JP2005257116A - スターリング冷凍機およびそれが搭載された冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 スターリング冷凍機が冷却庫に用いられる場合に、冷却庫の消費電力の低減を図ることができるスターリング冷凍機および冷却庫を提供する。
【解決手段】 スターリング冷凍機を最高運転効率ＣＯＰ＿Ｍで運転させるときのピストンの最適ストロークＸｈの値が取得される。次に、ピストンの現在のストロークＸｐＡの値が取得される。その後、現在のストロークＸｐＡが最適ストロークＸｈよりも所定値以上小さいか否かが判別される。現在のストロークＸｐＡが最適ストロークＸｈよりも所定値以上小さいと判定されたことを条件として、ＯＮ期間においてスターリング冷凍機の運転効率が最高運転効率ＣＯＰ＿Ｍとなる最適ストロークＸｈでピストンを動作させるＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、スターリング冷凍機およびそれが搭載された冷却庫に関するものである。

実開平５−１０９６６号公報には、通常のコンプレッサ冷凍機を利用して、冷凍庫、冷蔵庫、冷凍冷蔵庫、自動販売機の保管庫、および保冷庫等の冷却庫を制御する方法が開示されている。なお、本明細書においては、冷凍および冷蔵の双方を含めた概念として冷却という用語を用いる。つまり、冷却庫は、冷却の対象となる空間を外気よりも低い温度にする装置の全てをいうものとする。また、冷凍冷蔵庫とは、対象物を凍結させる冷凍庫と、対象物を凍結させることはないが、対象物の周囲空間を外気よりも低い温度に保持する冷蔵庫との双方を有する冷却庫であるものとする。

前述の冷却庫の制御方法においては、インバータ制御（周波数可変制御）を用いていない。したがって、冷却庫内の温度の調節は、コンプレッサのピストンを動作させるＯＮ期間とコンプレッサのピストンを停止させるＯＦＦ期間とを有する、いわゆるＯＮ／ＯＦＦ制御によって行なわれている。このＯＮ／ＯＦＦ制御は、冷却庫内の温度が所定の温度以下であれば、冷凍機をＯＦＦするとともに、冷却庫内の温度が所定の温度よりも高くなれば、冷凍機をＯＮする制御である。また、このＯＮ／ＯＦＦ制御は、コンプレッサの運転効率のとは無関係に行なわれている。

一方、特開平６−１３７７３８号公報に示されるように、近年インバータ制御の技術が進歩している。そのため、冷凍機をＯＦＦすることなく、かつ、冷却庫の熱負荷に応じた冷凍能力を発揮しながら、冷凍機を連続して運転することが可能になっている。インバータ制御を行った場合、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行った場合に比較して、エバポレータから冷凍機へフロンガスが逆流すること等に起因したロスが発生しない。そのため、冷却庫の消費電力を低減させることが可能になっている。

また、冷却庫に用いられる冷凍機としてスターリング冷凍機が用いられるとともに、制御回路としてインバータ制御回路が用いられる場合には、通常のコンプレッサが用いられる場合に比較して、冷凍能力を変更することができる範囲が広くなる。そのため、冷凍機が従来よりも高い冷凍能力を発揮する運転を連続的に行なうことによって、冷却庫内の空間をより低い温度に保持することが可能になっている。
実開平５−１０９６６号公報 特開平６−１３７７３８号公報

冷却庫の冷凍機としてスターリング冷凍機が用いられる場合には、ピストンのストロークによって、スターリング冷凍機の運転効率（ＣＯＰ：Coefficient of Performance：成績係数）が異なる。そのため、運転効率が低いストロークでスターリング冷凍機を連続的に運転すると、冷却庫の消費電力を低減させることができない。

本発明の目的は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、消費電力を低減することが可能なスターリング冷凍機およびそれが搭載された冷却庫を提供することである。

本発明のスターリング冷凍機は、ピストンを往復運動させることによって冷凍サイクルが形成されるスターリング冷凍機である。そのスターリング冷凍機は、スターリング冷凍機を最高運転効率で運転させるときのピストンの最適ストローク値を取得する手段と、ピストンの現在のストローク値を取得する手段とを備えている。また、スターリング冷凍機は、現在のストローク値が最適ストローク値よりも所定値以上小さいか否かを判別する判別手段と、判別手段によって現在のストローク値が最適ストローク値よりも所定値以上小さいと判定されたことを条件として、最適ストローク値でピストンを動作させ、ＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段とを備えている。

上記の冷却庫によれば、現在のストロークが最適ストロークよりも所定値以上小さいか否かの判別がなされる。それにより、最適ストロークでピストンを動作させたときのスターリング冷凍機の冷凍能力が、外部から冷却空間に与えられる熱負荷よりも、所定値以上大きくなっているか否かが判別される。それにより、最適ストロークでピストンを動作させたときのスターリング冷凍機の冷凍能力が、外部から冷却空間に与えられる熱負荷よりも、かなり大きくなっている場合には、最適ストロークでピストンを動作させるＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される。その結果、スターリング冷凍機の運転効率は最高値となる。したがって、スターリング冷凍機は、冷却空間を設定温度に維持する冷凍能力を発揮しながら、スターリング冷凍機の消費電力を最も効率的に軽減することができる。

また、スターリング冷凍機は、ピストンの動作に従って動くディスプレーサを備え、制御手段が、ピストンとディスプレーサとを共振周波数で駆動させることが望ましい。このスターリング冷凍機によれば、ピストンのストロークのみを変更することで運転効率を制御することができる。したがって、運転効率の向上のための制御が容易になる。

さらに、制御手段は、現在のストローク値、最適ストローク値、および最高運転効率の値を用いて、現在のストローク値でピストンを動作させたときの現在の運転効率を算出する手段を備えていることが望ましい。また、制御手段は、現在のストロークで運転されているスターリング冷凍機が消費している現在の消費電力を算出する手段を備えていることが望ましい。また、制御手段は、現在の運転効率の値および現在の消費電力の値を用いて、現在の冷凍能力を算出する手段を備えていることが望ましい。また、制御手段は、最適ストローク値で運転されているスターリング冷凍機が消費している高効率時の消費電力の値を算出する手段を備えていることが望ましい。また、制御手段は、最高運転効率の値および高効率時の消費電力の値を用いて、高効率時の冷凍能力を算出する手段を備えていることが望ましい。また、制御手段は、高効率時の冷凍能力の値に対する現在の冷凍能力の比をデューティ比として用いて、ＯＮ／ＯＦＦ制御を実行する手段を備えていることが望ましい。

上記の制御手段を備えたスターリング冷凍機によれば、前述のＯＮ／ＯＦＦ制御によって消費電力の低減を図りながら、スターリング冷凍機の冷凍能力を前述のＯＮ／ＯＦＦ制御を行なう直前の値に維持することができる。そのため、冷却空間へ与えられる熱負荷がかなり小さい場合には、前述のＯＮ／ＯＦＦ制御によって、冷却空間の温度をほぼ一定に保持することができる。

本発明の冷却庫は、前述のスターリング冷凍機とスターリング冷凍機が生成する冷熱によって冷却される冷却空間とを有する冷却庫である。また、冷却庫は、冷却空間内の温度を測定する庫内センサを備えており、制御手段は、庫内センサの温度が設定温度を含む所定の範囲内の温度（安定領域に入った）になったことを条件として、判別手段による判別を行なう。

上記の冷却庫によれば、冷却空間の温度が安定した後で、ＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される。そのため、冷却空間の温度が安定しないままＯＮ／ＯＦＦ制御が実行されることに起因して生じる不都合が抑制される。

また、前述の冷却庫においては、庫内センサの温度が設定温度を含む所定の範囲内の温度になったときに計時を開始するタイマを判別手段が有し、タイマが所定の時間を計時し終えたことを条件として、判別手段による判別が行なわれることが望ましい。

上記のスターリング冷凍機によれば、冷却空間内の温度が安定している時間が所定時間以上継続した後で、ＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される。したがって、ＯＮ／ＯＦＦ制御と他の制御との切り替えが頻繁に生じることに起因した不都合の発生を防止することができる。

また、前述の冷却庫は、制御手段が、ＯＦＦ期間において、庫内センサによって測定された単位時間あたりの上昇温度を算出する手段と、ＯＮ期間において、庫内センサによって測定された単位時間あたりの下降温度を算出する手段と、上昇温度と下降温度との和に対する上昇温度の比を、ＯＮ／ＯＦＦ制御のデューティ比として用いて、前述のＯＮ／ＯＦＦ制御を実行することが望ましい。

上記の冷却庫によれば、ＯＮ／ＯＦＦ制御の実行中においては、冷却空間内の温度の変化に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御のデューティ比を決定することができる。

前述のスターリング冷凍機においては、現在のストロークと最適ストロークとの比較を行なってＯＮ／ＯＦＦ制御を実行するかどうかを決定したが、最適ストロークの代わりに他の目標ストロークが用いられてもよい。ただし、目標ストロークが用いられる場合においても、ピストンを目標ストロークで動作させたときのスターリング冷凍機の運転効率が、ピストンを現在のストロークで動作させたときのスターリング冷凍機の運転効率の値よりもある値だけ高くなるように、所定値が設定されている必要がある。この方法によれば、最適ストローク以外の目標ストロークでピストンが動作するＯＮ／ＯＦＦ制御によっても、スターリング冷凍機の運転効率を向上させることができる。

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。

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。

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。

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。

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。

駆動用コイル１６には、リード線２０および２１が接続されている。リード線２０および２１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。

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。

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。

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および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。

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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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５へ流入する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以下、本実施の形態の冷却庫について、図面を参照しながら説明する。

図５は、フリーピストン型スターリング冷凍機を搭載した冷却庫の横断面の模式図である。図５に示すように、冷却庫は、冷却される対象物が収納される冷却空間１１６と、冷却空間１１６内の温度を低下させるためのスターリング冷凍機４０とを備えている。

冷却空間１１６内にはエバポレータ１３０が設けられている。エバポレータ１３０とスターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部（前述の膨張空間１０）とは冷温側２次冷媒配管２００によって接続されている。したがって、膨張空間の冷熱は、低温側２次冷媒配管２００内を流れる２次冷媒（たとえば、二酸化炭素）によってエバポレータ１３０に伝達される。エバポレータ１３０は、２次冷媒が搬送する冷熱を冷却空間１１６に伝達する。この冷熱の伝達は、冷却用ファン１２０によって促進される。

スターリング冷凍機４０の近傍には、Ｔｈ側放熱フィン１１３が設けられている。スターリング冷凍機４０の放熱用熱交換部（前述の圧縮空間９）とＴｈ側放熱フィン１１３とは高温側２次冷媒配管３００によって接続されている。圧縮空間９の温熱は、高温側２次冷媒配管３００によって内を流れる２次冷媒（たとえば、水）によってＴｈ側放熱フィン１１３に伝達される。Ｔｈ側放熱フィン１１３は、２次冷媒が搬送する温熱を冷却庫１００の外部に放出する。このＴｈ側放熱フィン１１３が温熱を放出する作用は、放熱ファン１１９によって促進される。

スターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部（膨張空間１０）の温度Ｔｃを測定する温度センサ３４、および、スターリング冷凍機４０の放熱用熱交換部（圧縮空間９）の温度Ｔｈを測定する温度センサ３５は、前述したものと同様である。また、冷却空間１１６の温度Ｔｋを測定する温度センサ１１７が冷却空間１１６を構成する冷却室の内壁に取り付けられている。前述の温度センサ１１７により検出された温度Ｔｋを示す信号は、図２に示すように、制御ボックス３０内のＴｋＡ／Ｄ変換部１７０に送信される。

また、本発明において用いられる式および表は、図４に示すＲＯＭ１２１に記憶されている。また、それらの式および表中の数値は、使用されるときに、ＲＡＭ１２２に一時記憶される。

図５に示すように、本実施の形態の冷却庫１００が運転されているときには、次のような作用が生じる。

温度センサ３４において測定された吸熱用熱交換部の温度Ｔｃの値は、制御ボックス３０に送信される。温度センサ３５において測定された放熱用熱交換部の温度Ｔｈの値は、制御ボックス３０に送信される。スターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部の冷熱は、低温側２次冷媒配管２００内を流れる二酸化炭素によってエバポレータ１３０に伝達される。エバポレータ１３０によって冷却空間１１６内の空気に冷熱が伝達される。この冷熱は、冷却用ファン１２０の機能によって冷却空間１１６内を対流する。温度センサ１１７によって測定された冷却空間１１６内の冷気の温度Ｔｋの値は制御ボックス３０に送信される。

スターリング冷凍機４０の放熱側交換部の温熱は、高温側２次冷媒配管３００を流れる水（水蒸気）によって放熱フィン１１３に伝達される。放熱フィン１１３において発せられた熱は、放熱用ファン１１９によって冷却庫１００の外部へ排気される。

図６は、スターリング冷凍機４０の温度Ｔｃおよび温度Ｔｈが一定値である場合のピストン１のストロークＸｐと運転効率ＣＯＰと間の関係を示すグラフである。このグラフは、２次関数で示される。また、図６においては、ストロークＸｐのほぼ中間値の近傍に運転効ＣＯＰ率のピークが位置している。この運転効率のピークに対応するピストン１のストロークＸｐを最適ストロークＸｈとする。このピークは、吸熱用熱交換部の温度Ｔｃおよび放熱用熱交換部の温度Ｔｈのうち少なくともいずれか一方が変化すると、移動する。ただし、図６において、ピークの位置が移動しても、図６に示すグラフに示される曲線の形状は変化しないことが分かっている。

なお、運転効率ＣＯＰとは、スターリング冷凍機４０の冷凍能力（Ｋｗ／単位時間）をスターリング冷凍機４０の消費電力（Ｋｗ／単位時間）で除して得られる値である。また、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の吸熱用熱交換部を伝熱ヒータで熱するとともに、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。

スターリング冷凍機４０の消費電力は、スターリング冷凍機４０のリニアモータ１３に印加される電圧値、スターリング冷凍機４０のリニアモータ１３に流れる電流値、ならびに、その電圧値および電流値でスターリング冷凍機４０を運転しているときの力率ＰＦの積の値である。

図７は、温度Ｔｈが一定値である場合において、最適ストロークＸｈと温度Ｔｃとの間の関係を示すグラフである。このグラフも、２次関数で示される。図７に示すグラフから分かるように、温度Ｔｃが低くなると最適ストロークＸｈが小さくなる傾向がある。

図８は、温度Ｔｃが一定値である場合において、最適ストロークＸｈと温度Ｔｈとの間の関係を示すグラフである。このグラフも、２次関数で示される。図８に示すグラフから分かるように、温度Ｔｈが高くなると最適ストロークＸｈが小さくなる傾向がある。

前述の図６〜図８に示すグラフのそれぞれは、関数化され得るものである。その関数を示す式は、制御ボックス３０内のマイクロコンピュータ１０４内のＲＯＭ１２１に記憶されている。

本実施の形態の制御ボックス３０においては、温度センサ３４および温度センサ３５によって検出された温度Ｔｃおよび温度Ｔｈの値を用いて、運転中の実際のスターリング冷凍機４０のストロークＸｐとは関係なく、常に、運転効率ＣＯＰが最も高いときの最適ストロークＸｈの値が算出される。

最適ストロークＸｈの値は、次の式（１）を用いて算出される。

Ｘｈ＝Ｃ１×（Ｃ２×（Ｔｃ−Ｃ３）²＋１）×（Ｃ４×（Ｔｈ−Ｃ５）²＋１）・・・（１）
ここで、Ｃ１〜Ｃ５は定数である。

また、表１は、温度Ｔｃおよび温度Ｔｈが決定されたときの、運転効率ＣＯＰが最も高くなるときの最高運転効率ＣＯＰ＿Ｍの値を示す表である。

この表中の数値は、温度Ｔｃ（−４０℃〜１０℃）および温度Ｔｈ（１０℃〜６０℃）のそれぞれの値を１度ずつ変化させたときのＣＯＰの値が１０２４倍されたＡＣＯＰの値である。

たとえば、ＣＯＰが２．１である場合には、
ＡＣＯＰ＝ＣＯＰ×１０２４＝２．１×１０２４＝２１５０である。

運転効率ＣＯＰを計算によって算出することは可能であるが、運転効率ＣＯＰの近似式は、多次数の多項式になるため、近似式を用いて計算された結果の値には大きな誤差が含まれる。また、近似式を用いた計算には多くの時間を要する。そのため、予め、ＡＣＯＰをデータテーブルとしてＲＯＭ１２１に記憶させている。そのデータデーブルが表１に示されている。

前述の表１とスターリング冷凍機４０の温度Ｔｃおよび温度Ｔｈを用いて、ストロークＸｐでスターリング冷凍機４０のピストン１を動作させた場合のＣＯＰ＿Ｍの値を、次式のように、ＡＣＯＰを用いて、算出することが可能である。

ＣＯＰ＿Ｍ＝ＡＣＯＰ／１０２４
スターリング冷凍機４０の現在のストロークがＸｐＡであり、最適ストロークＸｈでの最も運転効率が高いＣＯＰをＣＯＰ＿Ｍとすると、現在のスターリング冷凍機４０の運転効率ＣＯＰ＿Ｇは、図３に示すグラフから導き出される関数を用いて、次の式（２）で表すことができる。

ＣＯＰ＿Ｇ＝−Ｃ６×（ＸｐＡ−Ｘｈ）²＋ＣＯＰ＿Ｍ・・・（２）
ここで、Ｃ６は正の定数である。

ピストン１がストロークＸｐＡで動作するように、スターリング冷凍機４０を運転しているときには、常に、リニアモータ１３に印加されている電圧Ｖは、図３の電圧測定回路１１２で測定される。リニアモータ１３に流れている電流Ｉは、図３の電流センサ３３で測定されている。そのため、スターリング冷凍機４０の消費電力ＷＡは、その電圧Ｖの値および電流Ｉの値を用いて算出される。この場合、熱負荷が、スターリング冷凍機４０の冷凍能力ＱＡに等しいと仮定すると、消費電力ＷＡを用いて、次式により熱負荷を算出することができる。

ＱＡ＝ＣＯＰ＿Ｇ×ＷＡ
図９は、温度センサ１１７によって検出された冷却空間１１６の温度Ｔｋをパラメータとして用いてスターリング冷凍機４０の冷凍能力を制御したときの温度Ｔｋと時間ｔとの関係を示している。図９において、スターリング冷凍機４０の運転開始直後の不安定期間において、温度センサ１１７により測定される冷却空間１１６の温度Ｔｋは、設定温度ラインに対して急速に近づく。この不安定期間においては、ＰＩＤ（Ｐ：Proportion，Ｉ：Integration，Ｄ：Differentiation）制御によりスターリング冷凍機４０の冷凍能力を制御する。最終的には、外部から冷却空間１１６内へ与えられる熱負荷とスターリング冷凍機４０の冷凍能力とが釣り合っているときのストロークＸｐＡでスターリング冷凍機４０を連続的に運転する。外部から冷却空間１１６へ与えられる熱負荷とピストン１がストロークＸｐＡで動作しているスターリング冷凍機４０の冷凍能力とが釣り合っているときの図９のグラフ上の期間を安定期間（安定領域）と呼ぶ。

制御ボックス３０は、安定期間におけるスターリング冷凍機４０の消費電力ＷＡを図３の電流センサ３３および電圧測定回路１１２を用いて得られる電圧Ｖの値および電流Ｉの値に基づいて算出する。

具体的には、制御ボックス３０は、冷却空間１１６の温度Ｔｋが、２０分連続して設定温度の±０．２℃の範囲内の温度になっている場合に、スターリング冷凍機４０が前述の安定期間の状態になっていると判断する。その時のスターリング冷凍機４０の電圧Ｖ、電流Ｉ、および力率ＰＦ（Power Factor）を測定する。また、それらの値を用いて、スターリング冷凍機４０の消費電力ＷＡを算出する。また、その時のピストン１のストロークがＸｐＡである場合に、ストロークＸｐＡの値が、最適ストロークＸｈ−Ｃ７の値より大きければ、従来のＰＩＤ制御を行なう。しかしながら、前述のストロークＸｐＡの値が、最適ストロークＸｈ−Ｃ７の値以下である場合には、ＯＮ／ＯＦＦ制御を実行する。なお、Ｃ７は定数（例えば０．２ｍｍ）である。

次に、スターリング冷凍機４０の制御を、ＰＩＤ制御からＯＮ／ＯＦＦ制御へ切り替えたときの状況について説明する。

ＯＮ／ＯＦＦ制御が実行されている場合には、外部から冷却空間１１６へ与えられる熱負荷は、運転効率ＣＯＰが最も高い最適ストロークＸｈでピストン１が動作するようにスターリング冷凍機４０を運転した時のスターリング冷凍機４０の冷凍能力より低いと考えられる。そのため、ＯＮ／ＯＦＦ制御のＯＮ期間においては、前述の運転効率ＣＯＰが最も高いときの最適ストロークＸｈでピストン１が動作するように、スターリング冷凍機４０の運転を行なう。

最適ストロークＸｈでピストン１が動作するようにスターリング冷凍機４０を運転した結果、冷却空間１１６内の温度Ｔｋが安定期間内の値になっていれば、その時の電圧Ｖ、電流Ｉ、および力率ＰＦを測定する。また、それらの値を用いて、最適消費電力Ｗｈを算出する。この場合においては、最適冷凍能力ＱＳは、次式で算出される。

ＱＳ ＝ ＣＯＰ＿Ｍ×Ｗｈ
本実施の形態においては、スターリング冷凍機４０の運転を開始した直後の設定温度よりも冷却空間１１６の内部の温度が高い場合には、ＰＩＤ制御を実行する。その後、ＰＩＤ制御を実行すると、冷却庫は安定期間の状態になる。安定期間においては、外部から冷却空間１１６へ与えられる熱負荷は、スターリング冷凍機４０の冷凍能力に等しい。したがって、ＰＩＤ制御の安定期間中においては，スターリング冷凍機４０の冷凍能力を求めることは容易である。

一方、ＯＮ／ＯＦＦ制御の実行中においては、運転効率ＣＯＰが最も高い最適ストロークＸｈの値は、温度Ｔｃおよび温度Ｔｈによって変化する。そのため、最適ストロークＸｈが変化すれば、それにともなって冷凍能力も変化する。したがって、ＯＮ／ＯＦＦ制御が実行されている場合には、外部から冷却空間１１６へ与えられる熱負荷を簡単には求めることはできない。

そこで、冷凍庫および／または冷蔵庫等を含む冷却庫１００の熱負荷を算出する手法として、スターリング冷凍機４０が停止した後の単位時間あたりの冷却空間１１６の上昇温度ＴＲＵとスターリング冷凍機４０の運転を開始した後の単位時間あたりの冷却空間１１６の下降温度ＴＲＤとを用いる手法が考えられる。

上昇温度ＴＲＵは、たとえば、スターリング冷凍機４０のＯＦＦの２分後から５分後の間の３分間の冷却空間１１６の上昇温度である。

下降温度ＴＲＤは、たとえば、スタリング冷凍機４０のＯＮの２分後から５分後の間の３分間の冷却空間１１６の下降温度である。

運転中のスターリング冷凍機４０の冷凍能力をＱＳ、外部から冷却空間１１６に与えられる熱負荷をＱＸとすると、
ＱＸ＝［上昇温度ＴＲＵ／（上昇温度ＴＲＤ＋下降温度ＴＲＵ）］×ＱＳ
の関係式（３）が成立する。

この関係式（３）は、制御ボックス３０内のマイクロコンピュータ１０４内のＲＯＭ１２１に記憶されている。

本実施の形態においては、上昇温度ＴＲＵの測定時間および下降温度ＴＲＤとの測定時間のそれぞれは３分であるが、ＯＮ／ＯＦＦ制御のＯＦＦ時間が短い場合には、上昇温度ＴＲＵの測定時間が下降温度ＴＲＤの測定時間よりも短くてもよい。この場合においても、単位時間（分）当たりの温度の変化量が算出される。

その後においては、算出された熱負荷と、温度Ｔｃおよび温度Ｔｈとを用いて算出される最も運転効率が高いときの最適ストロークＸｈを用いて算出される冷凍能力とを比較して、ＯＮ／ＯＦＦ制御のＯＮ期間とＯＦＦ期間との切り替えのタイミングを決定する。

冷却庫１００が冷凍庫と冷蔵庫との双方を有する場合には、冷凍庫の熱負荷と冷蔵庫の熱負荷とを別個に算出し、それらの熱負荷の和を冷却庫１００の熱負荷とする。

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。

本実施の形態のスターリング冷凍機４０は、ピストン１の変位Ｔが、ストローク検知で検知される。

次に、制御ボックス３０の定常時の駆動状態について図１０および図１１を用いて説明をする。図１０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のコイル１６に流れる電流Ｉ、リニアモータ１３のコイル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１１は、リニアモータ１３の等価回路図である。また、図１１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。

図１０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１１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１１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。

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。

本実施の形態においては、ピストン１の変位ＴとしてストロークＸを検出する方法について説明する。ここでは、前述の誘起電圧Ｅおよび印加電圧Ｖの周波数ｆを用いて、ストロークＸを検出する。

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、印加周波数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。

なお、前述のストロークＸの算出方法は、特開２００３−３１４９１９号公報により詳細に開示されている。

以下、本実施の形態のスターリング冷凍機および冷却庫１００の特徴およびその特徴により得られる効果を図１２に示すフローチャートに基づいて説明する。

本実施の形態のスターリング冷凍機の制御においては、制御ボックス３０によって図１２に示す制御切り替え処理が実行される。

制御切り替え処理においては、まず、制御ボックス３０は、冷却空間１１６の温度を測定する庫内センサとしての温度センサ１１７によって測定された温度Ｔｋの値を取得する。次に、Ｓ１において、温度センサ１１７の温度Ｔｋが設定温度（たとえば、１℃）を含む所定の範囲（たとえば、０．８℃〜１．２℃）内の温度になったか否かが判別される。Ｓ１において、温度Ｔｋが所定の範囲内の温度であれば、Ｓ２の処理を実行するが、温度Ｔｋが所定の範囲内の温度でなければ、Ｓ１０においてＰＩＤ制御を継続し、再度Ｓ１の処理を実行する。

本実施の形態においては、冷却空間１１６の温度Ｔｋが安定していることが確認された後で、後述するＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される。そのため、冷却空間１１６の温度Ｔｋが安定しないままＯＮ／ＯＦＦ制御が実行されることに起因して生じる不都合が抑制されている。

Ｓ２においては、タイマがスタートする。Ｓ３においては、Ｓ２においてスタートしたタイマが所定の時間を計時し終えたか否かが判別される。Ｓ３において、タイマが所定値以上であればＳ４の処理が実行されるが、タイマが所定値よりも小さければＳ１の処理が実行される。ただし、Ｓ２において、タイマが既にスタートしている場合には、Ｓ１の処理の後、Ｓ２の処理が実行されることなく、タイマの計時を継続しながら、Ｓ３の処理が実行される。

本実施の形態においては、前述のタイマを用いることによって、冷却空間１１６内の温度が安定している時間が所定時間（たとえば、２０分）以上継続した後で、後述するＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される。したがって、ＯＮ／ＯＦＦ制御と前述のＰＩＤ制御との切り替えが頻繁に生じることに起因した不都合の発生が防止されている。

次に、Ｓ４において、制御ボックス３０は、図５の温度センサ３５によって測定された放熱用熱交換部の温度Ｔｈの値を取得する。また、Ｓ５において、制御ボックス３０は、図５の温度センサ３４によって測定された吸熱用熱交換部の温度Ｔｃの値を取得する。

制御ボックス３０は、Ｓ６において、放熱用熱交換部の温度Ｔｈの値および吸熱用熱交換部の温度Ｔｃの値を用いて、前述の表１を参照することによって、最高運転効率ＣＯＰ＿Ｍの値を取得する。次に、Ｓ７において、制御ボックス３０は、放熱用熱交換部の温度Ｔｈの値および吸熱用熱交換部の温度Ｔｃの値を前述の式（１）：Ｘｈ＝Ｃ１×（Ｃ２×（Ｔｃ−Ｃ３）²＋１）×（Ｃ４×（Ｔｈ−Ｃ５）²＋１）に代入することによって、最適ストロークＸｈの値を算出する。また、Ｓ８において、図１３に示す現在のストロークＸｐＡを算出する処理が実行される。このＳ８において行なわれる現在のストロークＸｐＡ算出処理は図１３のフローチャートによって詳細に示される。

図１３に示す現在のストロークＸｐＡの算出処理においては、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を検出する。その後、Ｓ８３において、電圧Ｖを図３に示す電圧測定回路１１２を用いて算出する。次に、Ｓ８４において、位相差θ、電圧Ｖ、電流Ｉ、および巻線抵抗値Ｒを用いて、誘起電圧Ｅを算出する。その後、Ｓ８５においては、ストロークＸｐＡを前述の（５）式：Ｘ＝２×［Ｖ−Ｒ×Ｉ×ｃｏｓθ−Ｌ×ｓｉｎθ×（ｄＩ／ｄｔ）］／（２×π×ｆ×α）を用いて算出する。

次に、図１２に示すＳ９において、現在のストロークＸｐＡが最適ストロークＸｈよりも所定値Ｃ７以上小さいか否かが判別される。Ｓ９において、現在のストロークＸｐＡが最適ストロークＸｈよりも所定値Ｃ７以上小さくなければ、Ｓ１０において、ＰＩＤ制御が実行される。また、Ｓ９において、現在のストロークＸｐＡが最適ストロークＸｈよりも所定値Ｃ７以上小さければ、Ｓ１１において、ＯＮ／ＯＦＦ制御処理が実行される。

つまり、外部から冷却空間１１６へ与えられる熱負荷が、最適ストロークＸｈでピストン１が動作するようにスターリング冷凍機４０を運転したときの冷凍能力よりもかなり小さくなっていれば、後述するＯＮ／ＯＦＦ制御を実行するための制御が開始される。一方、外部から冷却空間１１６へ与えられる熱負荷が、最適ストロークＸｈでピストン１が動作するようにスターリング冷凍機４０を運転したときの冷凍能力に比較して大きいか、または、わずかに小さい場合には、ＰＩＤ制御が実行される。すなわち、スターリング冷凍機４０の冷凍能力に余裕がある場合にのみ、ＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される。したがって、スターリング冷凍機４０は、冷却空間１１６を設定温度に維持する冷凍能力を発揮しながら、運転効率が現在の運転効率ＣＯＰ＿Ｇよりも高い最適ストロークＸｈでピストン１が動作するように、運転される。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できる。

なお、後述するＯＮ／ＯＦＦ制御は、ピストン１を動作させるＯＮ期間とピストン１を停止させるＯＦＦ期間とを有している制御のことである。また、ＯＮ／ＯＦＦ制御の期間においては、現在のストロークＸｐＡでピストン１が動作するようにスターリング冷凍機４０を運転したときの運転効率よりもスターリング冷凍機４０が高い運転効率を発揮するように、変更後のストロークが決定されればよいが、スターリング冷凍機４０の消費電力を最も効率よく削減するためには、変更後のストロークの値は、最適ストロークＸｈの値であることが望ましい。

次に、図１４を用いて、ＯＮ／ＯＦＦ制御処理を説明する。図１４に示すように、ＯＮ／ＯＦＦ制御処理においては、まず、ＳＳＳ１において、制御ボックス３０は、前述の電圧Ｖの値、電流Ｉの値、および力率ＰＦの値を用いて、現在のストロークＸｐＡでピストン１が動作するようにスターリング冷凍機を運転しているときのスターリング冷凍機４０の現在の消費電力ＷＡを算出する。その後、ＳＳＳ２において、制御ボックス３０は、最高運転効率ＣＯＰ＿Ｍの値、最適ストロークＸｈの値、および現在のストロークＸｐＡの値を前述の式（２）：ＣＯＰ＿Ｇ＝−Ｃ６×（ＸｐＡ−Ｘｈ）²＋ＣＯＰ＿Ｍに代入することによって、現在の運転効率ＣＯＰ＿Ｇを算出する。次に、制御ボックス３０は、ＳＳＳ３において、現在の消費電力ＷＡの値および現在の運転効率ＣＯＰ＿Ｇの値を用いて、現在の冷凍能力ＱＡ＝ＣＯＰ＿Ｇ×ＷＡを算出する。

その後、ＳＳＳ４において、制御ボックス３０は、最適ストロークＸｈでピストン１を動作させ、最適消費電力ＷＭ＝最適電圧Ｖｍ×最適電流Ｉｍの値を算出する。ＳＳＳ５において、最高運転効率ＣＯＰ＿Ｍの値および最適消費電力ＷＭの値を用いて、最適冷凍能力ＱＭ＝ＣＯＰ＿Ｍ×ＷＭの値を算出する。

次に、ＳＳＳ６において、制御ボックス３０は、最適冷凍能力ＱＭの値に対する現在の冷凍能力ＱＡの比を、ＯＮ期間とＯＦＦ期間との比率、すなわち、ＯＮ／ＯＦＦ制御のデューティ比Ｄとして算出する。それにより、ＳＳＳ７において、最適ストロークＸｈかつデューティ比Ｄで、ＯＮ／ＯＦＦ制御が開始される。次に、ＳＳＳ８において、図１５に示すデューティ比変更処理が実行される。

図１５に示すデューティ比変更処理においては、まず、ＳＳＳＳ１において、ＯＦＦ期間における冷却空間１１６内の温度Ｔｋの単位時間あたりの上昇温度ＴＲＵと、ＯＮ期間における冷却空間１１６内の温度Ｔｋの単位時間あたりの下降温度ＴＲＤとが、温度センサ１１７によって検出される。次に、ＳＳＳＳ２において、外部から冷却空間１１６へ与えられた熱負荷ＱＸを前述の式（３）：ＱＸ＝［上昇温度ＴＲＵ／（上昇温度ＴＲＤ＋下降温度ＴＲＵ）］×ＱＳを用いて算出する。

このように、本実施の形態では、ＯＮ／ＯＦＦ制御の開始直後のデューティ比Ｄを算出するために、ＯＮ／ＯＦＦ制御の開始直前のスターリング冷凍機４０の冷凍能力ＱＡを用いるが、ＯＮ／ＯＦＦ制御が継続して実行される状態になると、外部から冷却空間１１６へ与えられる熱負荷ＱＸと考え、ＯＮ／ＯＦＦ制御のデューティ比Ｄを算出している。この理由は前述したとおりである。

次にＳＳＳＳ３において、デューティ比ＤでＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される。このとき、最適ストロークＸｈでピストン１は動作している。次に、ＳＳＳＳ４において、デューティ比Ｄが、所定値以上であるか否かが判別される。デューティ比Ｄが所定値より小さければ、デューティ比変更処理を繰り返すが、デューティ比Ｄが所定値以上であれば、図１２のＳ１０のＰＩＤ制御が実行される。

デューティ比Ｄが極端に大きければ、ＯＮ／ＯＦＦ制御のＯＦＦ期間が極端に短くなる。この状態においては、スターリング冷凍機４０の効率運転の観点におけるメリットが小さく、ＯＮ／ＯＦＦ制御することにより生じるスターリング冷凍機４０への悪影響だけが残存する。そのため、デュティ比が所定値以上か否かによってＰＩＤ制御を実行するか、ＯＮ／ＯＦＦ制御を実行するかを選択している。

上記スターリング冷凍機４０によれば、ＯＮ／ＯＦＦ制御によって消費電力の低減を図りながら、スターリング冷凍機４０の冷凍能力をＯＮ／ＯＦＦ制御を行なう直前の値に維持することができる。そのため、ＯＮ／ＯＦＦ制御を実行しても、冷却空間１１６の温度Ｔｋをほぼ一定の設定温度に保持することができる。また、本実施の形態のスターリング冷凍機４０によれば、スターリング冷凍機４０の機能のみによってＯＮ／ＯＦＦ制御を実行するか否かを決定し、それによって、スターリング冷凍機４０の運転効率を向上させることができる。

なお、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とが共振周波数で駆動するものである。したがって、ピストン１のストロークのみを変更することによって運転効率が制御されるため、運転効率ＣＯＰの向上のための制御が容易である。

また、本実施の形態の冷却庫１００においては、図１５に示すように、制御ボックス３０は、ＯＮ期間において、庫内センサとしての温度センサ１１７によって測定された単位時間あたりの上昇温度ＴＲＵを算出するとともに、ＯＦＦ期間において、温度センサ１１７によって測定された単位時間あたりの下降温度ＴＲＤを算出する。

それにより、制御ボックス３０は、前述の上昇温度ＴＲＵと前述の下降温度ＴＲＤとの和に対する上昇温度ＴＲＵの比を、ＯＮ／ＯＦＦ制御のデューティ比Ｄとして用いて、スターリング冷凍機４０のＯＮ／ＯＦＦ制御を実行する。この本実施の形態の冷却庫１００によれば、ＯＮ／ＯＦＦ制御の実行中においては、冷却空間１１６内の温度の変化に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御のデューティ比Ｄを決定することができる。そのため、外部から冷却空間１１６へ熱負荷が与えられても、冷却空間１１６の温度を設定温度に維持することが可能である。

前述のスターリング冷凍機４０においては、現在のストロークＸｐＡと最適ストロークＸｈとの比較を行なってＯＮ／ＯＦＦ制御を実行するかどうかを決定したが、最適ストロークＸｈの代わりに他の目標ストロークが用いられてもよい。つまり、目標ストロークＸｒと現在のストロークＸｐＡとを比較し、現在のストロークＸｐＡが目標ストロークＸｒより所定値以上小さい場合に、ＰＩＤ制御からＯＮ／ＯＦＦ制御へ移行する手法が用いられてもよい。

ただし、目標ストロークＸｒと現在のストロークＸｐＡとが比較される場合には、ピストン１を目標ストロークＸｒで動作させたときのスターリング冷凍機４０の運転効率ＣＯＰ＿Ｒが、ピストン１を現在のストロークＸｐＡで動作させたときのスターリング冷凍機４０の運転効率ＣＯＰ＿Ｇよりも大きくなるような定数Ｃ７の値が選択される必要がある。この方法によれば、最適ストロークＸｈ以外の目標ストロークＸｒでピストン１が動作するＯＮ／ＯＦＦ制御によっても、スターリング冷凍機４０の運転効率ＣＯＰを向上させることができる。

なお、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。

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。 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。 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。 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。 冷凍庫の横断面の模式図である。 運転効率ＣＯＰとストロークＸｐとの間の関係を示すグラフである。 スターリング冷凍機の運転効率が最も高いときの最適ストロークＸｈと温度Ｔｃとの間の関係を示すグラフである。 スターリング冷凍機の運転効率が最も高いときの最適ストロークＸｈと温度Ｔｈとの間の関係を示すグラフである。 冷却庫の内部の温度に基づいてスターリング冷凍機を制御した場合の経過時間と冷却庫の内部の温度の変化との間の関係を示すグラフである。 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。 定常時のリニアモータの等価回路図である。 実施の形態の冷却庫の制御切替処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態の冷却庫の現在のストローク算出処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態の冷却庫のＯＮ／ＯＦＦ制御処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態の冷却庫のデューティ比変更処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１１２ エバポレータ、１１３ Ｔｈ側放熱フィン、１１９ 放熱ファン、１２０ 冷却用ファン、３０ 制御ボックス、３４，３５，１１７ 温度センサ、４０スターリング冷凍機、１１６ 冷却空間。

Claims (7)

1. ピストンを往復運動させることによって冷凍サイクルが形成されるスターリング冷凍機であって、
   前記スターリング冷凍機を最高運転効率で運転させるときのピストンの最適ストローク値を取得する手段と、
   前記ピストンの現在のストローク値を取得する手段と、
   前記現在のストローク値が前記最適ストローク値よりも所定値以上小さいか否かを判別する判別手段と、
   前記判別手段によって前記現在のストロークが前記最適ストローク値よりも所定値以上小さいと判定されたことを条件として、前記最適ストローク値で前記ピストンを動作させ、ＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段とを備えた、スターリング冷凍機。
2. 前記スターリング冷凍機は、前記ピストンの動作に従って動くディスプレーサを備え、
   前記制御手段は、前記ピストンと前記ディスプレーサとを共振周波数で駆動させる、請求項１に記載のスターリング冷凍機。
3. 前記制御手段は、
   前記現在のストローク値、前記最適ストローク値、および前記最高運転効率の値を用いて、前記現在のストローク値で前記ピストンを動作させているときの現在の運転効率を算出する手段と、
   前記現在の運転効率で運転されている前記スターリング冷凍機が消費している現在の消費電力を算出する手段と、
   前記現在の運転効率の値および前現在の消費電力の値を用いて、現在の冷凍能力を算出する手段と、
   前記最適ストロークで運転されている前記スターリング冷凍機が消費している高効率時の消費電力の値を算出する手段と、
   前記最高運転効率の値および前記高効率時の消費電力の値を用いて、高効率時の冷凍能力を算出する手段と、
   前記高効率時の冷凍能力の値に対する前記現在の冷凍能力の比をデューティ比として用いて、前記ＯＮ／ＯＦＦ制御を実行する手段とを有する、請求項１に記載のスターリング冷凍機。
4. 請求項１に記載のスターリング冷凍機と該スターリング冷凍機が生成する冷熱によって冷却される冷却空間とを有する冷却庫であって、
   前記冷却庫は、前記冷却空間内の温度を測定する庫内センサを備え、
   前記制御手段は、前記庫内センサの温度が設定温度を含む所定の範囲内の温度になったことを条件として、前記判別手段による判別を行なう、冷却庫。
5. 前記判別手段は、前記庫内センサの温度が設定温度を含む所定の範囲内の温度になったときに計時を開始するタイマを有し、前記タイマが所定の時間を計時し終えたことを条件として、前記判別手段による判別を行なう、請求項４に記載の冷却庫。
6. 請求項１に記載のスターリング冷凍機と該スターリング冷凍機が生成する冷熱によって冷却される冷却空間とを有する冷却庫であって、
   前記冷却庫は、前記冷却空間内の温度を測定する庫内センサを備え、
   前記制御手段は、
   前記ＯＦＦ期間において、前記庫内センサによって測定された単位時間あたりの上昇温度を算出する手段と、
   前記ＯＮ期間において、前記庫内センサによって測定された単位時間あたりの下降温度を算出する手段と、
   前記上昇温度と前記下降温度との和に対する前記上昇温度の比を、前記ＯＮ／ＯＦＦ制御のデューティ比として用いて、前記ＯＮ／ＯＦＦ制御を実行する手段とを有する、冷却庫。
7. ピストンを往復運動させることによって冷凍サイクルが形成されるスターリング冷凍機であって、
   前記スターリング冷凍機を目標とする運転効率で運転させるときのピストンの目標ストローク値を取得する手段と、
   前記ピストンの現在のストローク値を取得する手段と、
   前記現在のストロークが前記目標ストローク値よりも所定値以上小さいか否かを判別する判別手段と、
   前記判別手段によって前記現在のストローク値が前記目標ストローク値よりも所定値以上小さいと判定されたことを条件として、前記目標ストローク値で前記ピストンを動作させ、ＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段とを備え、
   前記目標ストローク値で運転したときの運転効率が、前記現在のストローク値で運転したときの運転効率の値よりある値だけ高くなるように前記所定値が設定された、スターリング冷凍機。

Images