JP3620575B2

JP3620575B2 - スターリング冷凍機

Info

Publication number: JP3620575B2
Application number: JP10799399A
Authority: JP
Inventors: 克美清水
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: JP2000304366A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストン型スターリング機関を用いたスターリング冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に冷凍サイクルには、蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。蒸気圧縮式の冷凍サイクルには、作動媒体としての冷媒に、フロンが用いられ、フロンの凝縮、蒸発を利用して所要の冷却性能を得るようにしている。ところが、冷媒として使用されるフロンは非常に化学的安定性が高く、大気中に放出されると成層圏に達して、オゾン層を破壊するとの指摘がある。このため、近年、特定フロンを対象としたフロンの使用、ならびに生産が規制されてきている。
【０００３】
そこで、フロンを用いた冷凍サイクルに代わるものとして、逆スターリング冷凍サイクルが注目を集めている。スターリング冷凍サイクルは、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採用し、逆スターリングサイクルによって、低温を得るようにしたものである。このスターリング冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させる小型冷凍機の一種として知られている。
【０００４】
この冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と該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り、上記圧縮機は、冷媒ガスをガス圧が例えばサインカーブ等の特性を持って所定周期で経時変化するように圧縮するものが使用される。一方、膨張機は、先端が閉塞されたシリンダと、該シリンダ内に往復動自在に嵌装され、シリンダ内を先端側の膨張室及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、該フリーディスプレーサの往復運動を弾性支持するスプリングとを備えてなるもので、上記作動室は上記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ことにより、シリンダ先端のコールドヘッドに寒冷を発生させるようになされている。なお、この方式のスターリング冷凍機は一般にフリーピストン型スターリング冷凍機と呼ばれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種のスターリング冷凍機においては、上記スプリングのバネ定数は、ディスプレーサを含んだ可動部分の質量（マス）に応じてその可動部分が最大の冷凍能力の得られる最適チューニング周波数で共振するように一定値に設定されている。しかしながら、バネの製作ばらつきによる初期設計周波数とのばらつきがあり、このばらつきにより冷凍能力が設計冷凍能力より低下する。また、運転開始によりシリンダ先端のコールドヘッド部の温度が低下するのに伴い、上記最適チューニング周波数が変化し、この周波数のずれにより冷凍能力が設計冷凍能力より低下する。その結果、冷却スピードの短縮に限界があった。
【０００６】
また、運転開始時（冷却面の温度が常温に近い状態の時）等内部ガス圧が定常運転状態より低いとき、スターリング冷凍機に過大な入力を加えると、ピストン及びディスプレーサが相互干渉を起こして衝突する危険があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は内部ガスの漏れ検知方法の構築と上記最大の冷凍能力が得られる最適周波数を可変とする手段を講じることによる、最適チューニング周波数の設定を行うことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、請求項１のスターリング冷凍機は、シリンダ内にピストンとディスプレーサを設け、上記ピストンの往復運動によって圧縮空間内で冷媒ガスを圧縮し、圧縮された冷媒ガスのガス圧で上記ディスプレーサを上記ピストンに対して所定の位相差を持って往復運動させ、上記ディスプレーサの往復運動により上記膨張空間内で冷媒ガスを膨張させて冷却を行うスターリング冷凍機において、運転中における上記ピストンとディスプレーサの位相差を検出する位相差検出手段と、検出した位相差を上記ピストンとディスプレーサの予め記憶した正規の位相差と比較し、比較した位相差のずれが予め定めた所定の値より大きいとき上記冷媒ガスのガス漏れがあったものと判定する判定手段とを設けたことを特徴とする。
【０００９】
従って、スターリング冷凍機の運転中は位相差検出手段によりピストンとディスプレーサの各往復運動における位相差が検出される。この位相差と冷媒ガスのガス圧は、ガス圧が低下すると、位相差も小さくなる関係にある。従って、上記のようにして検出したピストンとディスプレーサの位相差は判定手段により予め記憶した正規の位相差と比較し、比較した位相差のずれが予め定めた所定の値より大きい場合は冷媒ガスのガス漏れが生じていたものと判定することができる。
【００１０】
また、請求項２のスターリング冷凍機は、請求項１記載のスターリング冷凍機において、スターリング冷凍機本体の振動を検知する振動センサと、スターリング冷凍機を駆動制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記判定手段が冷媒ガスのガス漏れを判定したとき、上記振動センサによる検知振動が最小になるように上記スターリング冷凍機の電源周波数を調整することを特徴とする。
【００１１】
従って、判定手段で、冷媒ガスのガス漏れが生じていると判定したとき制御手段でスターリング冷凍機の電源周波数の調整を行い、振動センサで検知するスターリング冷凍機本体の振動が最小になるようにする。その結果、冷媒ガスのガス漏れが生じ、内部ガス圧が低下したときでもスターリング冷凍機を最適の電源周波数で運転することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面とともに説明する。
（実施形態１）
図１、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全体構成図である。図１を用いて先ず本発明の動作原理を説明する。なお、図１に示す本発明の全体構成図では共振用ガスバネの代わりに共振用コイルバネを用いている。
【００１９】
図１において、ピストン２はリニアモータ６により駆動され、共振用バネ５により正弦運動する。ピストン２の動きにより圧縮空間８内の冷媒ガスは正弦状の圧力変化を示す。圧縮された冷媒ガスは放熱部１０で圧縮熱を放出し、ディスプレーサ１内にある再生器３で予冷され膨張空間７に入る。膨張空間７の作動ガスはディスプレーサ１の動きにより膨張し温度は低下する。膨張空間７内の冷媒ガスの圧力は、圧縮空間８内の圧力とある位相差を持って正弦変化する。すなわちディスプレーサ１はピストン２に対しある位相差を持って摺動することになる。
【００２０】
膨張空間７での冷凍能力はディスプレーサ１の振動の仕方に大きく影響を受けるが、この振幅はピストン２とディスプレーサ１の位相差、すなわち膨張空間７と圧縮空間８との時間変化する圧力差によって生じるディスプレーサ１とピストン２の動きの差に影響を受ける。一般に９０度程度が最適位相差といわれている。一般的にピストン２とディスプレーサ１の位相差はガス圧あるいはバネに依存し、運転条件が同一であればディスプレーサ１の質量及び共振用バネ４のバネ定数及び動作周波数により決まるものである。ディスプレーサ１の質量は設計時に決まるものでこれを運転時に変えることは不可能である。
【００２１】
このとき、ピストン内部に封入されている冷媒ガスの充填圧力が正規の圧力より低下すると（ガスのリークを生じた場合）、ピストン２とディスプレーサ１との位相差は正規の圧力の場合の位相差より低下する傾向がある。図２はこの状態を示すグラフである。例えばガス圧が２４ｋｇ／ｃｍ^２から１４ｋｇ／ｃｍ^２まで変化した場合、位相差が６５度から４８度まで変化することが読みとれる。従って、振動センサを冷凍機内部のピストン及びディスプレーサ部にそれぞれ取り付け両者の位相差の検知を行うことによってガス圧の変化すなわち冷媒ガスの充填圧力の低下を検出することが可能になる。
【００２２】
図３はこの場合の制御回路のブロック図であり、図４は制御のフローチャートである。図３において、ピストン２の内部に組み込まれた振動センサ１１からのピストン２の位置信号はアンプ１４で増幅して制御マイコン１６に入力し、ディスプレーサ１の内部に組み込まれた振動センサ１２からのディスプレーサ１の位置信号はアンプ１５で増幅して制御マイコン１６に入力する。また、冷却面の温度を検出する温度センサ１３からの温度情報も制御マイコン１６に入力する。
【００２３】
制御マイコン１６では上記の各入力信号に基づきスターリング冷凍機１８を制御するための制御信号を導出し、この制御信号はＰＷＭ出力部１７でパルス幅変調されてスターリング冷凍機１８を制御する。
【００２４】
図４は上記の制御マイコン１６によりスターリング冷凍機１８の動作制御を行う場合のフローチャートである。ステップＳ１でスターリング冷凍機１８の運転が開始されると温度センサ１３より入力される冷却面の温度情報より初期運転開始後冷凍機の冷却面の表面温度を監視し、ステップＳ２でこの表面温度が一定状態になるのを待つ。これは冷凍機の運転が安定化するまでの時間を確保するためである。
【００２５】
冷却面の温度が一定状態になるとステップＳ３でピストン２及びディスプレーサ１に取り付けた振動センサ１１及び１２から制御マイコン１６に入力される位置信号の振動波形よりピストン２とディスプレーサ１との位相差を検出し、これを初期位相差として記憶する。その後、ステップＳ４で一定時間運転を行わせ、一定時間経過後にステップＳ５で再度ピストン２とディスプレーサ１との位相差を検出する。そして、この再度検出した位相差をステップＳ６で上記の初期位相差と比較し、位相差のずれが予め定めた値より大きくなっている場合には、ガス圧が低下したことになりステップＳ７でガス漏れと判断しステップＳ８で冷凍機の運転を停止させる。この場合、位相差の低下度合がどの程度であればガス漏れと判断するかは冷凍機の能力や使用温度帯の違い等により相違するので一定ではなく予め試行により定め設定するようにする。
【００２６】
なお、実施形態では共振用コイルバネを用いた場合で説明したが、共振用ガスバネを用いた場合であってもガス圧の変化とピストン・ディスプレーサの位相差を振動センサにより検出が可能なので図４に示す制御を行うことが可能である。
【００２７】
（実施形態２）
図５は本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図であり、図６はそのフローチャートである。図５において２０はスターリング冷凍機１８の本体の外郭部に取り付けられた振動センサであり、該振動センサ２０の出力はアンプ２２で増幅して制御マイコン２３に入力する。１３はスターリング冷凍機１８の冷却面に取り付けた温度センサであって、その出力は上記制御マイコン２３に入力する。
【００２８】
制御マイコン２３では上記の各入力信号に基づきスターリング冷凍機１８を制御するための制御信号を導出し、この制御信号はＰＷＭ出力部１７でパルス幅変調されてスターリング冷凍機１８を制御する。
【００２９】
図６は上記制御マイコン２３によりスターリング冷凍機１８の動作制御を行う場合のフローチャートである。ステップＳ１０でスターリング冷凍機１８の運転を開始すると、冷却部は温度が低下し、放熱部１０は温度が上昇する。このとき、スターリング冷凍機１８の冷却面に取り付けた温度センサ１３により冷却面の温度を検出し、この温度情報を制御マイコン２３に入力する。ステップＳ１１で冷却面の外表面の温度が安定した状態になったことを制御マイコン２３が判断すると、ステップＳ１２でスターリング冷凍機１８の本体に取り付けられている振動センサ２０からの冷凍機の振動情報を制御マイコン２３が検知しこれを初期値として記憶する。スターリング冷凍機１８はピストン・ディスプレーサの振動により、本体のケーシング自体が振動するので、振動センサ２０はその振動を検知する。
【００３０】
その後スターリング冷凍機１８は運転を継続し、ステップＳ１３で予め定めた一定時間が経過すると、ステップＳ１４でその時点におけるスターリング冷凍機１８の本体の振動を上記振動センサ２０で再度検知する。次にステップＳ１５において上記ステップＳ１２で検出した振動と上記ステップＳ１４で検出した振動を比較し、ステップＳ１４で検出した振動の方が大きい場合はステップＳ１６でスターリング冷凍機１８の電源周波数の調整を行う。そして、上記ステップＳ１５とＳ１６でスターリング冷凍機１８の電源周波数を上記振動センサ２０で検出する振動レベルが最小になるように調整する。
【００３１】
上記のように本実施形態２によるとスターリング冷凍機１８が運転開始後冷媒ガスのガス漏れが生じた場合、共振用バネの共振点が移動するがスターリング冷凍機１８の振動を最小にするように該スターリング冷凍機１８の電源駆動回路により電源周波数を調整するので、運転開始後ガス圧低下時点での最適制御を行わせることができる。
【００３２】
（実施形態３）
本発明の第３の実施形態を図７を用いて説明する。本実施形態３は、上述する実施形態１のスターリング冷凍機において高温部の温度上昇を抑制し冷凍機の破損を防止するようにしたものである。図７においてステップＳ２０でスターリング冷凍機１８が運転を開始すると、冷却部は温度が低下し、放熱部１０は温度が上昇する。スターリング冷凍機１８の放熱部１０には温度センサ２１が取り付けられており、この温度センサ２１によりスターリング冷凍機１８の放熱部１０の放熱温度をそれぞれ検知する。そして、ステップＳ２１で放熱部１０の温度が予め定めた所定の温度Ｔを超えるか否かを検出し、所定の温度Ｔを超えるとステップＳ２２でスターリング冷凍機の電源電圧を抑制する。その結果スターリング冷凍機１８の出力が低下し、放熱部１０等の高温部の温度上昇を防止して、温度上昇による高温部の破損を防ぐことができる。
【００３３】
（実施形態４）
本発明の第４の実施形態を図８に示すフローチャートを用いて説明する。本実施形態４は上述する実施形態１のスターリング冷凍機において、膨張空間７と圧縮空間８の内部ガス圧をそれぞれ検知する圧力検知センサを設け、これらの圧力検知センサで運転中の内部ガス圧を検知し、ガス漏れを起こした場合の圧力検知センサで検知する内部ガス圧の変化よりディスプレーサ１とピストン２の衝突あるいは衝突の可能性を事前に検出してこの衝突を防止するようにしたものである。
【００３４】
図８に示すフローチャートにおいてステップＳ３０でスターリング冷凍機１８が運転を開始すると、このスターリング冷凍機のフリーピストン型スターリングサイクルでは、ディスプレーサ１はピストン２に対してある位相差を持って摺動する。運転開始後スターリング冷凍機１８が定常運転に達したときステップＳ３１で上記圧力検知センサにより内部ガス圧を検知すると、ある一定の正弦波の圧力変動が検出される。この初期データのガス圧波形を制御マイコンに正常データとして記憶する。
【００３５】
その後運転を継続してステップＳ３２で圧力検知センサにより内部ガス圧の現在値を検出するが、ディスプレーサ１とピストン２が衝突するか衝突を起こしそうになると、圧力波形のピーク値が上昇したり、波形歪が生じ圧力波形が変化する。ステップＳ３３では、ステップＳ３１とステップＳ３２で検出した内部ガス圧波形を制御マイコンで比較する。そして、ステップＳ３２で検出した現在値の内部ガス圧波形がステップＳ３１で初期値として記憶した正規の正常な内部ガス圧波形より予め定めた一定値以上ずれている場合は、制御マイコンはディスプレーサ１とピストン２が衝突あるいは衝突のおそれありと判断し、スターリング冷凍機１８の入力を低下させる。この場合、ディスプレーサ１とピストン２が衝突あるいは衝突のおそれありと判断する場合の判断基準は内部ガス圧の正常値に比べて現在値のピーク値と波形歪の上昇が予め定めた所定の値を超えるか否かにおくようにする。
【００３６】
（実施形態５）
本発明の第５の実施形態を図５及び図９を用いて説明する。本実施形態５は上述する実施形態１のスターリング冷凍機において、スターリング冷凍機１８の本体の外郭部に振動センサ２０を取り付け、図５に示すように上記振動センサ２０の出力をアンプ２２で増幅して制御マイコン２３に入力する。また１３はスターリング冷凍機１８の冷却面に取り付けた温度センサであり、この温度センサ１３で検出した冷却面の温度情報も制御マイコン２３に入力する。制御マイコン２３は上記振動センサ２０及び温度センサ１３からの信号に基づき制御信号を出力しＰＷＭ出力部１７でパルス幅変調を施し、スターリング冷凍機１８を制御する。
【００３７】
図９は上記制御マイコン２３によりスターリング冷凍機１８の動作制御を行う場合のフローチャートである。ステップＳ４０でスターリング冷凍機１８の運転を開始すると、このスターリング冷凍機のフリーピストン型スターリングサイクルではディスプレーサ１はピストン２に対してある位相差を持って摺動する。運転開始後、温度センサ１３により冷却面の温度を監視し、この温度が制御マイコン２３によりステップＳ４１で安定したことを検出すると、ステップＳ４２でスターリング冷凍機１８の本体に取り付けられた振動センサ２０で振動を検知し、この振動情報を制御マイコン２３は初期値の正常データとして記憶する。
【００３８】
その後、スターリング冷凍機１８は運転を継続し、振動センサ２０はステップＳ４３で本体の振動を検出し続けるが、ピストン２とディスプレーサ１が衝突を起こすと衝撃が生じ、これを振動センサ２０が検出して制御マイコン２３が検知する。そして、ステップＳ４４で振動センサ２０が検出した本体のその時点における振動をステップＳ４２で初期値として記憶した正常データと比較し、上記のその時点の振動が初期値として記憶した正常データより予め定めた値以上に大きいと、制御マイコン２３はピストン２とディスプレーサ１が衝突をしたものと判断し、ステップＳ４５でスターリング冷凍機１８への入力を低下させ、衝突を回避するようにする。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１によると、位相差検出手段でピストンとディスプレーサの位相差検出を行い、検出した位相差と正規状態の位相差とを比較するだけの簡単な構成でスターリング冷凍機の冷媒ガスの漏れを確実に検出することが可能になる。
【００４０】
また、請求項２によると、請求項１の効果に加え、冷媒ガスのガス漏れを検出した場合でも、スターリング冷凍機の電源周波数を振動センサの出力が最低になるように調整するだけの簡単な構成で最適制御を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フリーピストン型スターリング冷凍機の断面図。
【図２】本発明の実施形態１における、スターリング冷凍機のピストン・ディスプレーサの位相差と冷媒ガスのガス圧の関係を示す図。
【図３】本発明の実施形態１における、制御回路のブロック図。
【図４】本発明の実施形態１における、制御動作のフローチャート。
【図５】本発明の実施形態２及び５における、制御回路のブロック図。
【図６】本発明の実施形態２における、制御動作のフローチャート。
【図７】本発明の実施形態３における、制御動作のフローチャート。
【図８】本発明の実施形態４における、制御動作のフローチャート。
【図９】本発明の実施形態５における、制御動作のフローチャート。
【符号の説明】
１…ディスプレーサ
２…ピストン
３…再生器
４、５…共振用バネ
６…リニアモータ
７…膨張空間
８…圧縮空間
９…冷凍機本体
１０…放熱部
１１、１２、２０…振動センサ
１３、２１…温度センサ
１４、１５、２２…アンプ
１６、２３…制御マイコン
１７…ＰＷＭ出力部
１８…スターリング冷凍機本体

Claims

シリンダ内にピストンとディスプレーサを設け、上記ピストンの往復運動によって圧縮空間内で冷媒ガスを圧縮し、圧縮された冷媒ガスのガス圧で上記ディスプレーサを上記ピストンに対して所定の位相差を持って往復運動させ、上記ディスプレーサの往復運動により上記膨張空間内で冷媒ガスを膨張させて冷却を行うスターリング冷凍機において、運転中における上記ピストンとディスプレーサの位相差を検出する位相差検出手段と、検出した位相差を上記ピストンとディスプレーサの予め記憶した正規の位相差と比較し、比較した位相差のずれが予め定めた所定の値より大きいとき上記冷媒ガスのガス漏れがあったものと判定する判定手段とを設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。
スターリング冷凍機本体の振動を検知する振動センサと、スターリング冷凍機を駆動制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記判定手段が冷媒ガスのガス漏れを判定したとき、上記振動センサによる検知振動が最小になるように上記スターリング冷凍機の電源周波数を調整することを特徴とする請求項１記載のスターリング冷凍機。