JP7174490B2

JP7174490B2 - フリーピストン型スターリング冷凍機

Info

Publication number: JP7174490B2
Application number: JP2019237378A
Authority: JP
Inventors: 峰幸井上; 清貴小田
Original assignee: 株式会社ツインバード
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: JP2021106471A

Description

本発明は、フリーピストン型スターリング冷凍機に関するものであり、特に、ピストンがインバータ回路から供給される交流電流によって駆動されるフリーピストン型スターリング冷凍機に関するものである。

従来、この種のフリーピストン型スターリング冷凍機としては、ケーシングと、このケーシング内に設けられるシリンダと、このシリンダ内を往復動可能に設けられるピストンと、このピストンを往復動させるリニアモータと、前記ピストンの往復動に伴って前記シリンダ内を往復動するディスプレイサーと、前記リニアモータの動作を制御する制御手段とを有するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このようなフリーピストン型スターリング冷凍機は、前記リニアモータに交流電流を供給することで前記ピストンを往復動させると共に、このピストンの往復動に伴って前記ディスプレイサーを往復動させている。なお、前記ピストンの駆動周波数が商用電源周波数と同じであるとは限らないので、商用電源からの電流を整流した直流電流を用いて、或いは直流電源からの電流を用いて、インバータ回路によって所定の周波数の交流電流を作り出し、前記リニアモータに供給するのが一般的である。そして、前記インバータ回路から出力される交流電流の電流値を検知し、この検知結果に基づいて、制御回路によって前記インバータ回路をフィードバック制御していた。なお、図１３に示すように、この電流値のサンプリング頻度が多いほど、出力される交流電流の波形や振幅を精度良く算出することができる。

特開２００５－３３７５５１号公報

しかしながら、交流電流の電流値のサンプリング頻度が過大であると、データ量が多くなり、これに伴って演算数も増加するという問題があった。また、交流電流の波形が理想的な正弦波に対し歪んだ場合、回転モータであれば回転ムラが表れるが、リニアモータの動作で往復動するピストンによって作動流体の圧力変動があるスターリング冷凍機の場合、交流電流の波形が理想的な正弦波に対し多少歪んでも、実用上の動作に大きな影響がないことが分かった。従って、このようなスターリング冷凍機の場合、交流電流値のサンプリング頻度が過多であると、電流波形を精密にトレースできるものの、データ量が増加することで演算量が増加し、制御系のコストアップに繋がるという問題があった。

本発明は以上の問題点を解決し、単純で安価な手段で動作を制御することができるフリ
ーピストン型スターリング冷凍機を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のフリーピストン型スターリング冷凍機は、ケーシングと、このケーシング内に設けられるシリンダと、このシリンダ内を往復動可能に設けられるピストンと、このピストンを往復動させるリニアモータと、前記ピストンの往復動に伴って前記シリンダ内を往復動するディスプレイサーと、前記リニアモータの動作を制御する制御手段とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機において、前記制御手段が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータへ供給するインバータ回路と、このインバータ回路から出力される電流を断続的にサンプリングする検流回路とを有すると共に、この検流回路のサンプリング頻度の下限値を、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり等間隔に３回以上とするものである。

また、本発明の請求項２に記載のフリーピストン型スターリング冷凍機は、請求項１において、前記検流回路のサンプリング頻度の下限値を、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり整数回とするものである。

また、本発明の請求項３に記載のフリーピストン型スターリング冷凍機は、請求項１において、前記検流回路のサンプリング頻度の下限値を、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり奇数回とするものである。

更に、本発明の請求項４に記載のフリーピストン型スターリング冷凍機は、請求項２において、前記検流回路のサンプリング頻度の下限値を、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり５回以上とするものである。

本発明の請求項１に記載のフリーピストン型スターリング冷凍機は、以上のように構成することにより、１サイクル当たり、極大値と極小値と二つのゼロクロス点という特異点を有する交流電流の大まかな平均値を算出するために最低限必要な情報を、少ないサンプリング数で得ることができ、これによって、制御系を単純化することができる。

なお、前記検流回路のサンプリング頻度の下限値を、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり整数回とすることで、交流電流の各サイクルのサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルでのサンプリングを同位相とすることができるので、少ないサンプリング数でもより正確に前記スターリング冷凍機を制御することができる。

また、前記検流回路のサンプリング頻度の下限値を、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり奇数回とすることで、偶数回の場合に比べて、サンプリング点の位相ずれによる正弦波形の面積に対する近似波形の面積比の相違を低く抑えることができるので、サンプリング点の位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

更に、前記検流回路のサンプリング頻度の下限値を、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり５回以上とすることで、サンプリング点の位相ずれによる正弦波形の面積に対する近似波形の面積比の相違が０．２％未満となり無視できるので、少ないサンプリング数で且つサンプリング点の位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

本発明の第一の実施形態を示すフリーピストン型スターリング冷凍機の断面図である。同、制御回路のブロック図である。同、理想的な事例における検出電流を示す説明図である。同、実際の事例における検出電流を示す説明図である。同、実際の事例で且つ近似波形面積の正弦波形面積に対する割合が最大となる事例における検出電流を示す説明図である。本発明の第二の実施形態を示すフリーピストン型スターリング冷凍機の、理想的な事例における検出電流を示す説明図である。同、実際の事例で且つ近似波形面積の正弦波形面積に対する割合が最大となる事例における検出電流を示す説明図である。本発明の第三の実施形態を示すフリーピストン型スターリング冷凍機の、理想的な事例における検出電流を示す説明図である。同、実際の事例で且つ近似波形面積の正弦波形面積に対する割合が最大となる事例における検出電流を示す説明図である。本発明の第四の実施形態を示すフリーピストン型スターリング冷凍機の理想的な事例における検出電流を示す説明図である。同、実際の事例で且つ近似波形面積の正弦波形面積に対する割合が最大となる事例における検出電流を示す説明図である。本発明の第五の実施形態を示すフリーピストン型スターリング冷凍機の検出電流を示す説明図である。従来のサンプリング頻度で電流値を検出した事例を示す説明図である。

以下、本発明の第一の実施形態について、図１乃至図５に基づいて説明する。１は本発明のフリーピストン型スターリング冷凍機である。このスターリング冷凍機１は、金属製のケーシング２を有する。そして、このケーシング２は、第一ケーシング体３と第二ケーシング体４とを有する。前記第一ケーシング体３は、小径円筒状に形成された円筒部５と、基端が開放した大径部６とを有して一体に形成される。そして、前記円筒部５は、閉塞された先端部７と、中間部８と、基部９とを有する。また、前記大径部６は、略円形の突曲面状に形成された一端面部１０と、短円筒状の側面部１１とを有する。同様に、前記第二ケーシング体４は、円筒状の側面部１２と、略円形の突曲面状に形成された他端面部１３とを有する。そして、前記大径部６と前記第二ケーシング体４とで、円筒状の胴部１４が形成される。

前記円筒部５の内部には、前記胴部１４の内部まで延びるシリンダ１５が、前記円筒部５に対して同軸的に挿入されて設けられる。即ち、前記シリンダ１５の中心軸線Ｘは、前記円筒部５の中心軸線Ｘと一致する。そして、前記シリンダ１５は金属を用いて成形される。そして、前記シリンダ１５の先端側の内側には、ディスプレイサー１６が中心軸線Ｘ方向に摺動可能に収容される。また、このディスプレイサー１６の先端と前記円筒部５の先端部７の間には膨張室Ｅが形成され、隙間１７によって前記シリンダ１５の内外が連通される。また、前記中間部８において、前記円筒部５の内周と前記シリンダ１５の外周との間に再生器１８が設けられると共に、前記基部９において、前記シリンダ１５の内外を連通する連通孔１９が前記シリンダ１５自体に形成される。また、前記円筒部５の先端部７の内周と前記シリンダ１５の先端外周との間には、吸熱フィン２０が設けられると共に、前記再生器１８と連通孔１９の間において、前記円筒部５の内周と前記シリンダ１５の外周との間に排熱フィン２１が設けられる。そして、前記シリンダ１５の内部先端から隙間１７、吸熱フィン２０、再生器１８、排熱フィン２１、連通孔１９を通って前記シリンダ１５内の圧縮室Ｃに至る経路２２が形成される。更に、前記胴部４内において、前記シリンダ１５の基部側の内側には、ピストン２３が中心軸線Ｘ方向に摺動可能に収容される。そして、このピストン２３の基端部は、リニアモータ２４に対して同軸的に連結される。なお、このリニアモータ２４は、接続体２５によって前記ピストン２３の基端に接続されて前記シリンダ１５の基端側の外周に同軸状に延設された短筒状の枠２６と、この枠２６の一端に固定された円筒状の永久磁石２７と、この永久磁石２７の外周に近接して設けられた環状の電磁コイル２８とを有して構成される。

また前記ピストン２３に枠２６を接続させる接続体２５には、前記ピストン２３の動作を制御するための第一の板バネ２９が接続される。さらに、前記ディスプレイサー１６の基端側に、このディスプレイサー１６の動作を制御するためのロッド３０の一端が接続されると共に、このロッド３０の他端に、第二の板バネ３１が接続される。なお、前記ロッド３０は、前記ピストン２３の中心を貫通して中心軸線Ｘ方向に延びる。また、前記第一及び第二の板バネ２９，３１は、前記胴部１４内において前記シリンダ１５の基端側の外部に配置されると共に、前記第一の板バネ２９よりも第二の板バネ３１が前記シリンダ１５の基端側から離れた位置に配置される。

なお、図１における３２は、前記第二ケーシング体４の他端面部１３に設けられた振動吸収ユニットであり、前記シリンダ１５の中心軸線Ｘと同軸となるように配置された取付部３３及びこの取付部３３に接続される接続部３４を介して、同軸状に板バネ３５とバランスウエイト３６が重なるように配置される。

図２は前記スターリング冷凍機１の電気系統の簡単なブロック図である。この電気系統は、電源３７と制御手段３８とを有する。前記電源３７は、直流電源である。なお、この直流電源は、電池等であっても良く、また、交流電源と整流回路であってもよい。また、前記制御手段３８は、インバータ回路３９と、検流回路４０と、制御回路４１とを有する。前記インバータ回路３９は、前記電源３７からの直流電流を所定の周波数の交流電流に変換して前記リニアモータ２４の電磁コイル２８に供給するものである。また、前記検流回路４０は、前記インバータ回路３９から出力される電流を断続的に検知するものである。更に、前記制御回路４１は、前記検流回路４０が検知した電流値Ｉに基づいて前記インバータ回路３９からの出力を制御するものである。

そして、前記構成により、前記インバータ回路３９が形成した交流電流を前記電磁コイル２８に流すと、この電磁コイル２８から交番磁界が発生し、この交番磁界によって、前記永久磁石２７を中心軸線Ｘ方向に往復動させる力が生じる。この力によって、前記永久磁石２７を固定した枠２６に接続されたピストン２３が、前記シリンダ１５内を中心軸線Ｘ方向に往復動する。このため、前記ピストン２３が前記ディスプレイサー１６に近づく方向に移動すると、前記ピストン２３とディスプレイサー１６との間に形成された圧縮室Ｃ内の気体が圧縮されて、前記連通孔１９、排熱フィン２１、再生器１８、吸熱フィン２０、隙間１７を通り、前記ディスプレイサー１６の先端と円筒部５の先端部７の間に形成された膨張室Ｅに至ることで、前記ディスプレイサー１６が前記ピストン２３に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン２３が前記ディスプレイサー１６から遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室Ｃの内部が負圧となり、前記膨張室Ｅ内の気体が前記膨張室Ｅから前記隙間１７、吸熱フィン２０、再生器１８、排熱フィン２１、連通孔１９を通って前記圧縮室Ｃに還流することで、前記ディスプレイサー１６が前記ピストン２３に対して所定の位相差をもって押し上げられる。このような工程中において二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、前記膨張室Ｅの近傍は低温となり、一方、前記圧縮室Ｃの近傍は高温となる。

図３乃至図５において、縦軸は電流値Ｉ、横軸は時間ｔである。前記インバータ回路３９から前記リニアモータ２４の電磁コイル２８に供給される交流電流は、前記検流回路４０によって検知される。この検流回路４０は、前記インバータ回路３９から出力される周波数ｆの交流電流の１サイクル当たり、３回のサンプリング頻度で電流値Ｉを検出する。ここで、前記インバータ回路３９から出力される交流電流が理想的な正弦波であると仮定する（以下の実施形態でも同様とする）。また、これらの３回のサンプリングが行われるサンプリング点ＳＰは、時間的に等間隔（２π／３ｆ）に設定される。図３に示すような理想的な場合では、電流のゼロクロス点で一回、プラス側の半波で一回、マイナス側の半波で一回電流値Ｉを検出することができる。この場合の近似波形Ｗｆａの波形面積Ａａ（図３における斜線部分）の正弦波形Ｗｆｓの波形面積Ａｓに対する面積比（以降、単に面積比という。以下の実施形態でも同様とする。）は約６８．０２％であり、最小となる。

なお、実際の電流値Ｉの測定では、ゼロクロス点で電流検知できるとは限らず、図４や図５のように、サンプリング点ＳＰが所定の位相ずれる可能性がある。図４は、サンプリング点ＳＰの位相がπ／１２遅れた場合であり、図５はサンプリング点ＳＰの位相がπ／６遅れた場合である。そして、図４の場合、波形面積Ａｓに対する波形面積Ａａの面積比は約６９．０９％である。また、図５の場合、波形面積Ａｓに対する波形面積Ａａの面積比は約６９．８１％であり、この図５の場合に面積比が最大となる。そして、本実施形態の場合、最小面積比と最大面積比の差は、約１．８０％である。

従って、本実施形態では、前記検流回路４０で検出される電流値Ｉによって、交流電流の波形面積を約６８．０２％～６９．８１％の範囲で算出することができる。即ち、算出された交流電流の波形面積を約６８．０２％～６９．８１％の範囲で除することで、交流電流の波形面積（交流電流の平均値）を大まかに算出することができる。そして、このようにして得られた交流電流の平均値に基づいて、前記制御回路４１が前記インバータ回路３９を制御する。

なお、前記検流回路４０が、前記インバータ回路３９から出力される周波数ｆの交流電流の１サイクル当たり、２π／３ｆ間隔でサンプリング点ＳＰを３点設定するので、交流電流の各サイクルのサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルでのサンプリング点ＳＰを同位相とすることができる。これによって、少ないサンプリング数でも正確に前記スターリング冷凍機１を制御することができる。また、前記検流回路４０が、前記インバータ回路３９から出力される交流電流の１サイクル当たり、サンプリング点ＳＰを奇数点設定するので、サンプリング点の位相がずれた場合における最小面積比と最大面積比の差を小さくすることができる。なお、サンプリング点ＳＰの数を奇数とすることで、最小面積比と最大面積比の差が小さくなる理由についての考察は、後述する。これによって、サンプリング点ＳＰの位相ずれによる面積比の相違を実用上ほぼ無視できるので、少ないサンプリング数で且つサンプリング点ＳＰの位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

以上のように本発明は、ケーシング２と、このケーシング２内に設けられるシリンダ１５と、このシリンダ１５内を往復動可能に設けられるピストン２３と、このピストン２３を往復動させるリニアモータ２４と、前記ピストン２３の往復動に伴って前記シリンダ１５内を往復動するディスプレイサー１６と、前記リニアモータ２４の動作を制御する制御手段３８とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機１において、前記制御手段３８が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータ２４へ供給するインバータ回路３９と、このインバータ回路３９から出力される電流を断続的にサンプリングする検流回路４０を有すると共に、この検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり等間隔に３回としたことで、１サイクル当たり、極大値と極小値（振幅の両端）と二つのゼロクロス点という特異点を有する交流電流の大まかな平均値を算出するために最低限必要な情報を、少ないサンプリング数で得ることができ、これによって、制御手段３８を安価で且つ単純化することができる。

また本発明は、前記検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり整数回である３回とすることで、交流電流の各サイクルのサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルでのサンプリング点ＳＰを同位相とすることができるので、少ないサンプリング数でも正確に前記スターリング冷凍機１を制御することができる。

更に本発明は、前記検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり奇数回である３回とすることで、サンプリング点ＳＰの位相ずれによる波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比の相違を小さくできるので、少ないサンプリング数で且つサンプリング点ＳＰの位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

次に、本発明の第二の実施形態について、図１、図２、及び図６、図７に基づいて説明する。なお、本実施形態におけるスターリング冷凍機１の構造は、第一の実施形態におけるそれと同一であるので、ここでは制御についてのみ説明する。図６及び図７において、縦軸は電流値Ｉ、横軸は時間ｔである。インバータ回路３９からリニアモータ２４の電磁コイル２８に供給される周波数ｆの交流電流は、検流回路４０によって検知される。この検流回路４０は、前記インバータ回路３９から出力される交流電流の１サイクル当たり、４回のサンプリング頻度で電流値Ｉを検出する。また、これらの４回のサンプリングが行われるサンプリング点ＳＰは、時間的に等間隔（π／２ｆ）に設定される。図６に示すような理想的な場合では、電流の二つのゼロクロス点、及び振幅の両端で電流値Ｉを検出することができる。この場合の波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比は約７８．５４％であり、最小となる。

なお、実際の電流値Ｉの測定では、ゼロクロス点及び振幅の両端で電流検知できるとは限らず、図７のような、サンプリング点ＳＰが所定の位相ずれる可能性がある。図７はサンプリング点ＳＰの位相がπ／４遅れた場合である。そして、図７の場合、波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比は約８３．３０％であり、最大となる。そして、本実施形態の場合、最小面積比と最大面積比の差は、約４．７６％である。

従って、本実施形態では、前記検流回路４０で検出される電流値Ｉによって、交流電流の波形面積を約約７８．５％～８３．３％の範囲で算出することができる。即ち、算出された交流電流の波形面積を約７８．５％～８３．３％の範囲で除することで、交流電流の波形面積（交流電流の平均値）を大まかに算出することができる。そして、このようにして得られた交流電流の平均値に基づいて、前記制御回路４１が前記インバータ回路３９を制御する。

なお、前記検流回路４０が、前記インバータ回路３９から出力される周波数ｆの交流電流の１サイクル当たり、π／２ｆ間隔でサンプリング点ＳＰを４点設定するので、交流電流の各サイクルのサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルでのサンプリング点ＳＰを同位相とすることができる。これによって、少ないサンプリング数でも正確に前記スターリング冷凍機１を制御することができる。また、前記検流回路４０が、前記インバータ回路３９から出力される交流電流の１サイクル当たり、サンプリング点ＳＰを偶数点設定するので、交流電流の各サイクルにおけるプラス側の波形とマイナス側の波形とでサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルのプラス側とマイナス側のサンプリング点ＳＰを同位相とすることができる。これによって、少ないサンプリング数でも正確に前記スターリング冷凍機１を制御することができる。

以上のように本発明は、ケーシング２と、このケーシング２内に設けられるシリンダ１５と、このシリンダ１５内を往復動可能に設けられるピストン２３と、このピストン２３を往復動させるリニアモータ２４と、前記ピストン２３の往復動に伴って前記シリンダ１５内を往復動するディスプレイサー１６と、前記リニアモータ２４の動作を制御する制御手段３８とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機１において、前記制御手段３８が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータ２４へ供給するインバータ回路３９と、このインバータ回路３９から出力される電流を断続的にサンプリングする検流回路４０を有すると共に、この検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり等間隔に４回としたことで、１サイクル当たり、極大値と極小値（振幅の両端）と二つのゼロクロス点という特異点を有する交流電流の大まかな平均値を算出するために最低限必要な情報を、少ないサンプリング数で得ることができ、これによって、制御手段３８を安価で且つ単純化することができる。

また本発明は、前記検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり整数回である４回とすることで、交流電流の各サイクルのサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルでのサンプリング点ＳＰを同位相とすることができるので、少ないサンプリング数でも正確に前記スターリング冷凍機１を制御することができる。

次に、本発明の第三の実施形態について、図１、図２、及び図８、図９に基づいて説明する。なお、本実施形態におけるスターリング冷凍機１の構造は、上記各実施形態におけるそれと同一であるので、ここでは制御についてのみ説明する。図８及び図９において、縦軸は電流値Ｉ、横軸は時間ｔである。インバータ回路３９からリニアモータ２４の電磁コイル２８に供給される周波数ｆの交流電流は、検流回路４０によって検知される。なお、この検流回路４０は、前記インバータ回路３９から出力される交流電流の１サイクル当たり、５回のサンプリング頻度で電流値Ｉを検出する。これらの５回のサンプリングが行われるサンプリング点ＳＰは、時間的に等間隔（２π／５ｆ）に設定される。図８に示すような理想的な場合では、電流のゼロクロス点で一回、プラス側の半波で二回、マイナス側の半波で二回電流値Ｉを検出することができる。この場合の波形面積Ａｓと波形面積Ａａ面積比は約８７．４６％であり、最小となる。

なお、実際の電流値Ｉの測定では、ゼロクロス点で電流検知できるとは限らず、図９のように、サンプリング点ＳＰが所定の位相ずれる可能性がある。図９は、サンプリング点ＳＰの位相がπ／１０遅れた場合である。そして、図９の場合、波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比は約８７．６１％であり、この図９の場合に面積比が最大となる。そして、本実施形態の場合、最小面積比と最大面積比の差は、約０．１６％である。

従って、本実施形態では、前記検流回路４０で検出される電流値Ｉによって、交流電流の波形面積を約８７．４６％～８７．６１％の範囲で算出することができる。なお、本実施形態の場合、サンプリング点ＳＰの位相ずれによる面積比の差が理論上０．２％未満なので、実用上、サンプリング点ＳＰの位相ずれを考慮する必要はない。即ち、単純に約８７．５％で除すればよい。そして、このようにして得られた交流電流の平均値に基づいて、前記制御回路４１が前記インバータ回路３９を制御する。

なお、前記検流回路４０が、前記インバータ回路３９から出力される周波数ｆの交流電流の１サイクル当たり、２π／５ｆ間隔でサンプリング点ＳＰを５点設定するので、交流電流の各サイクルのサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルでのサンプリング点ＳＰを同位相とすることができる。これによって、少ないサンプリング数でも正確に前記スターリング冷凍機１を制御することができる。また、前記検流回路４０が、前記インバータ回路３９から出力される交流電流の１サイクル当たり、サンプリング点ＳＰを奇数点設定するので、サンプリング点の位相がずれた場合における最小面積比と最大面積比の差を小さくすることができる。これによって、少ないサンプリング数で且つサンプリング点ＳＰの位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

以上のように本発明は、ケーシング２と、このケーシング２内に設けられるシリンダ１５と、このシリンダ１５内を往復動可能に設けられるピストン２３と、このピストン２３を往復動させるリニアモータ２４と、前記ピストン２３の往復動に伴って前記シリンダ１５内を往復動するディスプレイサー１６と、前記リニアモータ２４の動作を制御する制御手段３８とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機１において、前記制御手段３８が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータ２４へ供給するインバータ回路３９と、このインバータ回路３９から出力される電流を断続的にサンプリングする検流回路４０を有すると共に、この検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり等間隔に５回としたことで、１サイクル当たり、極大値と極小値（振幅の両端）と二つのゼロクロス点という特異点を有する交流電流の大まかな平均値を算出するために最低限必要な情報を、少ないサンプリング数で得ることができ、これによって、制御手段３８を安価で且つ単純化することができる。

また本発明は、前記検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり整数回である５回とすることで、交流電流の各サイクルのサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルでのサンプリング点ＳＰを同位相とすることができるので、少ないサンプリング数でもより正確に前記スターリング冷凍機１を制御することができる。

また本発明は、前記検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり奇数回である５回とすることで、サンプリング点ＳＰの位相ずれによる波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比の相違を小さくできるので、少ないサンプリング数で且つサンプリング点ＳＰの位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

更に本発明は、前記検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり５回とすることで、サンプリング点ＳＰの位相ずれによる波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比の相違を無視できるほど小さくできるので、少ないサンプリング点ＳＰの数で且つサンプリング点ＳＰの位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

次に、本発明の第四の実施形態について、図１、図２、及び図１０、図１１に基づいて説明する。なお、本実施形態におけるスターリング冷凍機１の構造は、上記各実施形態におけるそれと同一であるので、ここでは制御についてのみ説明する。図１０及び図１１において、縦軸は電流値Ｉ、横軸は時間ｔである。インバータ回路３９からリニアモータ２４の電磁コイル２８に供給される周波数ｆの交流電流は、検流回路４０によって検知される。なお、この検流回路４０は、前記インバータ回路３９から出力される交流電流の１サイクル当たり、７回のサンプリング頻度で電流値Ｉを検出する。これらの７回のサンプリングが行われるサンプリング点ＳＰは、時間的に等間隔（２π／７ｆ）に設定される。図１０に示すような理想的な場合では、電流のゼロクロス点で一回、プラス側の半波で三回、マイナス側の半波で三回電流値Ｉを検出することができる。この場合の波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比は約９３．４５％であり、最小となる。

なお、実際の電流値Ｉの測定では、ゼロクロス点で電流検知できるとは限らず、図１１のように、サンプリング点ＳＰが所定の位相ずれる可能性がある。図１１は、サンプリング点ＳＰの位相がπ／１４遅れた場合である。そして、図１１の場合、波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比は約９３．４８％であり、この図１１の場合に面積比が最大となる。そして、本実施形態の場合、最小面積比と最大面積比の差は、約０．０４％である。

従って、本実施形態では、前記検流回路４０で検出される電流値Ｉによって、交流電流の波形面積を約９３．４５％～９３．４８％の範囲で算出することができる。なお、本実施形態の場合、サンプリング点ＳＰの位相ずれによる波形面積の差が理論上約０．０４％なので、実用上、サンプリング点ＳＰの位相ずれを考慮する必要はない。即ち、単純に中央値である約９３．４７％で除すればよい。或いは、既に実際の数値の９３％以上の値が算出されているので、実用上、この数値を用いても良い。そして、このようにして得られた交流電流の平均値に基づいて、前記制御回路４１が前記インバータ回路３９を制御する。

なお、前記検流回路４０が、前記インバータ回路３９から出力される周波数ｆの交流電流の１サイクル当たり、２π／７ｆ間隔でサンプリング点ＳＰを７点設定するので、交流電流の各サイクルのサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルでのサンプリング点ＳＰを同位相とすることができる。これによって、少ないサンプリング数でもより正確に前記スターリング冷凍機１を制御することができる。また、前記検流回路４０が、前記インバータ回路３９から出力される交流電流の１サイクル当たり、サンプリング点ＳＰを奇数点設定するので、サンプリング点の位相がずれた場合における最小面積比と最大面積比の差を無視できるほど小さくすることができる。これによって、サンプリング点ＳＰの位相ずれによる面積比の相違を無視できるので、少ないサンプリング数で且つサンプリング点ＳＰの位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

以上のように本発明は、ケーシング２と、このケーシング２内に設けられるシリンダ１５と、このシリンダ１５内を往復動可能に設けられるピストン２３と、このピストン２３を往復動させるリニアモータ２４と、前記ピストン２３の往復動に伴って前記シリンダ１５内を往復動するディスプレイサー１６と、前記リニアモータ２４の動作を制御する制御手段３８とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機１において、前記制御手段３８が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータ２４へ供給するインバータ回路３９と、このインバータ回路３９から出力される電流を断続的にサンプリングする検流回路４０を有すると共に、この検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり等間隔に７回としたことで、１サイクル当たり、極大値と極小値（振幅の両端）と二つのゼロクロス点という特異点を有する交流電流の大まかな平均値を算出するために最低限必要な情報を、少ないサンプリング数で得ることができ、これによって、制御手段３８を安価で且つ単純化することができる。

また本発明は、前記検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり整数回である７回とすることで、交流電流の各サイクルのサンプリング数を同数とし、且つ各サイクルでのサンプリング点ＳＰを同位相とすることができるので、少ないサンプリング数でもより正確に前記スターリング冷凍機１を制御することができる。

また本発明は、前記検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり奇数回である７回とすることで、サンプリング点ＳＰの位相ずれによる波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比の相違を小さくできるので、少ないサンプリング数で且つサンプリング点ＳＰの位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

更に本発明は、前記検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の１サイクル当たり７回とすることで、サンプリング点ＳＰの位相ずれによる波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比の相違を無視できるほど小さくできるので、少ないサンプリング点ＳＰの数で且つサンプリング点ＳＰの位相を気にすることなく、容易に制御することができる。

なお、これまでの実施形態、及びサンプリング点を増やしていった場合の正弦波Ｗｆｓの波形面積Ａｓと近似波Ｗｆａの波形面積Ａａの面積比をまとめると、以下の表のようになる。

この表によれば、１サイクルあたりのサンプリング点ＳＰの数が増加するほど、正弦波Ｗｆｓの波形面積Ａｓと近似波Ｗｆａの波形面積Ａａの面積比が大きくなる。即ち、１サイクルあたりのサンプリング点ＳＰの数が増加するほど、波形面積Ａａが波形面積Ａｓに近づく。一方、１サイクルあたりのサンプリング点ＳＰの数が同じであっても、サンプリング点ＳＰの位置が異なる場合、波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比は異なる。この面積比の最大値と最小値の差は、１サイクルあたりのサンプリング点ＳＰの数が増加するほど小さくなる傾向がある。しかしながら、サンプリング点ＳＰの数が奇数の場合、サンプリング点ＳＰの数が偶数の場合よりも、面積比の最大値と最小値の差は小さい。例えば、１サイクルあたりのサンプリング点ＳＰの数が３の場合、面積比の最大値と最小値の差は１．８０％であるが、１サイクルあたりのサンプリング点ＳＰの数を４に増加させると、面積比の最大値と最小値の差は４．７６％に広がる。１サイクルあたりのサンプリング点ＳＰの数を５から６に増加させる場合も、面積比の最大値と最小値の差が０．１６％から０．９４％に広がる。

これは、以下のように考える。即ち、サンプリング点ＳＰの数が偶数の場合、面積比が最小の場合におけるサンプリング点ＳＰをサンプリング点ＳＰの間隔の１／２ずらした場合に、面積比が最大となる。例えば、サンプリング点ＳＰの数が４の場合、面積比が最大となるのは、サンプリング点ＳＰがｔ＝０，π／２ｆ，π／ｆ，３π／２ｆの場合であり、間隔はπ／２ｆである。そして、面積比が最大となるのは、サンプリング点ＳＰがｔ＝π／４ｆ，３π／４ｆ，５π／４ｆ，７π／４ｆの場合である。一方、サンプリング点ＳＰの数が奇数の場合、面積比が最小の場合におけるサンプリング点ＳＰをサンプリング点ＳＰの間隔の１／４ずらした場合に、面積比が最大となる。例えば、サンプリング点ＳＰの数が３の場合、面積比が最大となるのは、サンプリング点ＳＰがｔ＝０，２π／３ｆ，４π／３ｆの場合であり、間隔は２π／３ｆである。そして、面積比が最大となるのは、サンプリング点ＳＰがｔ＝π／６ｆ，５π／６ｆ，９π／６ｆの場合である。（サンプリング点ＳＰの位相をπ／３ずらすと、サンプリング点ＳＰの位相をπずらすのと等価となり、面積比が最小となる。）即ち、サンプリング点ＳＰが３の場合の方が、サンプリング点ＳＰが４の場合に比べて、面積比が最小となる場合と最大となる場合の位相差が小さい。これが、サンプリング点ＳＰが奇数の方が、面積比が最小となる場合と最大となる場合の差が小さい理由であると考える。

次に、本発明の第五の実施形態について、図１、図２、及び図１２に基づいて説明する。なお、本実施形態におけるスターリング冷凍機１の構造は、上記各実施形態におけるそれと同一であるので、ここでは制御についてのみ説明する。図１２において、縦軸は電流値Ｉ、横軸は時間ｔである。インバータ回路３９からリニアモータ２４の電磁コイル２８に供給される周波数ｆの交流電流は、検流回路４０によって検知される。なお、この検流回路４０は、前記インバータ回路３９から出力される交流電流の５サイクル当たり、３６回のサンプリング頻度で電流値Ｉを検出する。即ち、１サイクル当たり７回から８回のサンプリングが行われる。これらの７～８回のサンプリングが行われるサンプリング点ＳＰは、等間隔（５π／１８ｆ）に設定される。図１２の場合の波形面積Ａｓと波形面積Ａａの面積比は、半波毎に約９３．７８％、９３．８８％、９３．７６％、９３．８８％、９３．７８％、９３．７８％、９３．８８％、９３．７６％、９３．８８％、９３．７８％…となり、これを繰り返す。図１２の場合、面積Ａａと面積Ａｓの比は、平均で約９３．８２％となる。なお、実際の電流値の測定では、サンプリング点ＳＰの何れか一つがゼロクロス点となるとは限らず、図１２に対しサンプリング点ＳＰが所定の位相ずれる可能性があるのは、上記各実施形態と同様である。

以上のように本発明は、ケーシング２と、このケーシング２内に設けられるシリンダ１５と、このシリンダ１５内を往復動可能に設けられるピストン２３と、このピストン２３を往復動させるリニアモータ２４と、前記ピストン２３の往復動に伴って前記シリンダ１５内を往復動するディスプレイサー１６と、前記リニアモータ２４の動作を制御する制御手段３８とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機１において、前記制御手段３８が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータ２４へ供給するインバータ回路３９と、このインバータ回路３９から出力される電流を断続的にサンプリングする検流回路４０を有すると共に、この検流回路４０のサンプリング頻度を、前記インバータ回路３９が出力する交流電流の５サイクル当たり等間隔に３６回としたことで、１サイクル当たり、極大値と極小値（振幅の両端）と二つのゼロクロス点という特異点を有する交流電流の大まかな平均値を算出するために最低限必要な情報を、少ないサンプリング数で得ることができ、これによって、制御手段３８を安価で且つ単純化することができる。

なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記各実施形態では、サンプリング点ＳＰ同士を直線で繋いで三角形又は台形の集合として近似したが、電流値Ｉを高さ、サンプリング点ＳＰ同士の間隔を幅とする長方形の集合体として近似しても良い。

１フリーピストン型スターリング冷凍機
２ケーシング
１５シリンダ
１６ディスプレイサー
２３ピストン
２４リニアモータ
３８制御手段
３９インバータ回路
４０検流回路
４１制御回路
ＳＰサンプリング点

Claims

ケーシングと、このケーシング内に設けられるシリンダと、このシリンダ内を往復動可能に設けられるピストンと、このピストンを往復動させるリニアモータと、前記ピストンの往復動に伴って前記シリンダ内を往復動するディスプレイサーと、前記リニアモータの動作を制御する制御手段とを有するフリーピストン型スターリング冷凍機において、
前記制御手段が、所定の周波数の交流電流を作って前記リニアモータへ供給するインバータ回路と、このインバータ回路から出力される電流を断続的にサンプリングする検流回路とを有すると共に、この検流回路のサンプリング頻度の下限値が、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり等間隔に３回以上であることを特徴とするフリーピストン型スターリング冷凍機。
前記検流回路のサンプリング頻度の下限値が、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり整数回であることを特徴とする請求項１記載のフリーピストン型スターリング冷凍機。
前記検流回路のサンプリング頻度の下限値が、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり奇数回であることを特徴とする請求項２記載のフリーピストン型スターリング冷凍機。
前記検流回路のサンプリング頻度の下限値が、前記インバータ回路が出力する交流電流の１サイクル当たり５回以上であることを特徴とする請求項３記載のフリーピストン型スターリング冷凍機。