら、ＰＷＭ制御に用いられる１つのパルスの周期は、非常に短い時間である。そのため、このＰＷＭ制御に用いられるパルスを順次測定するには非常に高速で動作するマイクロコンピュータ１０４が必要になる。その結果、マイクロコンピュータ１０４が非常に高価なものになる。したがって、スターリング冷凍機の設計の選択の幅が小さくなってしまう。
【０１０１】
そこで、本実施の形態のスターリング冷凍においては、電流電圧位相差そのものは測定されない。本実施の形態においては、簡易的に電流電圧位相差を推定することができるスターリング冷凍機を説明する。
【０１０２】
本実施の形態のスターリング冷凍機の最適駆動周波数決定処理の図１１〜図１４を用いて説明する。
【０１０３】
一般に、スターリング冷凍機は、負荷が大きい場合、すなわち大きなトルクを必要とする場合に、電流電圧位相差が大きくなる特性を有している。
【０１０４】
本実施の形態では、スターリング機関にかかる負荷を算出する。それにより、その負荷を用いて電流電圧位相差を推定する。この推定された電流電圧位相差を用いて、ピストン１の最適駆動周波数を決定する。この最適駆動周波数を決定する処理は、図１１に示されている。
【０１０５】
本実施の形態では、前述の負荷は、温度Ｔｃ（膨張空間１０の温度）および温度Ｔｈ（圧縮空間９の温度）の値を用いて数値化される。この負荷の値は、負荷ポイントＬＰと呼ばれ、次の式で表わされる。
【０１０６】
図１１に示すように、本実施の形態の最適駆動周波数決定処理においては、まず、ステップＳ１において、関数Ａ（ｘ）のｘにＴｃが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（１）が算出される。関数Ａ（ｘ）としては、図１２に示されている、ＬＰ＝０．０２×Ｔｃ×Ｔｃ−０．８×Ｔｃ＋１３が用いられる。
【０１０７】
負荷ポイントＬＰ（１）＝関数Ａ（Ｔｃ）
次に、ステップＳ２において、関数Ｂ（ｘ）のｘにＴｈが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（２）が算出される。関数Ｂ（ｘ）としては、図１３に示されている、ＬＰ＝０．０３×Ｔｈ×Ｔｈ−１．２×Ｔｈ＋１９が用いられる。
【０１０８】
負荷ポイントＬＰ（２）＝関数Ｂ（Ｔｈ）
その後、ステップＳ３において、負荷ポイントＬＰ（１）と負荷ポイントＬＰ（２）とを用いて、総合負荷ポイントＬＰ（３）が算出される。
【０１０９】
なお、関数Ａは、図１２に示すような特性を示すもので、温度Ｔｃが高くなれば、負荷ポイントＬＰ（１）は低下する特性になっており、温度Ｔｃの２次関数で示されている。
【０１１０】
また、関数Ｂは、図１３に示すような特性を示すもので、温度Ｔｈが高くなれば、負荷ポイントＬＰ（２）は飛躍的に増加する特性になっており、温度Ｔｈの２次関数で示されている。
【０１１１】
また、図１２および図１３から、関数Ａの絶対値と関数Ｂの絶対値との比較を行うと、関数Ｂの影響力が関数Ａの影響力よりも強いことが分かる。また、関数Ａの最大値と関数Ｂの最大値とは同じである。
【０１１２】
総合負荷ポイント（３）の算出式は、関数Ｂに係数Ｃが付加されたものが用いられる。したがって、負荷ポイントＬＰ（１）と負荷ポイントＬＰ（２）とを加えた総合負荷ポイントＬＰ（３）は、次の式で表される。
【０１１３】
総合負荷ポイントＬＰ（３）＝関数Ａ（Ｔｃ）＋Ｃ×関数Ｂ（Ｔｈ）
なお、Ｃは係数である。
【０１１４】
次に、ステップＳ４において、総合負荷ポイントＬＰ（３）を用いて、ピストン１の駆動周波数ｆを算出する。
【０１１５】
この算出式は、次のような式が用いられる。
駆動周波数ｆ＝関数ＦＬ（総合負荷ポイントＬＰ（３））
すなわち、図１４に示すように、ｆ＝０．０１×（総合負荷ポイントＬＰ（３）−５０）＋１００
この関数ＦＬは、図１４に示すような特性を示すもので、総合負荷ポイントＬＰ（３）が大きければ大きいほど比例的に駆動周波数ｆが増加する特性になっており、総合負荷ポイントＬＰの１次関数で示される。
【０１１６】
上記のようなスターリング冷凍機によれば、実施の形態２および３に比較してマイクロコンピュータ１０４の制御負担が軽減される。そのため、非常に高速で動作できないマイクロコンピュータ１０４を使用しても、ピストン１の駆動効率を向上させることができる。その結果、スターリング冷凍機の製造コストを低減することが可能になる。また、スターリング冷凍機の設計における選択の幅を広げることができる。
【０１１７】
（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４で用いられた温度Ｔｃおよび温度Ｔｈに代えて、温度Ｔｃ（膨張空間１０の温度）および温度Ｔｂ（バウンス空間８の温度）で電流電圧位相差を推定する。この推定された電流電圧位相差を用いて、ピストン１の最適駆動周波数を決定する。この最適駆動周波数を決定する処理は、図１５に示されている。
【０１１８】
図１５に示すように、本実施の形態の最適駆動周波数決定処理においては、まず、ステップＳ１１において、関数Ａ（ｘ）のｘにＴｃが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（１）が算出される。関数Ａ（ｘ）としては、図１２に示されている、ＬＰ＝０．０２×Ｔｃ×Ｔｃ−０．８×Ｔｃ＋１３が用いられる。
【０１１９】
負荷ポイントＬＰ（１）＝関数Ａ（Ｔｃ）
次に、ステップＳ１２において、関数Ｄ（ｘ）のｘにＴｂが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（４）が算出される。関数Ｄ（ｘ）としては、図１６に示されている、ＬＰ＝０．０４５×Ｔｂ×Ｔｂ−１．２×Ｔｂ＋１９が用いられる。
【０１２０】
負荷ポイントＬＰ（４）＝関数Ｄ（Ｔｂ）
その後、ステップＳ１３において、負荷ポイントＬＰ（１）と負荷ポイントＬＰ（４）とを用いて、総合負荷ポイントＬＰ（５）が算出される。
【０１２１】
総合負荷ポイントＬＰ（５）＝関数Ａ（Ｔｃ）＋Ｆ×関数Ｄ（Ｔｂ）
なお、Ｆは係数である。
【０１２２】
前述の総合負荷ポイントＬＰ（５）の関数Ａ（Ｔｃ）は、実施の形態４の図１０に示す関数Ａ（Ｔｃ）と同じものである。
【０１２３】
関数Ｄ（Ｔｂ）は、図１６に示すように、図１３に示す関数Ｂ（Ｔｈ）とよく似た特性を示すが、関数Ｂ（Ｔｈ）よりやや勾配が急峻である。また、ＴｂとＴｈとが同じ値である場合には、関数Ｄ（Ｔｂ）は、関数Ｂ（Ｔｈ）よりも大きな値（絶対値）を示す関数である。
【０１２４】
次に、ステップＳ１４において、総合負荷ポイント（５）を用いて、ピストン１の駆動周波数ｆを算出する。
【０１２５】
この算出式は、次のような式が用いられる。
駆動周波数ｆ＝関数ＦＬ（総合負荷ポイントＬＰ（５））
なお、総合負荷ポイント（５）を算出するための関数ＦＬは、実施の形態４において図１４に示されている式と同様である。
【０１２６】
すなわち、ｆ＝０．０１×（総合負荷ポイントＬＰ（５）−５０）＋１００が用いられる。
【０１２７】
上記のようなスターリング冷凍機によっても、実施の形態４と同様に、実施の形態２および３に比較してマイクロコンピュータ１０４の制御負担が軽減される。そのため、非常に高速で動作できないマイクロコンピュータ１０４を使用しても、ピストン１の駆動効率を向上させることができる。その結果、スターリング冷凍機の製造コストを低減することが可能になる。また、スターリング冷凍機の設計における選択の幅を広げることができる。
【０１２８】
（実施の形態６）
本実施の形態のスターリング冷凍機は、実施の形態４および５のそれぞれで用いられた最適駆動周波数決定処理による制御を、運転時間により使い分けることが可能である。
【０１２９】
つまり、本実施の形態のスターリング冷凍機は、実施の形態４で用いられた温度Ｔｃおよび温度Ｔｈを用いて電流電圧位相差を推定する制御と、温度Ｔｃおよび温度Ｔｂを用いて電流電圧位相差を推定する制御とを選択することが可能である。この推定された電流電圧位相差を用いて、ピストン１の最適駆動周波数を決定する。この最適駆動周波数を決定する処理は、図１７に示されている。
【０１３０】
図１７に示すように、本実施の形態の最適駆動周波数決定処理においては、まず、スターリング冷凍機の運転が開始された直後から運転時間を計測する。したがって、図１７に示すように、Ｓ２０において、タイマをスタートさせ、運転時間の計時を開始する。
【０１３１】
ステップＳ２１において、関数Ａ（ｘ）のｘにＴｃが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（１）が算出される。関数Ａ（ｘ）としては、図１２に示されている、ＬＰ＝０．０２×Ｔｃ×Ｔｃ−０．８×Ｔｃ＋１３が用いられる。
【０１３２】
負荷ポイントＬＰ（１）＝関数Ａ（Ｔｃ）
次に、ステップＳ２２ａにおいて、タイマにより計時された時間が、所定時間（たとえば、６０分）を経過しているか否かが判別される。Ｓ２２ａにおいて、タイマが所定時間を経過している場合には、Ｓ２２ｂにおいて関数ＢにＴｈが代入される。また、Ｓ２２ａにおいて、タイマが所定時間を経過していない場合には、Ｓ２２ｃにおいて関数Ｄ（ｘ）のｘにＴｂが代入される。関数Ｂ（ｘ）としては、図１３に示されている、ＬＰ＝０．０３×Ｔｈ×Ｔｈ−１．２×Ｔｈ＋１９が用いられる。関数Ｄ（ｘ）としては、図１６に示されている、ＬＰ＝０．０４５×Ｔｂ×Ｔｂ−１．２×Ｔｂ＋１９が用いられる。
【０１３３】
次に、Ｓ２３のステップが実行される。Ｓ２３においては、運転時間が所定の時間以内の場合は、実施の形態５で用いた総合負荷ポイントＬＰ（５）の式を用いて総合負荷ポイントＬＰが算出される。また、Ｓ２３においては、運転時間が所定の時間よりも長くなった場合には、実施の形態４で用いた総合負荷ポイントＬＰ（３）の式を用いて総合負荷ポイントＬＰが算出される。
【０１３４】
次に、Ｓ２４においては、総合負荷ポイントＬＰ（３）または総合負荷ポイントＬＰ（５）を用いて、ピストン１の駆動周波数ｆが算出される。
【０１３５】
なお、総合負荷ポイントＬＰ（３）または総合負荷ポイント（５）を算出するための関数ＦＬは、ｆ＝０．０１×（総合負荷ポイントＬＰ（３または５）−５０）＋１００であり、実施の形態４において図１４に示されている式と同様である。
【０１３６】
前述のような制御を行う理由は次のようなものである。
スターリング冷凍機の運転が開始された直後においては、温度Ｔｈは急速に上昇する。したがって、スターリング冷凍機の運転が開始された直後に、温度Ｔｃおよび温度Ｔｈを用いて、総合負荷ポイントを算出すると、実際のスターリング冷凍機の負荷が上昇していないときに、負荷ポイントが上昇したとマイクロコンピュータ１０４が判断してしまう。そのため、実際にスターリング冷凍機にかかかる負荷と、温度検知を用いて推定された負荷とに大きな隔たりが生じる。その場合、スターリング冷凍機の状態に適していない制御を行うことになる。
【０１３７】
一方、温度Ｔｈに対して温度Ｔｂは緩やかに上昇する。したがって、スターリング冷凍機の運転を開始した直後では、温度Ｔｂは、実際のスターリング冷凍機にかかる負荷の状態に近い変動を示す。
【０１３８】
そこで、スターリング冷凍機の運転を開始した直後には、温度Ｔｂを総合負荷ポイントの算出に用いる。また、スターリング冷凍機の運転が安定した状態になった後は、温度Ｔｈを総合負荷の算出に用いる。それにより、スターリング冷凍機にかかる負荷を、運転が開始された直後の期間および運転が安定した期間のそれぞれに応じて適切に推定することができる。
【０１３９】
（実施の形態７）
本実施の形態のスターリング冷凍機では、膨張空間９の温度Ｔｃ、圧縮空間９の温度Ｔｈ、およびバウンス空間８の温度Ｔｂの３つの部分の温度から負荷を算出し、その負荷を用いて電流電圧位相差を推定する。この推定された電流電圧位相差を用いて、ピストン１の最適駆動周波数を決定する。この最適駆動周波数を決定する処理は、図１８に示されている。
【０１４０】
図１８に示すように、本実施の形態の最適駆動周波数決定処理においては、まず、ステップＳ３１において、関数Ｘ（ｘ）のｘにＴｃが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（６）が算出される。
【０１４１】
次に、ステップＳ３２ａにおいて、関数Ｙ（ｘ）のｘにＴｈが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（７）が算出される。
【０１４２】
次に、ステップＳ３２ｂにおいて、関数Ｚ（ｘ）のｘにＴｂが代入される。それにより、負荷ポイントＬＰ（８）が算出される。
【０１４３】
その後、ステップＳ３３において、負荷ポイントＬＰ（６）、負荷ポイントＬＰ（７）および負荷ポイント（８）を用いて、総合負荷ポイントＬＰ（９）が算出される。
【０１４４】
総合負荷ポイントＬＰ（９）＝関数Ｘ（Ｔｃ）＋Ｇ×関数Ｙ（Ｔｈ）＋Ｈ×関数Ｚ（Ｔｂ）
なお、ＧおよびＨは係数である。
【０１４５】
関数Ｘ（Ｔｃ）は関数Ａ（Ｔｃ）に類似する関数であり、関数Ｙ（Ｔｈ）は関数Ｂ（Ｔｈ）に類似する関数であり、関数Ｚ（Ｔｂ）は関数Ｄ（Ｔｂ）に類似する関数である。
【０１４６】
ただし、関数Ｘ（Ｔｃ）、関数Ｙ（Ｔｈ）および関数Ｚ（Ｔｂ）それぞれは、関数Ａ（Ｔｃ）、関数Ｂ（Ｔｈ）および関数Ｄ（Ｔｂ）に対して、比率が異なっている。なお、本実施の形態では、関数Ｘ（Ｔｃ）、関数Ｙ（Ｔｈ）および関数Ｚ（Ｔｂ）を用いたが、前述の実施の形態４〜６と同様に、関数Ｘ（Ｔｃ）の代わりに関数Ａ（Ｔｃ）を用い、関数Ｙ（Ｔｈ）の代わりに関数Ｂ（Ｔｈ）を用い、かつ関数Ｚ（Ｔｂ）の代わりに関数Ｄ（Ｔｂ）を用いてもよい。
【０１４７】
その後、ステップＳ３４において、総合負荷ポイントＬＰ（９）を用いてピストン１の駆動周波数ｆ＝関数ＦＬ（総合負荷ポイントＬＰ（９））を算出する。
【０１４８】
なお、総合負荷ポイントＬＰ（９）を算出するための関数ＦＬは、ｆ＝０．０１×（総合負荷ポイントＬＰ（９）−５０）＋１００であり、実施の形態４において図１４に示されている式と同様である。
【０１４９】
上記の本実施の形態のスターリング冷凍機によれば、膨張空間１０の温度Ｔｃ、圧縮空間９の温度Ｔｈおよびバウンス空間８の温度Ｔｂの３つの部分の温度から負荷を算出し、その負荷を用いて電流電圧位相差を推定するため、実施の形態４および５の手法よりも適正に負荷を算出することが可能になる。
【０１５０】
なお、上記の実施の形態では、スターリング冷凍機を例にして、スターリング機関を説明した。
【０１５１】
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。
【０１５２】
【発明の効果】
本発明によれば、スターリング冷凍機にかかる負荷に基づいて、ピストンの駆動周波数を変更するため、バネ定数の変化などに関わらず駆動効率を向上させた運転が可能になる
【図面の簡単な説明】
【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】実施の形態１の最適駆動周波数決定処理を説明するためのフローチャートである。
【図６】ＰＷＭの交流電圧の波形とパルス波形との関係を示す図である。
【図７】実施の形態２の電流電圧位相差の測定手法を説明するための駆動電圧の波形と駆動電流の波形との関係を示す図である。
【図８】実施の形態２の位相差測定処理を説明するためフローチャートである。
【図９】実施の形態３の電流電圧位相差の測定手法を説明するための駆動電圧の波形と駆動電流の波形との関係を示す図である。
【図１０】実施の形態３の位相差測定処理を説明するためフローチャートである。
【図１１】実施の形態４の最適駆動周波数決定処理を説明するための図である。
【図１２】実施の形態４〜７で用いられる関数Ａを示すグラフである。
【図１３】実施の形態４、６および７で用いられる関数Ｂを示すグラフである。
【図１４】実施の形態４〜７で用いられる関数Ｃを示すグラフである。
【図１５】実施の形態５の最適駆動周波数決定処理を説明するための図である。
【図１６】実施の形態５〜７で用いられる関数Ｄを示すグラフである。
【図１７】実施の形態６の最適駆動周波数決定処理を説明するための図である。
【図１８】実施の形態７の最適駆動周波数決定処理を説明するための図である。
【符号の説明】
２ ディスプレーサ、３ ピストン、８ バウンス空間、９ 圧縮空間、１０膨張空間、１３ リニアモータ。

Claims (6)

1. ピストンに駆動力を与えることにより、該ピストンとディスプレーサとが位相差を有しながら同軸上を所定の周期で往復運動し、当該往復運動に起因して、熱交換媒体の熱交換サイクルが形成されるスターリング機関であって、
   前記ピストンに与える駆動力を生成するリニアモータと、
   該リニアモータに前記駆動力を与えるための交流電力を生成する電源と、
   前記交流電力の制御を行なう制御装置と、
   前記交流電力の電圧の位相と、電流の位相とを検知する手段とを備え、
   該制御装置は、電圧の位相と電流の位相との位相差が小さくなるように、前記交流電力の周波数を変更する周波数変更部を備える、スターリング機関。
2. ピストンに駆動力を与えることにより、該ピストンとディスプレーサとが位相差を有しながら同軸上を所定の周期で往復運動し、当該往復運動に起因して、熱交換媒体の熱交換サイクルが形成されるスターリング機関であって、
   前記ピストンに与える駆動力を生成するリニアモータと、
   該リニアモータに前記駆動力を与えるための交流電力を生成する電源と、
   前記交流電力の制御を行なう制御装置とを備え、
   該制御装置は、前記交流電力の周波数を変更する周波数変更部と、
   当該スターリング機関にかかる負荷を算出する負荷算出部とを含み、
   前記周波数変更部は、前記負荷算出部により算出された負荷に基づいて、前記交流電力の周波数を変更する、スターリング機関。
3. 前記負荷算出部は、前記負荷として前記交流電力の電流の位相と電圧の位相との差を検出する電流電圧位相差検出部を含み、
   前記周波数変更部は、前記電流電圧位相差が小さくなるように、前記交流電力の周波数を変更する、請求項２に記載のスターリング機関。
4. 前記電流電圧位相差として、電流波形のピークのタイミングと電圧波形のピークのタイミングとの差を用いる、請求項３に記載のスターリング機関。
5. 当該スターリング機関は、
   前記熱交換サイクルにおいて冷媒が圧縮される圧縮空間と、
   前記熱交換サイクルにおいて冷媒が膨張する膨張空間と、
   前記熱交換サイクルを構成する膨張空間とは前記ピストンを介して隔たれた背面空間とをさらに備え、
   前記負荷算出部は、前記圧縮空間の温度、前記膨張空間の温度、および前記背面空間の温度のうち少なくともいずれか２つの温度を用いて、前記負荷を算出する、請求項２に記載のスターリング機関。
6. 前記負荷算出部は、当該スターリング機関の運転開始から所定時間までは、前記膨張空間の温度と前記背面空間の温度とを用いて前記負荷を算出し、前記所定時間の経過後においては、前記膨張空間の温度と前記圧縮空間の温度とを用いて前記負荷を算出する、請求項５に記載のスターリング機関。

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