JPH0842931A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】圧縮ピストン及び膨張ピストンを駆動するモ−
タの角速度の安定性を向上させ、所要の冷凍能力を確保
するのに有利なスターリング機関を提供する。 【構成】この冷凍機は、放熱器及び蓄冷器と、回転に伴
い圧縮ピストン及び膨張ピストンを作動させるロータを
有するモータ３２を備えている。ＥＣＵ３３は、回転位
置検出回路３８と、マイコン４０と、Ｄ／Ａ変換器４２
と、ＰＷＭコンパレータ４４と、発振回路４６と、三相
分配回路４８と、上下アーム駆動回路５１とを備えてい
る。モータ３２の実際の角速度が大きい場合にはモータ
３２への通電量を少なくし、モータ負荷が大きくモータ
３２の実際の角速度が小さい場合にはモータ３２への通
電量を多くし、よってモータ３２の角速度が安定化す
る。

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に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８を用いてスターリング冷凍機の原理
について説明する。図８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７７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、蓄冷器８０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、蓄冷器８０及び膨張空
間７６内にはヘリウム等の作動媒体が封入されている。

【０００３】上記のスターリング冷凍機７０の理想的な
作動原理は次の様である。但し、膨張ピストン７２と膨
張ピストン７５との位相差は略９０°と仮定する。 Ａ→Ｂ（等温圧縮行程） まず、圧縮ピストン７２が図８の位置から上死点に向か
って移動すると共に、膨張ピストン７５が図８の位置か
ら上死点に向かって移動する。これにより圧縮空間７３
内の作動媒体が圧縮され、圧縮熱が放熱器７９で外部に
放出され、作動媒体は温度一定で圧力が上昇する。 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。これにより圧縮空間７３内の作動媒体は膨張空
間７６側に移動して蓄冷器８０で徐々に冷却されて膨張
空間７６に進入する。 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
移動すると共に、膨張ピストン７５が更に下死点に向か
って移動する。これにより膨張空間７６内の作動媒体
は、冷凍を発生しながら膨張し、温度を一定に維持しつ
つ圧力が低下する。なお冷凍はコールドヘッド８１にて
取り出される。 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す
ると共に、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。これにより膨張空間７６内の作動媒体は
蓄冷器８０にて冷熱が奪われ、放熱器７９を経て圧縮空
間７３に移動する。

【０００４】以上の〜の冷凍サイクル即ち等温圧
縮、等容、等温膨張、等容の各行程を行うことにより、
理想的な状態において、図９の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで囲ま
れる面積に基づく冷凍を出力できる。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
駆動装置としてはモ−タが用いられる。この場合モ−タ
の出力が減速機構を介して図略の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が図示上下方向に往復
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と所定の位相差において往復移動す
る。

【０００５】次に、上記の各行程におけるモータ負荷及
び行程時間について説明する。 等温圧縮行程（図８のＡ→Ｂ） この行程では図８から理解される様に、圧縮ピストン７
２が圧縮空間７３内の作動媒体を圧縮すると共に膨張ピ
ストン７５が膨張空間７６内の作動媒体を圧縮する。そ
のため作動空間（圧縮空間７３及び膨張空間７６）内の
圧力が上昇するのでモ−タに大きな負荷が加えられ、そ
の結果、モ−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。 等容行程（図８のＢ→Ｃ） この行程では前述の様に圧縮空間７３内の作動媒体が膨
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、モータに作用する負荷
が小さくなり、モータの角速度は等温圧縮行程と比べて
速くなる。よって、等容行程における行程時間が短くな
る。 等温膨張行程（図８のＣ→Ｄ） この行程では図８に示される様に、圧縮空間７３及び膨
張空間７６が共に膨張するので、作動媒体の膨張により
モータの回転が援助される。その結果、モータ負荷が低
減され、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。 等容行程（図８のＤ→Ａ） この行程では前述の様に膨張空間７６内の作動媒体が圧
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、モータに作用する負荷
が大きくなり、モータの角速度は等温圧縮行程と比べて
遅くなり、行程時間がの等容行程よりも長くなる。

【０００６】上記した様にモータの負荷の変動を受け
て、の等容行程及びの等温膨張行程において行程時
間が短かくされた状態のままとなる。この様に、の等
容行程における行程時間が短くなるので、作動媒体と外
部（放熱器）との熱のやりとりが良好に行われ難くな
り、断熱的に変化する割合が多くなる。従って、の等
容行程は図９のＢ→Ｅに示す様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、膨張行程で作動媒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９のＥ→
Ｄに示される様になる。

【０００７】以上より、図９の破線に示される様に、実
際の冷凍出力は四角形ＡＢＥＤの面積またはこれに近い
形態となり、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る。よってスタ
ーリング冷凍機７０の冷凍性能の向上には限界がある。
更にはモータの角速度の変動は振動や騒音の原因も招来
する。

【０００８】また特開平５−２８０８１４号公報には、
ヘリウムガスを封入した循環式冷凍機において、固定子
巻線の誘起電圧を検出してロータの位置を検出する方式
のものが開示されている。このものにおいても、冷凍サ
イクルにおいてモータの角速度の安定化対策は充分では
なく、前述同様に冷凍能力、振動、騒音の面では充分で
はない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した実情
に鑑みなされたものであり、その課題は、圧縮ピストン
及び膨張ピストンを駆動するモ−タの角速度の安定性を
向上させ、所要の冷凍能力を確保するのに有利であり、
かつ振動や騒音の低減に有利なスターリング機関を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のスター
リング冷凍機は、圧縮シリンダと、圧縮シリンダ内に摺
動自在に配設され作動媒体を圧縮する圧縮空間を形成す
る圧縮ピストンと、膨張シリンダと、膨張シリンダ内に
摺動自在に配設され作動媒体を膨張する膨張空間を形成
する膨張ピストンと、圧縮空間と膨張空間との間に圧縮
空間側から順に配置された放熱器及び蓄冷器と、回転に
伴い圧縮ピストン及び膨張ピストンを作動させるロータ
を有するモータと、モータを駆動させるモータ駆動回路
とを備えたスターリング冷凍機において、ロータが所定
の回転基準位置から１回転する間においてロータの角速
度のばらつきに関する物理量を検出するロータ速度検出
手段と、ロータの角速度のばらつきに関する物理量を検
出した所定の１回転よりも以降の１回転において、ロー
タ速度検出手段で検出した物理量に基づいてロータの角
速度目標値を算出する目標値演算手段と、角速度目標値
に基づいてモータ駆動回路を制御する駆動回路制御手段
とを具備していることを特徴とするものである。

【００１１】ロータの角速度目標値は、角速度それ自体
の目標値であってもよく、あるいは、目標とする角速度
に対応するパルスのデューティ比の目標値であっても良
い。モータは適宜選択できる。モータは、ロータと、ロ
ータの周りに固着された永久磁石と、永久磁石の周囲に
配設され電流を供給すると回転磁界を発生して永久磁石
を回転させる固定子巻線とを有する構成にできる。ロー
タ速度検出手段は、固定子巻線の誘起電圧を検出してロ
ータの回転位置を検知し、その回転位置に基づいてロー
タの角速度を検出する方式にできる。

【００１２】

【作用及び発明の効果】請求項１においては、所定の回
転基準位置からロータが１回転つまり３６０°回転する
間に、ロータの角速度のばらつきに関する物理量がロー
タ速度検出手段により検出される。目標値演算手段は、
その物理量に基づいてロータの角速度目標値を算出す
る。

【００１３】角速度目標値を算出した所定の１回転より
も以降の１回転において、角速度目標値に基づき、駆動
回路制御手段はモータ駆動回路を制御する。これにより
ロータの角速度が角速度目標値に一致する様に、モータ
駆動回路は制御される。即ち、本発明ではいわばフィー
ドフォワード制御が実行される。本発明においては、圧
縮ピストン及び膨張ピストンを駆動するためのモ−タに
加わる負荷が変動した場合であっても、冷凍サイクルの
負荷変動がサイクル式であることから、ロータの角速度
の一定化を図り得る。

【００１４】特に、冷凍サイクルの等容行程（図８のＢ
→Ｃ）においては、作動空間（圧縮空間及び膨張空間）
内の圧力が低下するので、モータ負荷が低減され、ロー
タの実際の角速度が速くなるが、この場合、駆動回路制
御手段によりモータ駆動回路が制御され、モータへの通
電量が少なくなる様に制御される。その結果、この等容
行程における行程時間が確保され、作動媒体と外部（放
熱器）との熱のやりとりが充分に行われる時間が確保さ
れ、断熱膨張する割合が少なくなる。

【００１５】又、等温膨張行程（図８のＣ→Ｄ）におい
ても、作動空間（圧縮空間及び膨張空間）内の作動媒体
が膨張するので、ロータの角速度がかなり速くなるが、
この場合も駆動回路制御手段によりモータへの通電量が
少なくなる様にモータ駆動回路は制御される。その結
果、等温膨張行程における行程時間が確保され、この行
程で作動媒体は外部から充分に熱を吸収することがで
き、この行程は等温膨張に一層近くなる。

【００１６】かかる本発明によれば、実際の冷凍出力を
四角形ＡＢＣＤの面積（図９参照）に近づけることが可
能となり、スターリング冷凍機の冷凍出力を理想的なス
ターリング冷凍サイクルに近づけることが可能となる。
更に本発明によれば、ロータが回転する際にその角速度
が安定化するので、振動や騒音の低減に有利である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図７に基づ
いて説明する。図１は本実施例に係るスターリング冷凍
機の構成図であり、図２は図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図
である。図１及び図２に示すスターリング冷凍機１０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媒体が封入される圧縮
空間１４を形成している。圧縮ピストン１３はロッド１
５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との間にはシール用のピストンリング１
８が配設されている。

【００１８】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
膨張ピストン１９との間でヘリウム等の作動媒体が封入
される膨張空間２１を形成している。膨張ピストン２０
はロッド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。なお膨張ピスト
ン２０は圧縮ピストン１３との間で所定の位相角（略９
０°）をなしている。

【００１９】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様
になっている。膨張ピストン２０内には、作動媒体から
熱を奪ってその熱を蓄積するための蓄冷器２３が配設さ
れている。蓄冷器２３は通路２４を介して膨張空間２１
を連通している。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に連通している。通
路２５の途中にはフィンをもつ放熱器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
にはシール用のピストンリング２８、２９が配設されて
いる。

【００２０】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。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。図１に示すスターリン
グ冷凍機１０の駆動装置３１は、クランクシャフト１６
を回転駆動するためのモ−タ３２と、モ−タ３２を制御
するエレクトロニックコントロ−ルユニット（以下、Ｅ
ＣＵと称する）３３とから構成されている。

【００２１】モ−タ３２はブラシレスモータであり、一
端がクランクシャフト１６に連結された回転軸３４ａ
と、回転軸３４ａ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の周りに巻回され電流を供給すると回転磁
界を発生して永久磁石３５を回転させる固定子巻線３７
とを備えている。回転軸３４ａ及び永久磁石３５により
ロータ３４が構成されている。なお使用の際におけるモ
ータ３２の回転数は基本的には１５００ｒｐｍ程度とさ
れている。

【００２２】図３から理解できる様に、ＥＣＵ３３は、
回転位置検出回路３８と、速度目標値演算手段を構成す
るマイコン４０と、Ｄ／Ａ変換器４２と、ＰＷＭ（Ｐｕ
ｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御方式
のコンパレータ４４と、発振回路４６と、三相分配回路
４８と、上下アーム駆動回路５１とを備えている。三相
分配回路４８及び上下アーム駆動回路５１でモータ駆動
回路５０が構成されている。

【００２３】回転位置検出回路３８は、ロータ速度検出
手段として機能するものであり、ロータ３４の回転に伴
い固定子巻線３７に生成した誘起電圧（物理量）を検出
してロータ３４の回転位置を検知し、これによりロータ
３４の角速度を検出する。また回転位置検出回路３８
は、ロータ３４がロータ３４の回転基準位置から１回転
つまり３６０°回転したか否かも判定する。ロータ３４
の回転基準位置はロータ軸芯回りの３６０°のうち所定
の位置に規定されている。なお回転位置検出回路３８
は、上記した誘起電圧検出方式に限らず、ホール素子等
のセンサ、回転角を検出するレゾルバで検出する様にし
ても良い。

【００２４】マイコン４０には、記憶内容を更新可能な
メモリ５２（ＲＡＭ）及びデータ転送機能をもつＤＭＡ
５４（ダイレクトメモリアクセス）が装備されている。
マイコン４０はサンプリング指令をＤＭＡ５４に出力
し、これによりＤＭＡ５４を介してロータ３４の回転位
置つまり角速度に関する物理量はメモリ５２に更新記憶
される。ロータ３４が１回転してロータ軸芯の回りで３
６０度回転するたびに、読み取りデータはメモリ５２に
更新記憶される。発振回路４６はのこぎり波（または三
角波）をコンパレータ４４に出力するものである。そし
て発振回路４６からの『のこぎり波』と、マイコン４０
及びＤ／Ａ変換器４２からの検出電圧信号とに基づい
て、コンパレータ４４から出力される出力パルスのデュ
ーティ比は調整される。これによりモータ駆動回路５０
が制御され、モータ３２の固定子巻線３７への通電量が
増減制御され、ひいてはモータ３２の角速度が増減制御
される。

【００２５】即ち、ＥＣＵ３３は、モータ負荷が小さく
てモータ３２の実際の角速度が大きい場合には、固定子
巻線３７への通電量を少なくすることで実際の角速度を
減少させる。一方、モータ負荷が大きくてモータ３２の
実際の角速度が小さい場合には、固定子巻線３７への通
電量を多くすることで実際の角速度を増加させるもので
ある。これによりモータ３２のロータ３４の角速度が安
定化する。

【００２６】なおマイコン４０、Ｄ／Ａ変換器４２、メ
モリ５２、コンパレータ４４、発振回路４６が駆動回路
制御手段を構成する。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、原理図である
図８及び図９を参照しつつ更に説明を加える。 等温圧縮行程（図８のＡ→Ｂ間参照） この行程では図８に示される様に、圧縮ピストン１３が
圧縮空間１４内の作動媒体を圧縮すると共に膨張ピスト
ン２０が膨張空間２１内の作動媒体を圧縮するので、ブ
ラシレスモ−タ３２のロータ３４に大きな負荷が加えら
れ、その結果、ロータ３４の実際の角速度がかなり遅く
なる。従ってＤ／Ａ変換器４２を経たマイコン４０から
の信号に基づいてコンパレータ４４からの出力パルスの
デューティ比は調整され、これによりモータ駆動回路５
０が制御され、固定子巻線３７への通電量が大きくな
り、モータ３２の角速度が増加する。 等容行程（図８のＢ→Ｃ間参照） この行程では、圧縮空間１４内の作動媒体が放熱器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、ブラシレスモ−タ３２のロ
ータ３４には殆ど負荷が加わらず、その結果、ロータ３
４の実際の角速度は速くなる。このとき、前述の如くＤ
／Ａ変換器４２を経たマイコン４０からの信号に基づい
て、コンパレータ４４からの出力パルスのデューティ比
は調整され、これによりモータ駆動回路５０が制御さ
れ、固定子巻線３７への通電量が増減制御され、モータ
３２の角速度が増減制御される。

【００２７】従って、等容行程における行程時間が確保
され、圧縮空間１４内の作動媒体は放熱器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、作動媒体
が断熱膨張する割合が少なくなり、図８の直線ＢＥまた
はこれに近似した形態となる。 等温膨張行程（図８のＣ→Ｄ間参照） この行程では図８に示される様に、圧縮空間１４及び膨
張空間２１内の作動媒体が膨張し、圧力が低下するの
で、そのぶんブラシレスモ−タ３２のロータ３４の回転
が助けられ、ロータ３４の実際の角速度がかなり速くな
る。このとき、前述の如くＤ／Ａ変換器４２を経たマイ
コン４０からの信号に基づいて、コンパレータ４４から
の出力パルスのデューティ比は調整され、これによりモ
ータ駆動回路５０が制御され、固定子巻線３７への通電
量が減少し、モータ３２の角速度が制御される。その結
果、等温膨張行程における行程時間が確保され、この行
程で膨張空間２１内の作動媒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８の直線ＣＤまたはこ
れに近い形態となる。 等容行程（図８のＤ→Ａ間参照） この行程では前述の様に膨張空間２１内の作動媒体が蓄
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、そのぶんブラシレスモ−タ３２に負荷が加えら
れ、ロータ３４の実際の角速度は遅くなる。このとき
も、前述の如くマイコン４０からの信号に基づいて、コ
ンパレータ４４からの出力パルスのデューティ比は調整
され、これにより固定子巻線３７への通電量が多くなる
様にモータ駆動回路５０は制御され、モータ３２の角速
度が増加する。

【００２８】以上〜より、モータ負荷の変動にかか
わらずモータ３２の角速度が安定化するので、行程時間
を確保できる。従ってスターリング冷凍機１０の冷凍出
力は図９に示される略四角形ＡＢＣＤの面積またはこれ
に近い形態となり、従来技術に比較して多くなり、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、ロータ３４に加わる負荷の大きさに
関係なくロータ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。

【００２９】更にモータ負荷の変動にかかわらず、ブラ
シレスモ−タ３２の角速度が一定化するので、振動や騒
音の低減にも有利である。更に、ＥＣＵ３３内に検出手
段３３を設けているので、エンコーダ等の特別なセンサ
が不要となり、そのぶん構造が簡単になる。 （制御）次にＥＣＵ３３のマイコン４０が実行するフロ
ーチャートについて説明する。図４に示す様に、電源投
入と共にステップＳ１０２でレジスタ等をイニシャライ
ズする。ステップＳ１０４で誘起電圧からロータ３４の
位置を検出し、ロータ３４が基準位置に到達しているか
判定する。ＹＥＳであれば、ステップＳ１０６でロータ
３４の角速度に関する物理量（誘起電圧）のサンプリン
グを開始するサンプリング指令をＤＭＡ５４に出力す
る。これによりサンプリングされた読み取りデータは、
ＤＭＡ５４を介してメモリ５２の所定のエリアに記憶さ
れる。

【００３０】更にステップＳ１０８でロータ３４が１回
転つまり３６０°回転して次の基準位置に到達したか判
定する。ＮＯであれば、ステップＳ１１０で割り込み可
能か判定する。割り込み不可であれば、ステップＳ１０
６〜１０８においてロータ３４の角速度に関する物理量
（誘起電圧）のサンプリングを続ける。ステップＳ１１
０の判定の結果、割り込み可能であれば、ステップＳ１
１２において計算ルーチンを実行するか出力ルーチンを
実行するかを選択する。ステップＳ１１４においては計
算ルーチンを実行し、ステップＳ１１６においては出力
ルーチンを実行する。

【００３１】ステップＳ１０８での判定の結果、ロータ
３４が１回転つまり３６０°回転し、次のロータ３４の
基準位置に達していれば、１回転が終了しているので、
ステップＳ１０６に進み、サンプリングを開始するサン
プリング指令をＤＭＡ５４に再び出力する。図５はマイ
コン４０が実行する計算ルーチンを示す。計算ルーチン
では、ステップＳ２０２でメモリ５２に記憶されている
データに基づいて目標デューティ比（角速度目標値に相
当する）を算出する。そしてステップＳ２０４でその結
果をメモリ５２のデューティテーブルの所定のエリアに
記憶する。これによりデューティ比は更新される。従っ
てメモリ５２のデューティテーブルに記憶されている既
デューティ比は、計算した新たなデューティ比に変更さ
れる。ステップＳ２０６で割り込み処理を終了してメイ
ンルーチンにリターンする必要があるか判定する。ＹＥ
Ｓであれば割り込み処理を終了してメインルーチンのス
テップＳ１０６にリターンする。ＮＯであれば、次のロ
ータ３４の基準位置に達するまでデューティ比を算出を
する（ステップＳ２０８）。次のロータ３４の基準位置
に達すれば、つまりロータ３４が１回転すれば、割り込
み処理を終了すべく、ステップＳ２０８からメインルー
チンのステップＳ１０６にリターンし、サンプリング指
令を再びＤＭＡ５４に出力し、同様のサンプリング処理
を実行する。

【００３２】図６はマイコン４０が実行する出力ルーチ
ンを示す。出力ルーチンでは、ステップＳ４０２でメモ
リ５２の所定のエリアに記憶されているデューティテー
ブルのデューティ比を読み取り、ステップＳ４０４でそ
のデューティ比に基づく信号を出力する。ステップＳ４
０６で割り込み処理を終了してメインルーチンにリター
ンするか否か判定する。ＹＥＳであれば、ＹＥＳであれ
ば割り込み処理を終了してメインルーチンのステップＳ
１０６にリターンする。ＮＯであれば、ステップＳ４０
８に進み、次のロータ３４の基準位置に達するまで同様
の出力処理を実行する。ロータ３４の次の基準位置に達
すれば、割り込み処理を終了してステップＳ４０８から
メインルーチンのステップＳ１０６に戻り、同様のサン
プリング処理を実行する。

【００３３】図７は上記した制御を実行した場合におけ
るタイムチャートであリ、横軸は時間を意味する。図７
において第１欄Ｋ１は、角速度安定化処理していないロ
ータ３４の位置信号を示す。ここでパルス間隔Ｌ１が大
きい程、ロータ３４の角速度が低下していることを意味
し、パルス間隔Ｌ１が小さい程、ロータ３４の角速度が
増していることを意味する。第１欄Ｋ１において、所定
の１回転すなわちロータ３４が基準位置から３６０°回
転した状態を、回転領域Ａで示す。回転領域Ａの次の１
回転すなわちロータ３４が更に３６０°回転した状態
を、回転領域Ｂで示す。更に回転領域Ｂの次の１回転す
なわちロータ３４が更に３６０°回転した状態を、回転
領域Ｃで示す。

【００３４】第１欄Ｋ１に示す回転領域Ａ〜回転領域Ｃ
におけるパルス間隔から理解できる様に、角速度安定化
制御しなければ、回転領域Ａ〜回転領域Ｃにおいてはパ
ルス間隔Ｌ１が相違するものである。第２欄Ｋ２はロー
タ位置信号の読み取り処理が実行されている読み取り領
域を示す。第３欄Ｋ３は、計算ルーチンに基づき計算処
理が実行されている計算領域を示す。第４欄Ｋ４は、出
力ルーチンに基づき出力処理が実行されている出力領域
を示す。

【００３５】図７から理解できる様に、まず回転領域Ａ
において、回転領域Ａに関する読み取り処理Ａ１が実行
される。更に回転領域Ｂにおいて、メモリ５２に記憶さ
れている回転領域Ａの読み取りデータに基づいて計算処
理Ａ２が実行されると共に、回転領域Ｂに関するデータ
を読み取っている読み取り処理Ｂ１が実行される。更に
回転領域Ｃにおいて、回転領域Ａについてのデューティ
比に基づいて出力している出力処理Ａ３が実行されると
共に、回転領域Ｂに関する読み取りデータに基づいて計
算処理Ｂ２が実行されており、かつ、回転領域Ｃに関す
るデータを読み取っている読み取り処理Ｃ１が実行され
ている。

【００３６】図７に示すタイムチャートから理解できる
様に、読み取り処理と計算処理と出力処理とが並列処理
されているかの様にみえる。これは前述した様にマイコ
ン４０が割り込み処理を実行しているからである。なお
ロータ３４の１回転ごとに上記の様な制御が実行され
る。この様に本実施例では、回転領域Ａではロータ３４
の実際の角速度を検出し、次回転である回転領域Ｂでは
目標デューティ比を算出し、その次の回転である回転領
域Ｃでは目標デューティ比を出力するものである。即
ち、過去の１回転（回転領域Ａ）で算出した目標デュー
ティ比に基づいて、現在または未来の１回転（回転領域
Ｃ）ではモータ３２が制御されるものであり、いわばフ
ィードフォワード制御がなされるものである。

【００３７】上記のような制御をフィ−ドバック制御で
行った場合、前のパルスと現在のパルスとの間の時間の
読み込み中に負荷が変動した場合には、その負荷変動に
追従して現在のパルスと次のパルスとの間の時間を制御
することは困難になる。そのため、ロータの実際の角速
度を目標角速度に一致させる際の精度が悪くなる。とこ
ろが、本実施例では、フィ−ドフォワード制御で行って
いる。（即ち回転領域Ａでロータ３４の実際の角速度を
検出し、次回転である回転領域Ｂで目標デューティ比を
算出し、その次の回転である回転領域Ｃで目標デューテ
ィ比を出力している）ので、フィ−ドバック制御に比べ
てロータ３４の実際の角速度を目標角速度に一致させる
際の精度が向上する。（他の例）上記した実施例では、
図７から理解できる様に、回転領域Ａにおいて、回転領
域Ａに関する読み取り処理Ａ１が実行され、更に次の１
回転である回転領域Ｂにおいて計算処理Ａ２が実行さ
れ、更に次の１回転である回転領域Ｃにおいて出力処理
Ａ３が実行されている。すなわち、回転領域Ａ、Ｂ、Ｃ
は連続しているものである。しかしこれに限らず読み取
り処理Ａ１が実行される１回転、計算処理Ａ２が実行さ
れる１回転、出力処理Ａ３が実行される１回転は、連続
していなくてもよく、要するに読み取り処理Ａ１が実行
される１回転よりも以降の回転において、計算処理Ａ２
が実行され、計算処理Ａ２が実行される１回転よりも以
降の回転において、出力処理Ａ３が実行されれば良いも
のである。

【００３８】その他、本発明は上記しかつ図面に示した
実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しな
い範囲内で必要に応じて適宜選択できるものである。 （付記）上記した実施例から次の技術的思想も把握でき
る。 モータ駆動回路は、等温膨張行程においてはモータ
（固定子巻線）への通電量が減少する様に制御し、等温
圧縮行程においてはモータ（固定子巻線）への通電量が
増加する様に制御する請求項１に記載のスターリング機
関。

【図面の簡単な説明】

【図１】スターリング機関の断面を示し、図１のＹ−Ｙ
線にそう断面図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ線にそう断面図である。

【図３】モータとともに示すＥＣＵのブロック図であ
る。

【図４】メインルーチンのフローチャートである。

【図５】計算ルーチンのフローチャートである。

【図６】出力ルーチンのフローチャートである。

【図７】タイムチャートである。

【図８】スターリング冷凍機の原理を示す構成図であ
る。

【図９】スターリング冷凍機の冷凍サイクルを示す構成
図である。

【符号の説明】

図中、１０はスターリング機関、１２は圧縮シリンダ、
１３は圧縮ピストン、１４は圧縮空間、１９は膨張シリ
ンダ、２０は膨張ピストン、２１は膨張空間、２７は放
熱器、３３はＥＣＵ、３７は固定子巻線、３８は回転位
置検出回路（ロータ速度検出手段）、４０はマイコン
（目標値演算手段）、４４はコンパレータ（駆動回路制
御手段）、５０はモータ駆動回路を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮シリンダと、該圧縮シリンダ内に摺動
   自在に配設され作動媒体を圧縮する圧縮空間を形成する
   圧縮ピストンと、膨張シリンダと、該膨張シリンダ内に
   摺動自在に配設され作動媒体を膨張する膨張空間を形成
   する膨張ピストンと、該圧縮空間と該膨張空間との間に
   該圧縮空間側から順に配置された放熱器及び蓄冷器と、
   回転に伴い該圧縮ピストン及び該膨張ピストンを作動さ
   せるロータを有するモータと、該モータを駆動させるモ
   ータ駆動回路とを備えたスターリング冷凍機において、 該ロータが所定の回転基準位置から１回転する間におい
   てロータの角速度のばらつきに関する物理量を検出する
   ロータ速度検出手段と、 該ロータの角速度のばらつきに関する物理量を検出した
   所定の１回転よりも以降の１回転において、該ロータ速
   度検出手段で検出した物理量に基づいてロータの角速度
   目標値を算出する目標値演算手段と、 該角速度目標値に基づいて該モータ駆動回路を制御する
   駆動回路制御手段とを具備することを特徴とするスター
   リング冷凍機。