JP2007303721A - スターリング冷凍機 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧縮空間および背面空間の圧力差を低減し、安定した運転を行なうことが可能なスターリング冷凍機を提供する。
【解決手段】ガスベアリングを利用するスターリング冷凍機40であって、ガスベアリングによって支持されながら往復運動するピストン1と、ピストン1を駆動する駆動部13と、駆動部13に駆動電圧を供給する駆動電圧出力部101と、スターリング冷凍機40の起動時、駆動電圧出力部101を制御して、駆動電圧として直流電圧を駆動部13に供給し、かつ駆動部13に供給する直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることによりガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させる制御部104とを備える。
【選択図】図13
【解決手段】ガスベアリングを利用するスターリング冷凍機40であって、ガスベアリングによって支持されながら往復運動するピストン1と、ピストン1を駆動する駆動部13と、駆動部13に駆動電圧を供給する駆動電圧出力部101と、スターリング冷凍機40の起動時、駆動電圧出力部101を制御して、駆動電圧として直流電圧を駆動部13に供給し、かつ駆動部13に供給する直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることによりガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させる制御部104とを備える。
【選択図】図13
Description
本発明は、スターリング冷凍機に関し、特に、ガスベアリングを利用するスターリング冷凍機に関する。
従来、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、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。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。
たとえば、特許文献1には、以下のような運転制御方法を採用したスターリング冷凍機が開示されている。すなわち、ガスベアリングを利用しながらシリンダ内を往復動するパワーピストンと、パワーピストンを駆動する駆動手段とを備え、駆動手段へ電圧を印加することにより運転を行なうスターリング冷凍機において、スターリング冷凍機の運転開始時は、ガスベアリングの効果が生じる低電圧から駆動手段を動作させ、所定の電圧に至るまで段階的または勾配を有して電圧を上昇させる。また、スターリング冷凍機を運転停止させるときは、駆動手段への印加電圧をガスベアリングの効果が維持できる低電圧に至るまで段階的または勾配を有して降下させてから運転停止させる。
特開2002−195674号公報
ところで、特許文献1記載のスターリング冷凍機等、一般的なスターリング冷凍機では、シリンダ摺動面とピストン摺動面との間に微小な隙間が生じる。このため、スターリング冷凍機の運転時、ピストンの往復運動によって圧縮空間と、ピストンを挟んでディスプレーサと反対側に設けられる背面空間との間で作動媒体の圧力変動が生じ、両空間の圧力差に応じて作動媒体が微小な隙間を通り、圧縮空間および背面空間の間を流れる。そうすると、両空間の圧力差が拡大し、ピストンの往復運動の中心位置は圧力が低下した空間側に徐々に移動するため、ピストンの往復運動の中心が初期位置からずれることによりピストンおよびディスプレーサが衝突を起こす場合がある。
それゆえに、本発明の目的は、圧縮空間および背面空間の圧力差を低減し、安定した運転を行なうことが可能なスターリング冷凍機を提供することである。
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるスターリング冷凍機は、ガスベアリングを利用するスターリング冷凍機であって、ガスベアリングによって支持されながら往復運動するピストンと、ピストンを駆動する駆動部と、駆動部に駆動電圧を供給する駆動電圧出力部と、スターリング冷凍機の起動時、駆動電圧出力部を制御して、駆動電圧として直流電圧を駆動部に供給し、かつ駆動部に供給する直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることによりガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させる制御部とを備える。
好ましくは、制御部は、駆動部に供給する直流電圧をガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、駆動電圧として交流電圧を駆動部に供給し、ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値は、交流電圧の振幅よりも大きい。
好ましくは、制御部は、スターリング冷凍機の起動時、駆動部に供給する直流電圧をガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、直流電圧を段階的に下降させるかまたは所定の傾きで下降させて電圧値を0とし、その後、駆動部に供給する直流電圧の印加方向を逆にして直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることにより、直流電圧の印加方向が逆の場合においてガスベアリングが作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に直流電圧を到達させる。
より好ましくは、制御部は、駆動部に供給する直流電圧の印加方向を逆にして、直流電圧の印加方向が逆の場合においてガスベアリングが作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に直流電圧を到達させた後、駆動電圧として交流電圧を駆動部に供給し、直流電圧の両印加方向において、ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値は、交流電圧の振幅よりも大きい。
好ましくは、制御部は、ピストンの往復方向が重力方向とほぼ平行である場合には、スターリング冷凍機の起動時、ピストンが重力と反対方向に移動するように直流電圧の印加方向を決定する。
本発明によれば、圧縮空間および背面空間の圧力差を低減し、安定した運転を行なうことができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機40を示す断面図である。
図1は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機40を示す断面図である。
同図を参照して、スターリング冷凍機40は、ピストン1と、ディスプレーサ2と、シリンダ3と、圧縮空間9と、膨張空間10と、媒体流通路11と、再生器12と、耐圧容器4と、バウンス空間(背面空間)8と、支持バネ5と、支持バネ6と、ボルトおよびナット24と、リニアモータ(駆動部)13と、スリーブ14と、リード線20および21と、制御ボックス30とを備える。リニアモータ13は、内側ヨーク18と、外側ヨーク17と、駆動用コイル16と、永久磁石15とを含む。
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24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。
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。
同図を参照して、スターリング冷凍機40は、さらに、温度センサ34と、温度センサ35と、温度センサ36とを備える。制御ボックス30は、TcA/D変換部108と、ThA/D変換部109と、TbA/D変換部110と、リニアモータ駆動用電圧出力部(駆動電圧出力部)101とを含む。
スターリング冷凍機40の外側面に、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が接続される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、リード線20および21を介してリニアモータ13に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。
同図を参照して、制御ボックス30は、さらに、マイクロコンピュータ(制御部)104と、電源部105と、電流センサ33と、電圧センサ38と、リセット部106と、発振部107と、記憶部111と、電圧測定回路112とを含む。
同図を参照して、制御ボックス30は、さらに、マイクロコンピュータ(制御部)104と、電源部105と、電流センサ33と、電圧センサ38と、リセット部106と、発振部107と、記憶部111と、電圧測定回路112とを含む。
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。
電流センサ33は、リニアモータ駆動用電圧出力部101およびリニアモータ13間に配置される。電流センサ33は、リニアモータ13に流れる電流を検出し、検出結果をデジタル値でマイクロコンピュータ104に出力する。
電圧センサ38は、リニアモータ駆動用電圧出力部101の出力する駆動電圧を検出し、検出結果をデジタル値でマイクロコンピュータ104に出力する。
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、および書き換え可能な不揮発性記憶素子(EEPROM:Electric Erasable Programmable 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。
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に予め記憶させておく。マイクロコンピュータ104は、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。
電圧センサ38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インバーター波形に変換するとともに、変換されたPWMインバーター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。
同図を参照して、マイクロコンピュータ104は、ROM(Read Only Memory)121と、RAM(Random Access Memory)122と、タイマ123と、I/Oポート125と、CPU(Central Processing Unit)124とを含む。
同図を参照して、マイクロコンピュータ104は、ROM(Read Only Memory)121と、RAM(Random Access Memory)122と、タイマ123と、I/Oポート125と、CPU(Central Processing Unit)124とを含む。
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。
上述の本発明の実施の形態に係る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、上記本発明の実施の形態に係る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10へ流入する。
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。
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。
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、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機40においては、インバーター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、本発明の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徐々に変化し、ピークの幅になった後、徐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。
次に、リニアモータ13のピストン1のストロークXを制御する方法について説明する。
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、およびピストン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。
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(1)で表される。
E=V−R×I×cosθ−L×sinθ×(dI/dt)・・・(1)
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のピーク時における位相と電流Iのピーク時における位相との差を算出することによって得られる。
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のピーク時における位相と電流Iのピーク時における位相との差を算出することによって得られる。
本発明の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。
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を表わすと、T=v/w=E/(w・α)=[V−R×I×Cosθ−L×Sinθ×(dI/dt)]/(w・α)となる。
ストロークXは振幅Tと同じであり、また、角速度wは周波数fを用いて表わすとw=2×π×fであるため、次の式(2)によってピストン1のストロークXが算出される。
X=[V−R×I×Cosθ−L×Sinθ×(dI/dt)]/(2×π×f×α)・・・(2)
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。
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。
より詳細には、図7は、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、および、ストロークXの関係を示したベクトル図である。
図7を参照して、ピストンの振幅Tは、誘起電圧Eの絶対値すなわち線分BCの長さを表わす。また、式(2)は大きさおよび位相を含むベクトル計算式であるため、式(2)により、電圧Vおよび誘起電圧Eのなす角度θgを算出することができる。
図8は、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およびリニアモータ13の駆動用コイル16に発生する誘起電圧Eの詳細な関係を示したベクトル図である。
図8を参照して、厳密には、リニアモータ13に印加される電圧Vはリニアモータ13の駆動用コイル16の直流抵抗分の影響で電圧Vkとなる。しかしながら、リニアモータ13の駆動用コイル16の直流抵抗分の影響は無視できる程度であり、電圧Vkおよび電圧Vはほぼ同一であるため、ここでは説明を簡単にするために電圧Vに基づく角度θgを用いる。
前述のように角度θgを算出することができ、また、誘起電圧EおよびストロークXのなす角は90度であるため、電圧VおよびストロークXのなす角θxは、以下のように算出される。
θx=θg+90・・・(3)
図9は、電圧VおよびストロークXの位相関係を示す図である。
図9は、電圧VおよびストロークXの位相関係を示す図である。
図9を参照して、ストロークXは、電圧Vよりθxだけ位相が遅れる。したがって、電圧Vを0にするタイミングを制御することにより、ピストン1の停止位置を制御することが可能となる。
なお、前述のストロークXの算出方法は、特開2003−314919号公報および特開2003−65244号公報により詳細に開示されている。
図10は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の構成を示す断面図である。図10では、作動媒体の流れる空間を主に示すために図1に示すスターリング冷凍機の構成を一部簡略化している。
同図を参照して、シリンダ摺動面3aとピストン摺動面1bとの間には、ピストン1の往復運動の一方向側に設けられる圧縮空間9とピストン1の往復運動の他方向側に設けられる背面空間8とを遮断する図示しないシール手段が設けられる。シール手段は一般に、単純な構成で安価なシールリングが用いられる。しかしながら、熱膨張の影響、および長期間の運転によるシールリングの摩耗等により、シリンダ摺動面3aとピストン摺動面1bとを完全に遮断することはできず、シリンダ摺動面3aとピストン摺動面1bとの間には微小な隙間が生じる。
このため、スターリング冷凍機の運転時、ピストン1の往復運動によって圧縮空間9および背面空間8の両空間で作動媒体の圧力変動が生じ、両空間の圧力差に応じて作動媒体が微小な隙間を通り、圧縮空間9および背面空間8間を流れる。
すなわち、圧縮空間9の圧力が背面空間8の圧力より高い場合は、圧縮空間9から背面空間8に向かって作動媒体が流れる。また逆に、背面空間8の圧力が圧縮空間9の圧力より高い場合は、背面空間8から圧縮空間9に向かって作動媒体が流れる。
ところで、シリンダ摺動面3aとピストン摺動面1bとの間に生じる微小隙間は常に一定距離ではなく、摺動面の状態ならびにシールリングの接触状態および摩耗状態等により変化するため、圧縮空間9からみた背面空間8への作動媒体の流出量および流入量が全く同量であることはない。このため、ピストン1等を連続駆動し、仮に圧縮空間9から背面空間8へ少しずつ作動媒体が漏れていった場合、ピストン1の往復運動の中心位置は圧力が低下した圧縮空間9側に徐々に移動する。そうすると、圧縮空間9内の作動媒体圧力低下に伴う冷却特性の低下が生じたり、ピストン1の往復運動の中心が初期位置からずれることによりピストン1およびディスプレーサ2が衝突を起こしたりする等の問題を生じる。
図11は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機のピストンに形成されるポートおよびシリンダに形成されるポートが一致している状態を示す図である。図12は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機のピストンに形成されるポートおよびシリンダに形成されるポートが一致していない状態を示す図である。
本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機では、ピストン1に圧縮空間9とピストン摺動面1bとを結ぶ作動媒体流路R1が形成され、シリンダ3に背面空間8とシリンダ摺動面3aとを結ぶ作動媒体流路R2が形成される。ピストン1が往復運動中心等の所定位置にある場合、作動媒体流路R1のポート(開口部)61および作動媒体流路R2のポート(開口部)62が対向して作動媒体流路R1および作動媒体流路R2が連通する、すなわち圧縮空間9および背面空間8が連通する。そうすると、ポート61およびポート62が対向する位置をピストン1が通過するごとに、圧縮空間9と背面空間8との間において、作動媒体圧力の高い側から低い側へ作動媒体が流れるため、両空間の圧力差が是正される。以下、ポート61およびポート62が対向するピストン1の位置を圧力バランス位置とも称する。
このような構成により、圧縮空間9および背面空間8間における作動媒体の圧力バランスを保つことができ、ピストン1の往復運動の中心位置の変動を防ぐことができる。
図13は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の電圧供給制御方法を示す図である。図14は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の起動時における電圧供給制御方法を詳細に示す図である。
図13および図14を参照して、マイクロコンピュータ(制御部)104は、スターリング冷凍機の起動時、リニアモータ駆動用電圧出力部101を制御して、リニアモータ(駆動部)13への駆動電圧の供給を開始してから駆動電圧がガスベアリングの作動する電圧値(たとえば30V)より所定値だけ大きい電圧値(たとえば50V)に到達するまでの間、すなわち駆動電圧が0Vから50Vに到達するまでの期間である区間Aにおいて、駆動電圧として直流電圧をリニアモータ13に供給し、かつリニアモータ13に供給する直流電圧を所定の傾きで上昇させることによりガスベアリングの作動する電圧値より所定値だけ大きい電圧値に到達させる。このとき、リニアモータ駆動用電圧出力部101から出力されるPWMインバーター波形は図14に示すような波形となる。
そして、マイクロコンピュータ104は、リニアモータ13に供給する直流電圧をガスベアリングの作動する電圧値より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、駆動電圧として交流電圧をリニアモータ13に供給することによりピストン1を往復運動させ、交流電圧の振幅を徐々に大きくしてたとえば交流電圧の振幅を60Vとする。
ここで、ガスベアリングの作動する電圧値とは、ガスベアリング効果、すなわちピストン1の往復運動により圧縮された作動媒体がピストン1およびディスプレーサ2とシリンダ3との隙間を満たすことにより、ピストン1およびディスプレーサ2の摺動面とシリンダ3の摺動面とが接触することなく摺動する効果が生じる電圧を意味する。ガスベアリングが作動すると、ピストン1は、ガスベアリングによって支持されながらシリンダ3内を摺動する。
なお、リニアモータ13に供給する直流電圧の印加方向はいずれの方向であってもガスベアリングを作動させることが可能である。また、ガスベアリングが作動していない場合でもピストン1がシリンダ3内を摺動することは可能であるが、ピストン1およびシリンダ3の摩擦、ならびにディスプレーサ2およびシリンダ3の摩擦が生じる。
なお、マイクロコンピュータ104は、駆動電圧である直流電圧を所定の傾きで上昇させる代わりに、直流電圧を段階的に上昇させる構成であってもよい。
また、スターリング冷凍機の設置面がピストン1の往復方向に対してほぼ垂直である場合、すなわちピストン1の往復方向が重力方向とほぼ平行である場合には、スターリング冷凍機の設置面がピストン1の往復方向に対してほぼ平行である場合等と比べてピストン1の位置が重力方向に偏っていることが多い。
そこで、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機では、マイクロコンピュータ104は、スターリング冷凍機の設置状態をセンサ等で検出し、ピストン1の往復方向が重力方向とほぼ平行である場合には、スターリング冷凍機の起動時、ピストン1が重力と反対方向に移動するように直流電圧の印加方向を決定する。
このような構成により、ピストン1の位置が重力方向に偏っている場合でも、ピストン1におけるポート61とシリンダ3におけるポート62とを確実に対向させることができ、圧縮空間9および背面空間8を連通させて両空間の圧力差を低減することができる。
図15は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の起動時における電圧供給制御方法の他の例を詳細に示す図である。
マイクロコンピュータ(制御部)104は、スターリング冷凍機の起動時、リニアモータ駆動用電圧出力部101を制御して、駆動電圧として直流電圧をリニアモータ13に供給し、かつリニアモータ13に供給する直流電圧を所定の傾きで上昇させることにより、ピストン1の往復運動時に供給される交流電圧の振幅(60V)よりも大きい電圧値(たとえば70V)に到達させる。
そして、マイクロコンピュータ104は、リニアモータ駆動用電圧出力部101を制御して、駆動電圧を70Vから60Vまで緩やかに下降させ、その後、振幅が60Vの交流電圧をリニアモータ13に供給することによりピストン1を往復運動させる。
このような構成により、スターリング冷凍機の起動時、ピストン1が圧力バランス位置から大きく離れている場合でも、ピストン1におけるポート61とシリンダ3におけるポート62とを確実に対向させることができ、圧縮空間9および背面空間8を連通させて両空間の圧力差を低減することができる。
図16は、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機の起動時における電圧供給制御方法の他の例を詳細に示す図である。
マイクロコンピュータ(制御部)104は、スターリング冷凍機の起動時、リニアモータ駆動用電圧出力部101を制御して、駆動電圧として直流電圧をリニアモータ13に供給し、かつリニアモータ13に供給する直流電圧を所定の傾きで上昇させることにより、ピストン1の往復運動時に供給される交流電圧の振幅(60V)よりも大きい電圧値(たとえば70V)に到達させる。そして、マイクロコンピュータ104は、リニアモータ駆動用電圧出力部101を制御して、リニアモータ13に供給する直流電圧を段階的に下降させるかまたは所定の傾きで下降させて電圧値を0Vとし、その後、駆動電圧である直流電圧の印加方向を逆にして直流電圧の電圧値を所定の傾きで上昇させることにより、ピストン1の往復運動時に供給される交流電圧の振幅(−60V)よりも絶対値が大きい電圧値(−70V)に到達させる。
そして、マイクロコンピュータ104は、リニアモータ駆動用電圧出力部101を制御して、駆動電圧を−70Vから−60Vまで緩やかに上昇させ、その後、振幅が60Vの交流電圧をリニアモータ13に供給することによりピストン1を往復運動させる。
このような構成により、スターリング冷凍機の設置面がピストン1の往復方向に対してほぼ平行である場合等、スターリング冷凍機の起動時、圧力バランス位置に対してピストン1が往復運動のいずれの方向に位置しているかが不明である場合でも、ピストン1におけるポート61とシリンダ3におけるポート62とを確実に対向させることができ、圧縮空間9および背面空間8を連通させて両空間の圧力差を低減することができる。
ところで、特許文献1記載のスターリング冷凍機等、一般的なスターリング冷凍機では、圧縮空間および背面空間の圧力差が拡大し、ピストンの往復運動の中心位置は圧力が低下した空間側に徐々に移動するため、ピストンの往復運動の中心が初期位置からずれることによりピストンおよびディスプレーサが衝突を起こす場合がある。
しかしながら、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機では、マイクロコンピュータ104は、スターリング冷凍機の起動時、リニアモータ駆動用電圧出力部101を制御して、駆動電圧として直流電圧をリニアモータ13に供給し、かつリニアモータ13に供給する直流電圧を所定の傾きで上昇させることによりガスベアリングの作動する電圧値より所定値だけ大きい電圧値に到達させる。
したがって、本発明の実施の形態に係るスターリング冷凍機では、スターリング冷凍機の起動時、ピストン1におけるポート61とシリンダ3におけるポート62とを確実に対向させることで圧縮空間9および背面空間8を連通させて両空間の圧力差を低減することができ、安定した運転を行なうことができる。
また、本発明は、特開2003−166768号公報等に開示されているように、スターリング冷凍機が、ピストンを弾性支持するばね等のピストン支持部を備えない構成、すなわちスターリング冷凍機の起動時におけるピストンの位置が、スターリング冷凍機の停止時における位置またはスターリング冷凍機の設置状態によって圧力バランス位置から大きく離れる可能性が高い構成に対して特に効果が大きい。
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て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。
1 ピストン、2 ディスプレーサ、3 シリンダ、4 耐圧容器、5,6 支持バネ、8 バウンス空間(背面空間)、9 圧縮空間、10 膨張空間、11 媒体流通路、12 再生器、13 リニアモータ(駆動部)、14 スリーブ、15 永久磁石、16 駆動用コイル、17 外側ヨーク、18 内側ヨーク、20〜21 リード線、24 ボルトおよびナット、30 制御ボックス、33 電流センサ、34〜36 温度センサ、38 電圧センサ、40 スターリング冷凍機、101 リニアモータ駆動用電圧出力部(駆動電圧出力部)、104 マイクロコンピュータ(制御部)、105 電源部、106 リセット部、107 発振部、108 TcA/D変換部、109 ThA/D変換部、110 TbA/D変換部、111 記憶部、112 電圧測定回路、121 ROM、122 RAM、123 タイマ、124 CPU、125 I/Oポート。
Claims (5)
- ガスベアリングを利用するスターリング冷凍機であって、
前記ガスベアリングによって支持されながら往復運動するピストンと、
前記ピストンを駆動する駆動部と、
前記駆動部に駆動電圧を供給する駆動電圧出力部と、
前記スターリング冷凍機の起動時、前記駆動電圧出力部を制御して、前記駆動電圧として直流電圧を前記駆動部に供給し、かつ前記駆動部に供給する直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることにより前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させる制御部とを備えるスターリング冷凍機。 - 前記制御部は、前記駆動部に供給する直流電圧を前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、前記駆動電圧として交流電圧を前記駆動部に供給し、
前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値は、前記交流電圧の振幅よりも大きい請求項1記載のスターリング冷凍機。 - 前記制御部は、前記スターリング冷凍機の起動時、前記駆動部に供給する直流電圧を前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に到達させた後、前記直流電圧を段階的に下降させるかまたは所定の傾きで下降させて電圧値を0とし、その後、前記駆動部に供給する直流電圧の印加方向を逆にして前記直流電圧を段階的に上昇させるかまたは所定の傾きで上昇させることにより、前記直流電圧の印加方向が逆の場合において前記ガスベアリングが作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に前記直流電圧を到達させる請求項1記載のスターリング冷凍機。
- 前記制御部は、前記駆動部に供給する直流電圧の印加方向を逆にして、前記直流電圧の印加方向が逆の場合において前記ガスベアリングが作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値に前記直流電圧を到達させた後、前記駆動電圧として交流電圧を前記駆動部に供給し、
前記直流電圧の両印加方向において、前記ガスベアリングの作動する最小電圧より所定値だけ大きい電圧値は、前記交流電圧の振幅よりも大きい請求項3記載のスターリング冷凍機。 - 前記制御部は、前記ピストンの往復方向が重力方向とほぼ平行である場合には、前記スターリング冷凍機の起動時、前記ピストンが重力と反対方向に移動するように前記直流電圧の印加方向を決定する請求項1記載のスターリング冷凍機。
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JP2015183962A (ja) * | 2014-03-25 | 2015-10-22 | 住友重機械工業株式会社 | スターリング冷凍機 |
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