JP2007298219A

JP2007298219A - スターリング冷凍機

Info

Publication number: JP2007298219A
Application number: JP2006125711A
Authority: JP
Inventors: Akira Hirano; 明良平野; Hideki Inagaki; 秀城稲垣; Masahiro Ichikawa; 正浩市川
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】熱負荷変動を補償する制御形態を有するスターリング冷凍機を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明のスターリング冷凍機は、シリンダーと、シリンダーの少なくとも一端を包囲して形成された包囲部材と、シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動し包囲部材との間に膨張空間を形成するディスプレーサーと、シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動しディスプレーサーとの間に圧縮空間を形成するピストンと、圧縮空間と膨張空間とを連通する熱交換器及び蓄冷器からなる冷却部と、ディスプレーサー及びピストンを往復駆動するリニアモーターと、ディスプレーサー及びピストンの往復動を調整して圧縮空間及び膨張空間の容積変化を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スターリング冷凍機に関わり、特にピストン及びディスプレーさーの往復動を安定させるのに好適な振動制御手段に関する。

スターリング冷凍機は重要な冷凍手段として広く利用されている。スターリング冷凍機は基本的にディスプレーサー、ピストン、これらを囲む圧縮空間及び膨張空間を形成するシリンダー、圧縮空間及び膨張空間を連結する冷却部、また、ディスプレーサー及びピストンとを駆動するリニアモーターなどで構成される。

スターリング冷凍機では、ディスプレーサー及びピストンの往復動により膨張空間及び圧縮空間の容積が変動し、内部に封入された作動気体の状態が一定なサイクルを繰り返すことにより冷凍力が発生され、冷凍機として機能する。しかしながら、作動気体の状態が一定なサイクルを繰り返す際、作動気体の状態の変化が瞬時に起こることを前提としているため、実際にはこのような変化は起こり得ず、ピストン及びディスプレーサーを、位相差を持った正弦波形で動かすことにより作動気体の状態変化サイクルが形成されている。

スターリング冷凍機では、ディスプレーサー及びピストンを動かすには、二つのリニアモーターを採用することができるが、駆動周波数が高くなるとピストン及びディスプレーサーに作用する慣性力が非常に高くなり過大な電動機が必要となる。このため、バネを有する振動系を取り付け、共振点付近で駆動させ電動機容量を抑えるとしている。従って、スターリング冷凍機において振動系を構成する要素として機械バネと気体バネが存在している。機械バネは線形を有するが、気体バネは非線形ものである。変位波形は非線形バネの特性により大きく影響を受けるため、電動機の交番力を与えてもディスプレーサーとピストンにその停止位置を振動中心とする交番変位を与えることができるという保証はない。つまり、振動中心の位置ずれが発生し、復動するピストン及びディスプレーサーがシリンダーの端部に衝突したり、圧縮室の死容積が増大したりする問題が生じる恐れがある。これらの問題の解決方法として特許第２５５９８３９号公報（以下、特許文献１と称する）がある。特許文献１では、スターリング冷凍機を構成するピストン及びディスプレーサーの変位を測定する変位測定手段を有し、ピストン及びディスプレーサーの変位量からピストン及びディスプレーサーの振動中心及び振幅を目標振動中心及び目標振幅に近づくようにピストン及びディスプレーサーを駆動する電動機の電流を制御する方法が開示された。
特許第２５５９８３９号公報

特許文献１の方法では冷凍機の温度の変動により作動気体状態が変化してもピストン及びディスプレーサーの往復動中心が変動しないように制御されているが、熱負荷変動を補償する制御形態となっていない。つまり、冷却部の熱負荷に合った最適な冷凍出力制御が行われていない。すなわち、冷却部の温度に対応した振幅制御、振動中心制御、位相角制御、周波数制御を行うための最適な目標値の設定ができない。

本発明は上記の実状に鑑みてなされたものであり、熱負荷変動を補償する制御形態を有するスターリング冷凍機を提供することを課題とする。

本発明のスターリング冷凍機は、シリンダーと、シリンダーの少なくとも一端を包囲して形成された包囲部材と、シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動し包囲部材との間に膨張空間を形成するディスプレーサーと、シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動しディスプレーサーとの間に圧縮空間を形成するピストンと、圧縮空間と膨張空間とを連通する熱交換器及び蓄冷器からなる冷却部と、ディスプレーサー及びピストンを往復駆動するリニアモーターと、ディスプレーサー及びピストンの往復動を調整して圧縮空間及び膨張空間の容積変化を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明のスターリング冷凍機の制御手段は、ピストン及びディスプレーサーの位置変動を検出する位置検出手段と、冷却部に設けられ冷却部の温度を検出する温度検出手段とを有することが好ましい。さらに、本発明のスターリング冷凍機の制御手段は、位置検出手段の出力信号からディスプレーサー及びピストンの振幅中心位置、振幅または位相角を算出する振幅算出手段と、温度検出手段で検出された検出温度と目標温度との温度偏差を算出する温度偏差算出手段と、振幅算出手段及び温度偏差算出手段の算出結果に基づき温度偏差を無くすのに最適振幅、最適振幅中心、最適位相角、最適周波数の目標値を演算する目標値演算手段と、目標値演算手段からの演算結果に基づきピストン及びディスプレーサーの最適振幅、最適振幅中心、最適位相角、最適周波数の目標値との動き偏差を無くすようにリニアモーターの電源を制御する電源制御手段とを有することが好ましい。

このように、冷却部に温度検出手段を設けることにより、冷却部において熱負荷の変動による温度変化が検知され、冷却部の温度に対応した最適振幅、最適振動中心、最適位相角、または、最適周波数を設定することができる。つまり、本発明のスターリング冷凍機は熱負荷に対応した最適冷凍出力制御が行われ、熱負荷変動を補償する制御形態を有することができる。

本発明のスターリング冷凍機によれば、振動系の特性による振動中心のずれを防ぐことができるとともに、冷却部の負荷による温度の変化に対応した最適振幅、最適振動中心、最適位相角、または、最適周波数を設定することができ、熱負荷変動を補償する制御形態を有することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

本実施形態のスターリング冷凍機の概略構成の断面図を図２に示した。図２は本実施形態のスターリング冷凍機の概念図である。図２に示すように、本実施形態のスターリング冷凍機は、主にディスプレーサー１、ピストン２、シリンダー３、冷却部４、リニアモーター５１（ディスプレーサー用）、５２（ピストン用）、また制御手段Ｃ（図１に示す）とから構成される。また、シリンダー３において包囲部材３１、ディスプレーサー１、またはピストン２で膨張空間１１と圧縮空間２１がそれぞれ形成され、冷却部４を介して連通されている。なお、冷却部４は吸熱器４１、蓄冷器４２、放熱器４３、連結通路４４とで構成される。包囲部材３１はシリンダー３の上端にシリンダー３を包囲して一体に形成されたものである。なお、吸熱器４１と放熱器４３は本発明の熱交換器を構成するものである。

また、ディスプレーサー１はリニアモーター５１により駆動され、ピストン２はリニアモーター５２により駆動される。リニアモーター５１、５２はコイル可動形リニアモーター、または永久磁石可動形リニアモーター、鉄心可動形リニアモーターであり、永久磁石によって形成される一定磁場内に電流を流すことにより生成された力を利用したものである。このため、リニアモーター５１，５２は電流、もしくは電圧の調整により生成された力を制御することができる。結果的にスターリング冷凍機の振動系を制御することができる。

また、本実施形態のスターリング冷凍機は、所定位置にディスプレーサー１、またはピストン２の振動による位置変動を検出するディスプレーサー用振幅検出手段６１、またはピストン用振幅検出手段６２を設けている。なお、ディスプレーサー１及びピストン２の位置変動を検出しやすい部位に振幅検出手段６１、６２を設置することができる。例えば、振幅検出手段６１、６２をそれぞれリニアモーター５１、５２に設け、リニアモーター５１、５２に入力される電流と電圧によりセンサーレスでピストン２及びディスプレーサー１の位置変動を検出する構成が例示できる。（図１に示すように）また、シリンダー３の壁部に変位センサーを内置し、直接シリンダー３内に収容されたディスプレーサー１とピストン２の位置変動を検出することもできる（図２に示すように）。おな、振幅検出手段６１、６２の構成はこれらに限定されるものではない。また、振幅検出手段６１、６２は本発明の位置検出手段を構成するものである。

ディスプレーサー１はバネ５１０及びリニアモーター５１を介し、ピストン２はバネ５２０及びリニアモーター５２を介してそれぞれ独立した振動系を構成している。さらに、冷却部４には、温度検出手段７が設けられ、冷却部４の温度を検出している。なお、温度検出手段７は、温度センサーで直接温度を検出するもので構成することができるが、作動気体の圧力により間接的に温度を検出する圧力センサーで構成することもできる。また、温度検出手段７の構成はこれらに限定されるものではない。

次に、簡単に本実施形態のスターリング冷凍機の作動原理を説明する。本実施形態のスターリング冷凍機は一般のスターリング冷凍機と同様の冷凍原理である。図２を参照して説明する。ピストン２は上方に移動し、作動気体を圧縮する。このとき発生する圧縮熱は媒体を介して外部へ排出されるため、作動気体が等温的に圧縮される。次に、ディスプレーサー１のみが下方に移動し、作動気体は蓄冷器４２などで構成された冷却部４を通り圧縮空間２１から膨張空間１１に移動する。次に、ディスプレーサー１とピストン２の両方が下方に移動するため、膨張空間１１内の作動気体は膨張し、温度が低下することになる。このとき、吸熱により熱負荷を冷却することができる。つまり、熱負荷から熱が冷却部４に伝導されるため、作動気体が等温的に膨張される。結果的に、生成された低温は冷凍力として熱負荷に出力することができる。

次に、本実施形態のスターリング冷凍機の制御系を図１に示す。図１では、スターリング冷凍機の構成を概略的に示している。また、図１では、図２に同様な構成部分を同じ符号で示している。図１に示すように、ディスプレーサー１（図２に示す）を駆動するリニアモーター５１にはディスプレーサー用振幅検出手段６１が設けられ、ピストン２（図２に示す）を駆動するリニアモーター５２にはピストン用振幅検出手段６２が設置される。また、冷却部４（図２に示す）には温度検出手段７が設置される。さらに、本実施形態のスターリング冷凍機は温度偏差算出手段７０、振幅算出手段６０、目標値演算手段８０、または電源制御手段９０を備えている。

温度偏差算出手段７０は温度検出手段７から検出される検出温度を目標冷凍温度と比較し、温度差を算出するものである。

ディスプレーサー用振幅検出手段６１とピストン用振幅検出手段６２は、ディスプレーサー５１、ピストン５２それぞれの振幅を検出し、信号として振幅算出手段６０に出力することができる。さらに、振幅算出手段６０においてディスプレーサー５１及びピストン５２の振動中心、振幅、位相角、または周波数が算出される。

目標値演算手段８０は、温度偏差算出手段７０及び振幅算出手段６０から算出された結果に基づき、温度偏差を無くすのに最適振幅、振動中心、位相角、周波数などの目標値を演算するものである。

電源制御手段９０は、目標値演算手段８０で算出された結果に基づき、ディスプレーサー１及びピストン２を駆動するリニアモーター５１，５２の電源５１Ｐ，５２Ｐ（電圧、または電流）を調整し、目標値に達成するように制御を行う。

このように、本実施形態のスターリング冷凍機の制御手段Ｃは、温度検出手段７、振幅検出手段６１、６２、振幅算出手段６０、温度偏差算出手段７０、目標値演算手段８０、または電源制御手段９０で構成されている。

本実施形態のスターリング冷凍機において、具体的な運転方法としては、以下のように例示すことができる。

（１．）目標値演算手段８０において、冷却部４の検出温度と目標値温度との温度偏差に対応したピストン２及びディスプレーサー１の目標値振幅、振幅中心または目標位相角の値が決められ、電源制御手段９０にてピストン２及びディスプレーサー１の往復運動を調整させ目標値との偏差を無くすようにリニアモーター５１、５２の電源５１Ｐ，５２Ｐの電圧、電流、または電圧及び電流のオフセット量、電流の位相角、周波数を制御し目標値を達成する。

図３は本実施形態例の冷凍機の動作フローを示す。図３に示すように、温度検出手段７を用いて冷却部４に冷凍負荷が実際にかかっている状態での実際温度を検出し、さらに温度偏差算出手段７０で該検出温度を目標温度と比較して温度偏差を算出する。一方、位置検出手段を構成する振幅検出手段６１、６２はそれぞれディスプレーサー１とピストン２の実際振動状態を検出し、振幅算出手段６０においてこの状態下の振動中心、振幅、位相角が算出される。さらに目標値演算手段８０において温度偏差に応じて振動中心、振幅、または位相角などの偏差値が算出され、最適振幅中心、振幅、振動位相角、または周波数が決められる。

目標値算出手段８０で出力された振幅中心、振幅、位相角、周波数などの最適値の指令に従って、ピストン２及びディスプレーサー１を駆動するリニアモーター５１、５２の電源５１Ｐ，５２Ｐが電源制御手段９０に制御される。図４、５には電源制御により振幅中心、振幅を調整できる電磁学の原理による特性を示している。なお、図４に示すように、振動（振幅）中心位置は電圧（電流）オフセット量と線形関係を有し、電圧（電流）オフセット量で調整することができる。また、図５に示すように、振動振幅値は電圧値、または電流値と線形関係を有し、電圧値及び電流値で調整することができる。

なお、温度偏差により振動中心、振幅、または位相角の変位量は作動気体の種類や状態などの差異に応じて変動し、作動気体に対応した温度偏差による振動中心、振幅、または位相角の変位量マップが必要となるが、実際に使用される作動気体に応じて実験を行いマップを作成してデータベースに保存することができる。これにより、温度偏差に応じて振幅中心、振幅、または位相角の変位量がデータベースから求められる。

冷凍機の制御系統（制御手段）Ｃに、冷却部４に温度検出手段７を設け、冷凍機の設定温度（目標温度）と検出温度とを比較して温度偏差を算出し、温度偏差によりリニアモーター５１，５２の制御値を算出して制御を行うため、冷却部４の出力端に負荷が変動しても、冷凍機は常に安定した温度で運転することができる。

（２．）冷凍機の熱負荷が急激に増加した場合において、目標値演算手段８０において、それまでの運転周波数より高い目標周波数を設定し、冷凍出力能力を一時的に向上させるようにリニアモーター５１、５２の電源５１Ｐ，５２Ｐの周波数を調整して目標値に達成することができる。つまり、急激な熱負荷上昇、または設定温度（目標温度）が急激に下げられた場合において、冷凍機の運転周波数を上昇させ、定格以上の冷凍出力で運転を行うことができる。その結果、冷却部４に熱負荷の増加による温度の上昇が抑えられるとともに、目標温度に達成する時間を短縮することができる。即ち、冷凍機は常に安定した温度で運転することができる。

本発明のスターリング冷凍機は、冷凍設備、空調などの分野に使用することができる。

本発明の実施形態のスターリング冷凍機の制御系を示すものである。本発明の実施形態のスターリング冷凍機の構成を示すものである。本発明の実施形態のスターリング冷凍機の制御フロー図である。電圧（電流）オフセット量に対する振動中心位置特性を示すものである。電圧（電流）値に対する振幅特性を示すものである。

符号の説明

１：ディスプレーサー１１：膨張空間
２：ピストン２１：圧縮空間
３：シリンダー３１：包囲部材
４：冷却部４１：吸熱器４２：蓄冷器４３：放熱器４４：連結通路
５１：ディスプレーサー用リニアモーター
５２：ピストン用リニアモーター５１０、５２０：バネ
５１Ｐ：ディスプレーサー用リニアモーター電源
５２Ｐ：ピストン用リニアモーター電源
Ｃ：制御部
６１：ディスプレーサー用振幅検出手段６２：ピストン用振幅検出手段
７：温度検出手段７０：温度偏差算出手段
６０：振幅算出手段８０：目標値演算手段９０：電源制御手段

Claims

シリンダーと、
該シリンダーの少なくとも一端を包囲して形成された包囲部材と、
前記シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動し前記包囲部材との間に膨張空間を形成するディスプレーサーと、
前記シリンダー内に収容され該シリンダーの軸方向に往復動し前記ディスプレーサーとの間に圧縮空間を形成するピストンと、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する熱交換器及び蓄冷器からなる冷却部と、
前記ディスプレーサー及び前記ピストンを往復駆動するリニアモーターと、
前記ディスプレーサー及び前記ピストンの往復動を調整して前記圧縮空間及び前記膨張空間の容積変化を制御する制御手段と、を有することを特徴とするスターリング冷凍機。
前記制御手段は、前記ピストン及び前記ディスプレーサーの位置変動を検出する位置検出手段と、前記冷却部に設けられ前記冷却部の温度を検出する温度検出手段と、を有する請求項１に記載のスターリング冷凍機。
前記制御手段は、前記位置検出手段の出力信号から前記ディスプレーサー及び前記ピストンの振幅中心位置、振幅または位相角を算出する振幅算出手段と、前記温度検出手段で検出された検出温度と目標温度との温度偏差を算出する温度偏差算出手段と、前記振幅算出手段及び前記温度偏差算出手段の算出結果に基づき前記温度偏差を無くすのに最適振幅、最適振幅中心、最適位相角、最適周波数の目標値を演算する目標値演算手段と、前記目標値演算手段からの演算結果に基づき前記ピストン及び前記ディスプレーサーの前記最適振幅、前記最適振幅中心、前記最適位相角、前記最適周波数の目標値との動き偏差を無くすように前記リニアモーターの電源を制御する電源制御手段と、を有する請求項１に記載のスターリング冷凍機。