JP3881998B2 - スターリング冷凍システム - Google Patents

Description

本発明は、スターリング冷凍機と、スターリング冷凍機を制御する制御装置とを有するスターリング冷凍システムに関するものである。

従来から、制御装置によってスターリング冷凍機の冷凍能力の制御が行なわれている。スターリング冷凍機は、ピストンのストロークの大きさに応じて冷凍能力が決定される。したがって、制御装置は、大きな冷凍能力が必要とされる場合には、ピストンのストロークを大きくする。一方、制御装置は、小さな冷凍能力が必要とされる場合には、ピストンのストロークを小さくする。
特開２００３−３１４９１９号公報

しかしながら、上記従来のスターリング冷凍システムにおいては、スターリング冷凍機のピストンを最大ストロークで駆動させることが必要であるにもかかわらず、負荷が大きいために、ピストンを最大ストロークで駆動できないことがある。その結果、スターリング冷凍機が所望の冷凍能力を発揮することができず、対象物を急速に冷凍することができないことがある。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、ピストンを最大ストロークで駆動させる状態であるにもかかわらず、ピストンのストロークが最大ストロークで駆動されていない場合に、ピストンのストロークを最大ストロークに近づけ、所望の冷凍能力を発揮することができるスターリング冷凍システムを提供することである。

本発明のスターリング冷凍システムは、フリーピストン型スターリング冷凍機と、フリーピストン型スターリング冷凍機をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によって制御する制御装置とを備えている。制御装置は、ＰＷＭの過変調の制御の実行中にフリーピストン型スターリング冷凍機のピストンとディスプレーサとが衝突しないように予め定められた最大ストロークおよび（最大ストローク−所定値）のそれぞれを記憶する記憶手段と、ＰＷＭによって生成された交流波形の振幅の変調率が最大変調率（１００％）に達している場合に、ピストンの現在のストロークが（最大ストローク−所定値）以下であるか否かを判定するストローク判定手段と、ピストンの現在のストロークが（最大ストローク−所定値）以下であると判定された場合に、過変調の制御を実行する変調制御手段とを含んでいる。さらに、変調制御手段は、過変調の制御の実行中の仮想の変調率が［最大ストローク／（最大ストローク−所定値）］×１００％になるようにＰＷＭの態様を制御する。

上記の制御によれば、過変調の制御によってピストンのストロークを最大ストロークに近づけることができ、負荷が大きい場合にも所望の冷凍能力を得ることができる。

スターリング冷凍機においては、ピストンとディスプレーサとが衝突することを防止するために、ピストンのストロークが検知される。しかしながら、ストロークの検知は、ＰＷＭによって生成される交流波形がサインカーブであることを前提に行なわれるため、過変調の制御においてはストロークの検知をすることができない。

上記の制御によれば、過変調の制御中においても、ピストンのストロークが大きくなり過ぎることに起因してピストンとディスプレーサとが衝突することが防止される。従って、スターリング冷凍機の損傷のおそれが低減される。

また、前述のシステムは、スターリング冷凍機の高温部または低温部の温度を検出し、制御装置へ高温部または低温部の温度情報を送信する温度検出器を備えており、変調制御手段が、過変調の制御中に、高温部の温度が過変調の制御を実行する直前の高温部の温度よりも低下しているか、または、低温部の温度が過変調の制御を実行する直前の低温部の温度よりも上昇している場合に、過変調の制御を終了することが望ましい。

上記の制御によれば、スターリング冷凍機の負荷が小さくなっているにも関わらず、過変調の制御が継続されることが防止されるため、ピストンが最大ストロークよりも大きなストロークで駆動することが防止される。そのため、ピストンとディスプレーサとが衝突することが防止される。従って、スターリング冷凍機の損傷のおそれが低減される。

また、前述のシステムは、ＰＷＭによって交流波形を生成するために制御装置へ直流電圧を出力する直流生成部をさらに備え、制御装置が、直流電圧を検出する電圧検出器を含み、変調制御手段が、過変調の制御中に、直流電圧が過変調の制御を実行する直前の直流電圧よりも大きくなっている場合に、過変調の制御を終了することが望ましい。

上記の制御によれば、直流電圧の不慮の上昇に起因してピストンが最大ストロークよりも大きなストロークで駆動してしまうことが防止され、ピストンとディスプレーサとが衝突することが防止される。従って、スターリング冷凍機の損傷のおそれが低減される。

また、前述のシステムは、スターリング冷凍機の高温部の温度を検出し、制御装置へ高温部の温度情報を送信する高温検出器と、スターリング冷凍機の低温部の温度を検出し、制御装置へ低温部の温度情報を送信する低温検出器とを備えており、制御装置が、高温部と低温部との温度差を算出する温度差算出手段を含み、変調制御手段が、過変調の制御中に、温度差が過変調の制御を実行する直前の温度差よりも小さくなっている場合に、過変調の制御を終了することが望ましい。

上記の制御によれば、スターリング冷凍機の負荷が小さくなっているにも関わらず、過変調の制御が継続されることが防止される。それにより、ピストンが最大ストロークよりも大きなストロークで駆動してしまうことが防止され、ピストンとディスプレーサとが衝突することが防止される。従って、スターリング冷凍機の損傷のおそれが低減される。

本発明によれば、ピストンを最大ストロークで駆動させる状態であるにもかかわらず、ピストンのストロークが最大ストロークで駆動されていない場合に、ピストンのストロークを最大ストロークに近づけ、所望の冷凍能力を発揮することができるスターリング冷凍システムが得られる。

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（背圧空間）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の外周側には内側ヨーク１８が嵌め込まれている。内側ヨーク１８は隙間１９を介して外側ヨーク１７に対向している。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、制御装置３０によってリニアモータ１３に駆動電力が供給されるようになっている。

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。

上述の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及びストロークで往復運動を行なう。従って、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の往復運動の周期及びストロークを制御できる。

次に、上記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が、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ことにより、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変化し、圧縮空間９から熱を放出し、ディスプレーサ２の周囲に設けられた再生器１２で冷却されながら膨張空間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の動きにより膨張し、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変化し、ディスプレーサ２をピストン１に対して所定の位相差を有する状態で往復運動させる。
また、図１に示す制御装置３０（この内部には、電流センサ３３が内蔵されている。）、スターリング冷凍機４０の低温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）、および高温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）が設けられている。尚、デジタル信号をアナログ信号に変換するときにはＰＷＭが用いられる。つまり、制御装置３０から順次出力される複数のパルスは、その幅が正弦波形に対応して変化するように構成され、交流が生成される。

図２は、制御装置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、低温部の温度Ｔｃを検知する温度センサ３４および高温部の温度Ｔｈを検知する温度センサ３５が取り付けられている。

制御装置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および温度センサ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が設けられている。また、リード線２０，２１及びハーメチックシール端子３７を介して、駆動電力を出力するＩＰＭ（Intelligent Power Module）２００がリニアモータ１３に接続されている。

次に、図３〜図５を用いて、実施の形態の制御装置３０内に設けられたＩＰＭ２００およびマイクロコンピュータ１０００を説明する。図３に示すように、本実施の形態のリニアモータ（Ｍ）つまり前述のリニアモータ１３の駆動電圧の制御においては、ＩＰＭ２００が用いられる。ＩＰＭ２００には、インバータ回路１００が内蔵されている。インバータ回路１００は、４つのスイッチング素子を有し、図３に示すような態様で、スターリング冷凍機４０に内装されたリニアモータ（Ｍ）に接続されている。４つのスイッチング素子は、トランジスタＧｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、およびＧｙであり、それぞれには、ソース電極とドレイン電極との間にフライホイールダイオードが接続されている。図３から分かるように、トランジスタＧｕとトランジスタＧｘとは直列に接続され、トランジスタＧｖとトランジスタＧｙとは直列に接続されている。また、リニアモータ（Ｍ）は、一方の端子がトランジスタＧｕとトランジスタＧｘとの間のノードに接続され、他方の端子がトランジスタＧｖとトランジスタＧｙとの間のノードに接続されている。

また、インバータ回路１００に対して並列にコンデンサＣとコンデンサＣＣとの直列回路が接続されている。この直列回路に整流器Ｄの出力側が接続され、この整流器Ｄの入力側に交流電源Ｇが接続されて、コンデンサＣ及びコンデンサＣＣによる倍電圧回路が構成されている。また、コンデンサＣ及びコンデンサＣＣとインバータ回路１００との間には、コンデンサＣ及びＣＣに対して並列に抵抗器Ｒ１及び抵抗器Ｒ２が接続され、インバータ回路１００の入力端子間電圧を分圧する分圧回路が構成されている。また、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との間のノードの電位を安定させるためのコンデンサＣＣＣが抵抗器Ｒ２に対して並列に接続され、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との間のノードがマイクロコンピュータ１０００の電圧センサポートに接続されている。マイクロコンピュータ１０００には、インバータ回路１００へ入力される直流電力の電圧を特定する電圧信号が直流電圧センサに入力される。

さらに、リニアモータ（Ｍ）の２つの端子に、電圧計として機能する回路Ｖの入力端子が１対１の関係で接続され、回路Ｖで得られた電圧値がマイクロコンピュータ１０００のＵ相電圧センサポート及びＶ相電圧センサポートのそれぞれへ送信される。また、直流電源とリニアモータ（Ｍ）との間には、電流計として機能する回路Ａが設けられ、回路Ａで得られた電流値がマイクロコンピュータ１０００の電流センサポートへ送信される。

電圧値および電流値の取得手法は次のようなものである。電圧値の取得は、リニアモータ（Ｍ）に印加される電圧が回路Ｖによって分圧され、その分圧された電圧値がマイクロコンピュータ１０００に入力される。マイクロコンピュータ１０００は、その電圧値をＡ／Ｄ変換し実際の電圧値を算出する。また、電流値の取得は、シャント抵抗Ｓの両端の電位差がオペアンプを含む回路Ａによって増幅され、その増幅された電位差の値がマイクロコンピュータ１０００に入力される。マイクロコンピュータ１０００は、その増幅された電位差の値をＡ／Ｄ変換し電流値を算出する。

図４は、ＰＷＭインバータ制御用のタイマが１つ（１チャンネル）内蔵されたリニアモータ制御用のマイクロコンピュータ１０００の構成を説明するためのブロック図である。
図４に示すように、本実施の形態のマイクロコンピュータ１０００は、発振器としてのクロック回路と、演算手段としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）と、書替え可能な記憶手段としてのＲＡＭ（Random Access Memory）と、読出専用のＲＯＭ（Read Only Memory）とを備えている。ＲＯＭには、４つのスイッチング素子としてのトランジスタを制御するためのプログラムが格納されている。また、ＲＡＭは、ＲＯＭに格納されたプログラムに従ってＣＰＵで行なわれた演算結果を一時的に記憶するための記憶手段であり、レジスタなどの一時記憶手段も含まれていてもよい。さらに、クロックは、発振器から送信されてきた信号を用いて、後述するタイマを動作させるための基本となるクロックパルスを形成するためのものである。

また、マイクロコンピュータ１０００には、アップ／ダウンタイマ１の２つの相それぞれに対応した２つのレジスタが設けられている。このレジスタによって後述する設定値が決定される。この設定値は、ＰＷＭ制御における信号波（ｓｉｎ波）の振幅および周波数を決定するものである。また、設定値は、目標とする交流波形を構成するピーク時の電圧パルスのデューティ比、すなわち交流電圧の最大電圧値、および、目標とする交流波形の周波数が入力されれば、マイクロコンピュータ１０００によって自動的に算出される。

また、Ｕ相とＶ相との位相角の差は、１８０度となるように、前述のＲＯＭ内のプログラムが設定されている。Ｕ相コントロール回路から出力されたＰＷＭ制御信号は、トランジスタＧｕおよびＧｘのそれぞれのゲート電極に送信される。また、Ｖ相コントロール回路から出力されたＰＷＭ制御信号は、トランジスタＧｖおよびＧｙのそれぞれのゲート電極に送信される。

本実施の形態においては、Ｕ相の電圧パルスを出力しているタイミングにおいて、リニアモータ（Ｍ）に正電圧が印加され、Ｖ相の電圧パルスを出力しているタイミングにおいて、リニアモータ（Ｍ）に負電圧が印加されるものとする。また、１サイクルの前半においては、図５（ａ）に示すように、トランジスタＧｕおよびＧｙのみによって波形が形成され、１サイクルの後半においては、図５（ｂ）に示すように、トランジスタＧｖおよびＧｘのみによって波形が形成され、１サイクルの全体では、図５（ｃ）に示すように、Ｕ相の波形とＶ相の波形とが、１８０°位相がずれた状態で交互に出力される。

なお、スターリング冷凍機の制御において、ピストン１とディスプレーサ２とは、所定周波数で駆動しなければ共振しない。つまり、ピストン１の往復運動の周波数が、ピストン１とディスプレーサ２との共振周波数から大きく異なると、スターリング冷凍機４０を駆動させることができない。したがって、ＰＷＭの信号波を構成する前述の設定値のデータ列と時間との関係は、必ず所定の共振周波数のサインカーブを描くように設定されている必要がある。

ただし、後述する過変調の制御においては、図５（ｄ）に示す期間Ｔ１およびＴ２のそれぞれにおいては、ＰＷＭのパルス幅は最大値である。つまり、インバータ回路１００に入力される直流電圧の大きさの電圧がリニアモータ（Ｍ）に印加される。また、期間Ｔ１およびＴ２のそれぞれ以外の期間においては、仮想の変調率のサインカーブの一部が描かれるように、ＰＷＭのパルス幅が変化する。なお、仮想の変調率は、後で詳細に述べるが、過変調の制御における仮想のサインカーブの変調率を意味する。

次に、リニアモータ（Ｍ）のピストン１のスロークＸを検出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においては、次のようにして、ピストン１のストロークＸが検知される。

まず、制御装置３０の定常時の駆動状態について図６および図７を用いて説明をする。図６は、定常時においてリニアモータ（Ｍ）に印加される電圧Ｖ、リニアモータ（Ｍ）のコイル１６に流れる電流Ｉ、リニアモータ（Ｍ）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７は、リニアモータ（Ｍ）の等価回路図である。また、図７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６に示すように、電流Ｉはリニアモータ（Ｍ）のインダクタンス（図７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（Ｍ）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９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およびインダクタンスＬが予め分かっていれば、図３に示す回路Ｖによって取得される電圧Ｖと図３に示す回路Ａによって取得される電流Ｉとを用いて誘起電圧Ｅを計算することができる。尚、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。又、推力定数αは予め実験によって算出され、モータ巻き線抵抗ＲおよびインダクタンスＬは、予め測定された値である。

また、ピストンのストロークＸは、次の式（２）によって規定される。

Ｘ＝２×［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、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。尚、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。

次に、図８を用いて、「現在のストロークＸの算出処理」を説明する。

図８に示す「現在のストロークＸ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、マイクロコンピュータ１０００は、図３に示す回路Ａから送信されてきた信号を用いてシャント抵抗Ｓを流れる電流Ｉを算出する。その後、Ｓ８３において、マイクロコンピュータ１０００は、図３に示す回路Ｖから送信されてきた信号を用いてリニアモータ（Ｍ）に印加される電圧Ｖを算出する。次に、Ｓ８４において、位相差θ、電圧Ｖ、電流Ｉ、巻線抵抗値Ｒ、および前述の式（１）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Ｘを前述の式（２）を用いて算出する。

次に、図９を用いて、変調率および過変調の制御について説明する。

変調率とは、交流波形の最大振幅、すなわちインバータ回路１００に入力される直流電圧に対する実際の交流波形の振幅の比を意味する。したがって、最大変調率とは、１００％である。変調率が０％〜１００％までの間においては、交流波形はサインカーブになる。一方、変調率が１００％を超えると、すなわち、過変調の制御が行なわれると、交流波形は仮想のサインカーブの上部および下部がカットされた形状になる。

図９に示すように、交流波形は、変調率が大きくなるにしたがって、交流波形Ａから交流波形Ｃまで変化する。変調率が１００％のとき、交流波形Ｃは、その振幅がインバータ回路１００に入力される直流電圧の値に一致する。また、変調率が１００％を超えるまでの通常の振幅変調の制御の期間においては、交流波形はサインカーブを描くが、一方、過変調の制御の期間においては、交流波形Ｄで示されるように、交流波形は仮想のサインカーブの上部および下部がカットされた形状になる。

尚、過変調の制御中においては、交流波形はサインカーブではないため変調率を規定することはできないが、上部および下部がカットされなければ描かれたであろう仮想のサインカーブの変調率によって、過変調の制御中の変調率を規定し、本実施の形態においては以下この変調率を仮想の変調率と言う。

また、変調率が大きいほど、交流波形によって囲まれる面積が大きくなり、リニアモータ（Ｍ）に入力されるエネルギが大きくなる。また、過変調の制御の上部および下部がカットされたサインカーブが描かれる場合においても、仮想の変調率が大きいほど、その交流波形によって囲まれる面積は大きく、ピストン１に与えられるエネルギも大きい。

従って、本実施の形態においては、最大ストロークでピストン１を動作させなければならないときに、スターリング冷凍機４０の負荷が大きいためピストン１のストロークが最大値にならない場合には、過変調の制御を実行することによってピストンのストロークを大きくする制御が実行される。それにより、ピストン１のストロークは最大ストロークに近づくため、スターリング冷凍機は所望の冷凍能力に近づくことになる。

また、過変調の制御が実行されているときには、リニアモータ（Ｍ）に印加される交流電圧の波形がサインカーブではなくなるため、前述のストローク検知を実行することができない。前述のストローク検知は、電圧波形がサインカーブであることを前提に行なわれる制御であるためである。

従って、ピストン１とディスプレーサ２との衝突を防止するために、過変調の制御の継続を制限する必要がある。それは、スターリング冷凍機の負荷が小さくなれば、ピストン１は同じ変調率であってもより大きなストロークで往復運動するため、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突する虞があるためである。したがって、過変調の制御中において、過変調の制御が実行される直前に比較して、スターリング冷凍機の負荷が小さくなれば、過変調の制御を終了することが望ましい。スターリング冷凍機の負荷が小さくなったことは、高温部（圧縮空間９）の温度Ｔｈが過変調の制御の直前に比較して低くなったこと、低温部（膨張空間１０）の温度Ｔｃが過変調の制御の直前に比較して高くなったこと、または、高温部の温度Ｔｈと低温部の温度Ｔｃとの差が過変調の制御の直前に比較して小さくなったことによって判別することが可能である。また、インバータ回路１００に入力される直流電圧Ｖ（Ｄ）が過変調の直前に比較して大きくなった場合には、仮想の変調率が変更されなくても、より大きなエネルギがピストン１に与えられるため、過変調の制御を終了することが望ましい。

また、一般的には、図１０に示すように、スターリング冷凍機は、急速冷凍運転のタイミングにおいて、高温部の温度Ｔｈと低温部の温度Ｔｃとの差が大きくなる。つまり、高温部の温度Ｔｈは除々に大きくなり、低温部の温度Ｔｃは除々に小さくなる。したがって、このような図１０に示す温度変化の状態が崩れた場合に、過変調の制御が終了されれば、ディスプレーサ２とピストン１とが接触するという不都合を防止することが可能となる。

次に、図１１および図１２を用いて、本実施の形態のスターリング冷凍機の制御装置にて行われる変調制御処理を説明する。まず、Ｓ１において急速冷凍運転が必要か否かが判別される。急速冷凍運転は、例えば、スターリング冷凍機を搭載した冷蔵庫の据付が完了し電源が投入されたとき、除霜運転が終了したとき、または貯蔵食品を急速冷凍するとき等に必要とされる。急速冷凍運転が必要か否かは、マイクロコンピュータ１０００の制御モードにおける条件によって決定される。

Ｓ１において、急速冷凍運転が必要でなければ、変調制御処理は実行されず、急速冷凍運転が必要であれば、Ｓ２において最大ストローク指令が出されているか否かが判別される。つまり、ピストン１を最大ストロークで駆動させる状態か否かが判別され、最大ストロークで駆動させない状態すなわち最大ストローク指令が出されていない状態であれば変調率制御処理は実行されず、最大ストローク指令が出されていればＳ３において変調率が最大変調率（１００％）になっているか否かが判別される。変調率が最大変調率（１００％）になっているか否かは、図３の回路Ｖからマイクロコンピュータ１０００へ出力される電圧パルスの最大値がインバータ回路１００に入力される直流電圧の値になっているか否かで判別される。

Ｓ３において、リニアモータ（Ｍ）に印加されている交流電圧の変調率が最大変調率（１００％）になっていなければ変調率制御処理は行われないが、リニアモータ（Ｍ）に印加されている交流電圧の変調率が最大変調率になっていれば、Ｓ４において現在のピストン１のストロークが「最大ストローク−所定値Ａ」以下のストロークであるか否かが判別される。この判別は、前述のストローク検知によって得られた実際のピストン１のストロークの値と「最大ストローク−所定値Ａ」の記憶値とを用いて行なわれる。なお、「最大スローク−所定値Ａ」の値は予めＲＯＭに記憶されている。次に、Ｓ４において、ピストン１の実際のストロークの値が「最大ストローク−所定値Ａ」以下の値でなければ、変調率制御処理は行われないが、ピストン１の実際のストロークの値が「最大ストローク−所定値Ａ」以下の値であれば、Ｓ５の処理が実行される。

Ｓ５において現在の温度Ｔｃ及び現在の温度Ｔｈ、現在の温度Ｔｈ−温度Ｔｃ、並びに、現在のインバータ回路１００に入力されている直流電圧Ｖ（Ｄ）の値がＲＡＭに記憶され、過変調制御処理が実行される。温度Ｔｃは図２に示す温度センサ３４によって検出された低温部の温度であり、温度Ｔｈは図２に示す温度センサ３５によって検出された高温部の温度であり、直流電圧Ｖ（Ｄ）は図３に示す直流電圧センサによって取得された電圧である。

次に、Ｓ６において最大ストローク／（最大ストローク−所定値Ａ）という式によって規定される仮想の変調率が算出され、この仮想の変調率によって規定されるサインカーブの一部が用いられる過変調の制御によってピストン１が往復運動する。つまり、最大ストロークを超えないストロークでピストン１が動作するように過変調の制御が実行される。なお、最大ストロークは、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突しないように予め定められてＲＯＭに入力されている値である。

過変調の制御の実行中は、ストロークの値を算出することができないため、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突する虞があるが、最大ストローク／（最大ストローク−所定値Ａ）という式によって規定される仮想の変調率でピストン１を動作させれば、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突することが防止され、負荷が大きいために急速冷凍をすることができないという不具合が防止される。

次に、図１２のＳ１０において、最大ストローク指令が出力されているか否かが判別され、最大ストローク指令が出力されていなければ、Ｓ２９において制御装置３０は過変調の制御を終了する。一方、Ｓ１０において、最大ストローク指令が出力されていれば、Ｓ１１において、温度Ｔｈの値がＳ５における温度Ｔｈの記憶値よりも低下したか否かが判別され、それが低下していれば、Ｓ１７においてＨフラグがセットされているか否かが判別される。Ｈフラグは、後述するＳ２６のステップにおいて設定されるフラグであり、温度Ｔｈの記憶値が増加していることを示すフラグである。Ｓ１７においてＨフラグがセットされていなければ、制御装置３０はスターリング冷凍機４０の負荷が低下したと判断し、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突するのを防止するために、Ｓ２９において過変調の制御を終了する。また、Ｓ１７において、Ｈフラグがセットされていれば、Ｓ１８において仮想の変調率がＨ％低下(ダウン）され、Ｈフラグがリセットされ、かつ、温度Ｔｈの記憶値として前回の記憶値−３度の値が新たに記憶される。その後、Ｓ１０の処理が実行される。

一方、Ｓ１１において温度Ｔｈが記憶値よりも低下していなければ、Ｓ１２において、温度ＴｃがＳ５における温度Ｔｃの記憶値よりも上昇したか否かが判別され、それが上昇していれば、Ｓ１９においてＣフラグがセットされているか否かが判別される。Ｃフラグは後述するＳ２７においてセットされるフラグであり、温度Ｔｃの記憶値が低減していることを示すフラグである。Ｓ１９においてＣフラグがセットされていなければ、制御装置３０はスターリング冷凍機４０の負荷が低下したと判断し、Ｓ２９において過変調の制御を終了する。一方、Ｓ１９においてＣフラグがセットされていれば、Ｓ２０において仮想の変調率がＣ％低下（ダウン）され、Ｃフラグがリセットされ、かつ、温度Ｔｃの記憶値として前回の記憶値＋３度の値が新たに記憶される。その後、Ｓ１０の処理が実行される。

また、Ｓ１２において、温度ＴｃがＳ５における温度Ｔｃの記憶値よりも上昇していなければ、Ｓ１３の処理が実行される。Ｓ１３においては、インバータ回路１００へ入力される直流電圧Ｖ（Ｄ）の値がＳ５における直流電圧Ｖ（Ｄ）の記憶値よりも上昇したか否かが判別され、それが上昇していれば、Ｓ２１においてＢフラグがセットされているか否かが判別される。Ｂフラグは、後述するＳ２８においてセットされるフラグであり、直流電圧Ｖ（Ｄ）の値が低下していることを示すフラグである。

Ｓ２１においてＢフラグがセットされていなければ、制御装置３０は、スターリング冷凍機４０の負荷が低下したと判断し、Ｓ２９において過変調の制御を終了する。一方、Ｓ２１においてＢフラグがセットされていれば、Ｓ２２において仮想の変調率がＢ％低下（ダウン）され、Ｂフラグが削除され、かつ、直流電圧Ｖ（Ｄ）の記憶値として前回の記憶値＋３Ｖが新たに記憶される。その後、Ｓ１０の処理が実行される。また、Ｓ１３において直流電圧Ｖ（Ｄ）の値がＳ５における直流電圧Ｖ（Ｄ）の記憶値よりも上昇していなければ、Ｓ１４の処理が実行される。

Ｓ１４においては温度Ｔｈが記憶値よりも３度以上上昇したか否かが判別され、温度Ｔｈが記憶値よりも３度以上上昇していれば、Ｓ２３においてＨフラグがセットされているか否かが判別される。Ｈフラグがセットされていなければ、Ｓ２６において仮想の変調率がさらにＨ％増加（アップ）され、温度Ｔｈの記憶値がＳ５の温度Ｔｈの値＋３℃に変更され、かつ、Ｈフラグがセットされる。その後、Ｓ１０の処理が実行される。また、Ｓ２３においてＨフラグがセットされていれば、Ｓ１５の処理が実行される。

また、Ｓ１４において温度Ｔｈが記憶値よりも３度以上上昇していない場合にもＳ１５の処理が実行される。Ｓ１５においては温度Ｔｃが記憶値より３度以上低下したか否かが判別され、それが３度以上低下していれば、Ｓ２４においてＣフラグがセットされているか否かが判別される。Ｓ２４においてＣフラグがセットされていなければ、Ｓ２７において仮想の変調率がさらにＣ％増加（アップ）され、温度Ｔｃの記憶値がＳ５の記憶値−３℃に変更され、かつ、Ｃフラグがセットされる。その後、Ｓ１０の処理が実行される。また、Ｓ２４においてＣフラグがセットされていればＳ１６の処理が実行される。また、Ｓ１５において温度Ｔｃが記憶値よりも３度以上低下していなければ、Ｓ１６の処理が実行される。

Ｓ１６においては、直流電圧Ｖ（Ｄ）の値が記憶値よりも３Ｖ以上低下したか否かが判別され、それが３Ｖ以上低下していればＳ２５においてＢフラグがセットされているか否かが判別される。Ｓ２５においてＢフラグがセットされていなければ、Ｓ２８において仮想の変調率がさらにＢ％増加（アップ）され、直流電圧Ｖ（Ｄ）の記憶値がＳ５の記憶値−３℃に変更され、かつ、Ｂフラグがセットされる。その後、Ｓ１０の処理が実行される。また、Ｓ２５においてＢフラグがセットされていれば、Ｓ１の処理が実行される。

なお、前述のＳ１８、Ｓ２０、およびＳ２２のそれぞれでＲＡＭの記憶値を変更する値は、＋３または−３に限定されず、スターリング冷凍機４０の特性に応じて適宜決定されるものである。また、前述のＳ１８、Ｓ２０、およびＳ２２のそれぞれで変更される仮想の変調率の値は、実験によって求められた値であって、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突しないように定められた値である。

要するに、図１２に示す継続制御１においては、温度Ｔｈが図１１のＳ５において記憶された過変調の制御の直前の温度Ｔｈよりも低下しているか、温度Ｔｃが図１１のＳ５において記憶された過変調の制御の直前の温度Ｔｃよりも上昇しているか、又は、直流電圧の値が図１１のＳ５において記憶された過変調の制御の直前の直流電圧の値よりも大きくなっている場合に、制御装置３０はスターリング冷凍機４０の負荷が低下したと判断し、過変調の制御を終了する。従って、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突することが防止される。

また、前述の図１２に示す継続制御１の代わりに、図１３に示すような継続制御２が実行されてもよい。図１３に示す継続制御２においては、まず、Ｓ３０において最大ストローク指令が出力されているか否かが判別され、最大ストローク指令が出力されていなければ、制御装置３０はこの処理を終了する。また、Ｓ３０において最大ストローク指令が出力されていれば、Ｓ３１において温度差Ｔｈ−ＴｃがＳ５における温度差Ｔｈ−Ｔｃの記憶値より低下したか否かが判別され、それが低下していなければ、Ｓ３０の処理およびＳ３１の処理が繰り返される。一方、温度差Ｔｈ−Ｔｃが記憶値より低下していれば、制御装置３０はスターリング冷凍機４０の負荷が低下したと判断し、過変調の制御を終了する。

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装置との関係を説明するための図である。 実施の形態の交流電力生成装置の構成を説明するための図である。 実施の形態の交流電力生成装置において用いられるマイクロコンピュータの構成図である。 Ｕ相の電圧パルスとＶ相の電圧パルスとを説明するための図である。 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。 過変調制御における電圧波形を説明するための図である。 過変調制御における高温部および低温部の温度変化を示す図である。 過変調制御処理を説明するためのフローチャートである。 過変調制御処理を説明するためのフローチャートである。 過変調制御処理の他の例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ ピストン、１３ リニアモータ、３０ 制御装置、４０ スターリング冷凍機。

Claims (4)

1. フリーピストン型スターリング冷凍機と、
   前記フリーピストン型スターリング冷凍機をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によって制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記ＰＷＭの過変調の制御の実行中に前記フリーピストン型スターリング冷凍機のピストンとディスプレーサとが衝突しないように予め定められた最大ストロークおよび（最大ストローク−所定値）のそれぞれを記憶する記憶手段と、
   前記ＰＷＭによって生成された交流波形の振幅の変調率が最大変調率（１００％）に達している場合に、前記ピストンの現在のストロークが（最大ストローク−所定値）以下であるか否かを判定するストローク判定手段と、
   前記ピストンの現在のストロークが（最大ストローク−所定値）以下であると判定された場合に、前記過変調の制御を実行する変調制御手段と、
   を含み、
   前記変調制御手段は、前記過変調の制御の実行中の仮想の変調率が［前記最大ストローク／（前記最大ストローク−前記所定値）］×１００％になるように前記ＰＷＭの態様を制御する、スターリング冷凍システム。
2. 前記スターリング冷凍機の高温部または低温部の温度を検出し、前記制御装置へ前記高温部または前記低温部の温度情報を送信する温度検出器を備え、
   前記変調制御手段は、前記過変調の制御中に、前記過変調の制御を実行する直前の前記高温部の温度よりも前記高温部の温度が低下しているか、または、前記過変調の制御を実行する直前の前記低温部の温度よりも前記低温部の温度が上昇している場合に、前記過変調の制御を終了する、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
3. 前記ＰＷＭによって前記交流波形を生成するために前記制御装置へ直流電圧を出力する直流電源生成部をさらに備え、
   前記制御装置は、前記直流電圧を検出する電圧検出器を含み、
   前記変調制御手段は、前記過変調の制御中に、前記過変調の制御を実行する直前の前記直流電圧よりも前記直流電圧が大きくなっている場合に、前記過変調の制御を終了する、
   請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
4. 前記スターリング冷凍機の高温部の温度を検出し、前記高温部の温度情報を前記制御装置へ送信する高温検出器と、
   前記スターリング冷凍機の低温部の温度を検出し、前記低温部の温度情報を前記制御装置へ送信する低温検出器とを備え、
   前記制御装置は、前記高温部と前記低温部との温度差を算出する温度差算出手段を含み、
   前記変調制御手段は、前記過変調の制御を実行する直前の前記温度差よりも前記過変調の制御を実行中の前記温度差が小さくなっている場合に、前記過変調の制御を終了する、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。

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