JPH0791759A - スターリング冷凍機の駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷凍サイクルの膨張行程時間を確保するこ
と。 【構成】 圧縮ピストン１３及び膨張ピストン２０を摺
動させるための回転軸３４と、回転軸３４の角速度を検
出する角速度検出手段３８と、目標の角速度を記憶し、
角速度検出手段３８により検出された実際の角速度と目
標の角速度とを比較し、その結果に基づいて回転軸３４
の角速度を制御する角速度制御手段３３とを備えたこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリング冷凍機の
駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３を用いて一般的なスターリング冷凍
機の構成について説明する。図３に示すスターリング冷
凍機７０において、圧縮シリンダ７１内には圧縮ピスト
ン７２が摺動自在に配設され、圧縮ピストン７２は圧縮
空間７３を形成している。圧縮ピストン７２はロッド７
７を介して後述する駆動装置に連結されている。一方、
膨張シリンダ７４内には膨張ピストン７５が摺動自在に
配設され、膨張ピストン７５は膨張空間７６を形成して
いる。膨張ピストン７５はロッド７８を介して前記駆動
装置に連結されている。圧縮空間７３と膨張空間７６と
の間には圧縮空間７３側から順に放熱器７９，蓄熱器８
０及び冷凍を出力するコールドヘッド８１が配置されて
いる。尚、圧縮空間７３，放熱器７９，蓄熱器８０及び
膨張空間７６内にはヘリウム等の作動流体が封入されて
いる。

【０００３】図３，図４を用いて上記の如く構成された
スターリング冷凍機７０の理想的な作動原理について説
明する。但し、圧縮ピストン７２と膨張ピストン７５と
の位相差は略９０°と仮定する。

【０００４】Ａ→Ｂ（等温圧縮行程） まず、圧縮ピストン７２が図３の位置から上死点に向か
って移動し、膨張ピストン７５が図３の位置から上死点
に向かって移動すると、圧縮空間７３内の作動流体が圧
縮され、圧縮熱が放熱器７９で外部に放出され、温度一
定で圧力が上昇する。

【０００５】Ｂ→Ｃ（等容行程） 次に、圧縮ピストン７２が更に上死点に向かって移動
し、膨張ピストン７５が上死点から下死点に向かって移
動すると、圧縮空間７３内の作動流体は膨張空間７６側
に移動して蓄熱器８０内で徐々に冷却されて膨張空間７
６に進入する。

【０００６】Ｃ→Ｄ（等温膨張行程） 次に、圧縮ピストン７２が上死点から下死点に向かって
移動し、膨張ピストン７５が更に下死点に向かって移動
すると、膨張空間７６内の作動流体は、コールドヘッド
８１にて冷凍を発生しながら膨張し、温度一定で圧力が
低下する。

【０００７】Ｄ→Ａ（等容行程） 更に、圧縮ピストン７２が更に下死点に向かって移動
し、膨張ピストン７５が下死点から上死点に向かって移
動すると、膨張空間７６内の作動流体は蓄冷器８０にて
熱が奪われ、放熱器７９を経て圧縮空間７３に移動す
る。

【０００８】以上の〜の冷凍サイクル即ち等温圧
縮，等容，等温膨張，等容行程を行うことにより、図４
の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる面積の冷凍を出力でき
る。

【０００９】ここで、圧縮ピストン７２及び膨張ピスト
ン７５を駆動するための前述の駆動装置としては、一般
的にはインダクションモータが用いられる。この場合、
インダクションモータの出力が減速機構を介してクラン
クシャフトに伝達され、クランクシャフトが回転するこ
とにより、ロッド７７を介して圧縮ピストン７２が図示
上下方向に移動すると共にロッド７８を介して膨張ピス
トン７５が圧縮ピストン７２と所定の位相差をおいて図
示上下方向に移動する。

【００１０】図３及び図４を参照して上記の如くインダ
クションモータを用いた駆動装置の作動について説明す
る。

【００１１】等温圧縮行程（図３のＡ→Ｂ） この行程では図３に示されるように、圧縮ピストン７２
が圧縮空間７３内の作動流体を圧縮すると共に膨張ピス
トン７５が膨張空間７６内の作動流体を圧縮し、更に作
動空間（圧縮空間７３及び膨張空間７６）内の圧力が上
昇するので、インダクションモータに大きな負荷が加え
られ、その結果、インダクションモータの角速度が非常
に遅くなり、この行程時間が全ての行程の内で最も長く
なる。

【００１２】等容行程（図３のＢ→Ｃ） この行程では前述のように圧縮空間７３内の作動流体が
膨張空間７６側に移動しながら冷却されるので、作動空
間内の圧力が低下する。その結果、インダクションモー
タに小さな負荷が加えられ、インダクションモータの角
速度は等温圧縮行程と比べて速くなり、この行程時間が
短くなる。

【００１３】等温膨張行程（図３のＣ→Ｄ） この行程では図３に示されるように、圧縮空間７３及び
膨張空間７６内の作動流体が共に膨張するので、作動流
体の膨張によりインダクションモータの回転が援助され
る。その結果、インダクションモータの角速度が全ての
行程の内で最も速くなり、この行程時間が最も短くな
る。

【００１４】等容行程（図３のＤ→Ａ） この行程では前述のように膨張空間７６内の作動流体が
圧縮空間７３側に移動しながら加熱されるので、作動空
間内の圧力が上昇する。その結果、インダクションモー
タに大きな負荷が加えられ、インダクションモータの角
速度は等温圧縮行程と比べて遅くなり、行程時間がの
行程よりも長くなる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、インダクシ
ョンモータではその角速度を一定に維持することができ
ないので、上記の等容行程の時間及び上記の等温膨
張行程時間が短い状態のままとなる。その結果、の等
容行程においては、行程時間が短くなるので、作動流体
と外部との熱のやりとりが行われず、断熱的に変化する
割合が多くなる。

【００１６】従って、の行程は図４のＢ→Ｅに示すよ
うに断熱膨張行程に近くなる。又、の等温膨張行程に
おいても、行程時間が極端に短くなるので、膨張行程で
作動流体は充分に熱を吸収することができず、完全に等
温膨張することができない。つまり、断熱膨張する割合
が多くなり、図４のＥ→Ｄに示されるようになる。

【００１７】以上より、図４に示されるように、実際の
冷凍出力は四角形ＡＢＥＤの面積となり、理想的な冷凍
サイクルにおける冷凍出力即ち四角形ＡＢＣＤの面積よ
りも少なくなり、スターリング冷凍機７０の冷凍性能が
悪くなる。

【００１８】故に、本発明は、圧縮ピストン及び膨張ピ
ストンを駆動する回転軸の角速度を負荷に関係なく一定
に維持することを、その技術的課題とするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために本発明において講じた技術的手段は、圧縮ピス
トン及び膨張ピストンを摺動させるための回転軸と、回
転軸の角速度を検出する角速度検出手段と、目標の角速
度を記憶し、角速度検出手段により検出された実際の角
速度と目標の角速度とを比較し、その結果に基づいて回
転軸の角速度を制御する角速度制御手段とを備えたこと
である。

【００２０】

【作用】上記技術的手段によれば、圧縮ピストン及び膨
張ピストンを摺動させる回転軸の実際の角速度が角速度
検出手段により検出され、その実際の角速度が目標の角
速度よりも速い場合には角速度制御手段により実際の角
速度が現在の速度よりも遅くなるように制御され、直ち
に目標の角速度に一致する。一方、角速度検出手段によ
り検出された実際の角速度が目標の角速度よりも遅い場
合角速度制御手段により実際の角速度が現在の速度より
も速くなるように制御され、直ちに目標の角速度に一致
する。このように、回転軸に加わる負荷に関係なく回転
軸の角速度を目標の角速度に一致させることができる。

【００２１】特に、冷凍サイクルの等容行程（図３のＢ
→Ｃ）においては、作動空間内の圧力が低下するので、
回転軸の実際の角速度が目標の角速度よりも速くなる
が、この場合、角速度制御手段により実際の角速度が現
在の速度よりも遅くなるように制御される。その結果、
行程時間が確保され、作動流体と外部との熱のやりとり
が充分に行われ、断熱膨張する割合が少なくなる。又、
等温膨張行程（図３のＣ→Ｄ）においても、圧縮空間及
び膨張空間内の作動流体が共に膨張するので、回転軸の
実際の角速度が目標の角速度よりもかなり速くなるが、
この場合も角速度制御手段により実際の角速度が現在の
速度よりも遅くなるように制御される。その結果、行程
時間が確保され、この行程で作動流体は外部から充分に
熱を吸収することができ、この行程はより等温膨張に近
くなる。以上より、スターリング冷凍機の冷凍出力がイ
ンダクションモータを用いた従来技術よりも大きくな
り、より理想的なスターリング冷凍サイクルが得られ
る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００２３】図１は本実施例に係るスターリング冷凍機
及びその駆動装置の構成図であり、図２は図１のＸ−Ｘ
線断面図である。

【００２４】図１及び図２に示すスターリング冷凍機１
０において、ハウジング１１内には圧縮シリンダ１２が
形成され、圧縮シリンダ１２内には圧縮ピストン１３が
摺動自在に配設されている。圧縮ピストン１３は圧縮シ
リンダ１２との間でヘリウム等の作動流体が封入される
圧縮空間１４を形成しており、ロッド１５を介してクラ
ンク室１７内に配設されたクランクシャフト１６に連結
されている。尚、圧縮ピストン１３と圧縮シリンダ１２
との間にはピストンリング１８が配設されている。

【００２５】一方、ハウジング１１内には膨張シリンダ
１９が形成され、膨張シリンダ１９内には膨張ピストン
２０が摺動自在に配設されている。膨張ピストン２０は
膨張シリンダ１９との間でヘリウム等の作動流体が封入
される膨張空間２１を形成しており、ロッド２２を介し
てクランク室１７内に配設されたクランクシャフト１６
に連結されている。膨張ピストン２０は圧縮ピストン１
３との間で所定の位相角（略９０°）をなしている。こ
こで、膨張空間２１の先端にはコールドヘッド３０が形
成され、略７０Ｋの冷凍を発生できるようになってい
る。膨張ピストン２０内には作動流体から熱を奪ってそ
の熱を蓄積するための蓄冷器２３が配設され、蓄冷器２
３は通路２４を介して膨張空間２１に連通している。
又、蓄冷器２３は膨張ピストン２０内に形成された通路
２５及びハウジング１１内に形成された通路２６を介し
て圧縮空間１４に連通しており、通路２５の途中には放
熱器２７が配置されている。尚、膨張ピストン２０と膨
張シリンダ１９との間にはピストンリング２８，２９が
配設されている。

【００２６】尚、上記したスターリング冷凍機１０の作
動については一般のスターリング冷凍機の作動（従来技
術にて説明）と同様であるので、その説明を省略する。

【００２７】ここで、上記したスターリング冷凍機１０
を駆動するための駆動装置３１について説明する。

【００２８】図１に示すスターリング冷凍機の駆動装置
３１は、クランクシャフトを回転駆動するためのブラシ
レスサーボモータ（モータ）３２と、ブラシレスサーボ
モータ３２の角速度を制御する角速度制御手段であるエ
レクトロニックコントロールユニット（以下、ＥＣＵと
称する）３３とから構成されている。

【００２９】ブラシレスサーボモータ３２は、一端がク
ランクシャフト１６に連結された回転軸３４と、回転軸
３４の周りに固着された永久磁石３５と、永久磁石３５
の周囲に配置された固定子鉄心３６と、固定子鉄心３６
の周りに巻き回され電流を供給すると磁界を発生して永
久磁石３５を高トルクで回転させる固定子巻線３７と、
回転軸３４の図示右端に連結し回転軸３４の実際の角速
度を検出するエンコーダ３８とを備えている。

【００３０】ＥＣＵ３３内には、回転軸３４の目標の角
速度（一定値）が記憶され、エンコーダ３８により検出
された回転軸３４の実際の角速度が入力されている。Ｅ
ＣＵ３３は、実際の角速度を目標の角速度と比較し、そ
の結果に基づいて回転軸３４の実際の角速度を制御する
ものである。即ち、ＥＣＵ３３は、実際の角速度が目標
の角速度よりも大きい場合には実際の角速度を現状より
も遅くすることで実際の角速度を目標の角速度に一致さ
せ、一方、実際の角速度が目標の角速度よりも小さい場
合には実際の角速度を現状よりも遅くすることで実際の
角速度を目標の角速度に一致させる。つまり、ブラシレ
スサーボモータ３２に大きい負荷が加わる等温圧縮行程
（図３のＡ−Ｂ間）及び等容行程（図３のＤ−Ａ間）で
は実際の角速度を現状よりも速くし、ブラシレスサーボ
モータ３２に負荷が加わらない等温膨張行程（図３のＣ
−Ｄ間）及び等容行程（図３のＢ−Ｃ間）では実際の角
速度を現状よりも遅くする。

【００３１】尚、本実施例においては、エンコーダ３８
を内部に備えたブラシレスサーボモータ３２を用いた
が、本発明はこれに限定される必要は全くなく、例え
ば、ブラシレスサーボモータ３２の代わりにブラシレス
モータ，ブラシ付モータ，ステッピングモータ等の同期
モータを用いても良く、又、エンコーダ３８をモータの
外部に設けても良い。更に、本実施例では回転軸の角速
度検出手段としてエンコーダ３８を用いたが、本発明で
はこれに限定される必要は全くなく、エンコーダ３８の
代わりに例えばホール素子を使った磁極センサ等を用い
ても良い。

【００３２】上記の如く構成されたスターリング冷凍機
の駆動装置３１の作動について説明する。

【００３３】等温圧縮行程（図３のＡ−Ｂ間参照） この行程では図３に示されるように、圧縮ピストン１３
が圧縮空間１４内の作動流体を圧縮すると共に膨張ピス
トン２０が膨張空間２１内の作動流体を圧縮するので、
ブラシレスサーボモータ３２の回転軸３４に大きな負荷
が加えられ、その結果、回転軸３４の実際の角速度が目
標の角速度よりもかなり遅くなる。このとき、エンコー
ダ３８により回転軸３４の実際の角速度が検出され、Ｅ
ＣＵ３３内でその実際の角速度と目標の角速度とが比較
され、実際の角速度が目標の角速度よりも遅いと判断さ
れる。次いで、ＥＣＵ３３により実際の角速度が現在の
速度よりも速くなるように制御され、直ちに目標の角速
度に一致して行程時間が短縮される。尚、この行程にお
いては行程時間を短縮させても冷凍出力には何ら関与し
ない。

【００３４】等容行程（図３のＢ−Ｃ間参照） この行程では、圧縮空間１４内の作動流体が放熱器２７
及び蓄冷器２３を介して膨張空間２１に移動して作動空
間内の圧力が低下するので、ブラシレスサーボモータ３
２の回転軸３４には殆ど負荷が加わらず、その結果、回
転軸３４の実際の角速度は目標の角速度よりも速くな
る。このとき、ＥＣＵ３３によりその実際の角速度と目
標の角速度とが比較され、実際の角速度が目標の角速度
よりも速いと判断される。次いで、ＥＣＵ３３により実
際の角速度が現在の速度よりも遅くなるように制御さ
れ、直ちに目標の角速度に一致する。従って、行程時間
が確保され、圧縮空間１４内の作動流体は放熱器２７に
て外部との熱のやりとりを充分に行い、又、蓄冷器２３
にて充分に熱を奪われる。以上より、この行程では、作
動流体が断熱膨張する割合が少なくなり、図４の直線Ｂ
Ｅで表される。

【００３５】等温膨張行程（図３，図４のＣ−Ｄ間参
照） この行程では図３に示されるように、圧縮空間１４及び
膨張空間２１内の作動流体が膨張し、圧力が低下するの
で、その分ブラシレスサーボモータ３２の回転軸３４の
回転が助けられて回転軸３４の実際の角速度が目標の角
速度よりもかなり速くなる。このとき、エンコーダ３８
により回転軸３４の実際の角速度が検出され、ＥＣＵ３
３内でその実際の角速度と目標の角速度とが比較され、
実際の角速度が目標の角速度よりも速いと判断される。
次いで、ＥＣＵ３３により実際の角速度が現在の速度よ
りも遅くなるように制御され、直ちに目標の角速度に一
致する。その結果、行程時間が確保され、この行程で膨
張空間２１内の作動流体は外部から充分に熱を吸収しな
がら膨張することができる。従って、この行程は、より
等温膨張に近くなり、図４の直線ＣＤで表わされる。

【００３６】等容行程（図３，図４のＤ−Ａ間参照） この行程では前述のように膨張空間２１内の作動流体が
蓄冷器２３及び放熱器２７を介して圧縮空間１４側に移
動して加熱されるので、作動空間内の圧力が上昇する。
その結果、その分ブラシレスサーボモータ３２の回転軸
３４に負荷が加えられ、回転軸３４の実際の角速度は目
標の角速度よりも遅くなる。このときも、ＥＣＵ３２に
よりその実際の角速度と目標の角速度とが比較され、実
際の角速度が目標の角速度よりも遅いと判断される。次
いで、ＥＣＵ３２により実際の角速度が現在の速度より
も速くなるように制御され、直ちに目標の角速度に一致
して行程時間が短縮される。尚、この行程においても行
程時間を短縮させても冷凍出力には何ら関与しない。

【００３７】以上〜より、図４に示されるように、
スターリング冷凍機１０の冷凍出力は略四角形ＡＢＣＤ
の面積になり、インダクションモータを用いた従来技術
と比較して多くなり、より理想的なスターリング冷凍サ
イクルが得られる。つまり、本実施例では、回転軸３４
に加わる負荷の大きさに関係なく回転軸３４の角速度を
一定に維持できるので、スターリング冷凍機の性能が向
上する。

【００３８】尚、本実施例では、低回転で高トルクが得
られるブラシレスサーボモータ３２を利用したので、減
速機構を用いる必要がなく、その分、駆動装置３１の耐
久性が向上する。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、以下の如く効果を有する。

【００４０】スターリング冷凍機の冷凍出力をインダク
ションモータを用いた従来技術よりも向上させることが
でき、より理想的なスターリング冷凍サイクルを得るこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係るスターリング冷凍機及びその駆
動装置の構成図で、図２のＹ−Ｙ線断面図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ線断面図である。

【図３】従来のスターリング冷凍機の構成及び作動原理
を示す説明図である。

【図４】本実施例及び従来のスターリング冷凍機の冷凍
サイクルを示すグラフである。

【符号の説明】

１０ スターリング冷凍機 １２ 圧縮シリンダ １３ 圧縮ピストン １４ 圧縮空間 １９ 膨張シリンダ ２０ 膨張ピストン ２１ 膨張空間 ２３ 蓄冷器 ２７ 放熱器 ３１ スターリング冷凍機の駆動装置 ３３ 角速度制御手段 ３４ 回転軸 ３８ エンコーダ（角速度検出手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮シリンダと、前記圧縮シリンダ内に
   摺動自在に配設され作動流体を封入するための圧縮空間
   を形成する圧縮ピストンと、膨張シリンダと、前記膨張
   シリンダ内に摺動自在に配設され作動流体を封入するた
   めの膨張空間を形成する膨張ピストンと有し、前記圧縮
   空間と前記膨張空間との間に前記圧縮空間側から順に放
   熱器，蓄冷器が配置されたスターリング冷凍機を駆動す
   るための駆動装置において、 前記圧縮ピストン及び前記膨張ピストンを摺動させるた
   めの回転軸と、 前記回転軸の角速度を検出する角速度検出手段と、 前記回転軸の目標の角速度を記憶し、前記角速度検出手
   段により検出された角速度と前記目標の角速度とを比較
   し、その結果に基づいて前記回転軸の角速度を制御する
   角速度制御手段とを備えたことを特徴とするスターリン
   グ冷凍機の駆動装置。