专利名称：斯特林发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及斯特林发动机，特别是涉及自由活塞型斯特林发动机。
背景技术：
近年，考虑到节能和环境问题等，斯特林发动机受到了关注。斯特林发动机，是利用外部热源实现可逆循环即斯特林循环的外燃发动机，与需要使用汽油等点火性和着火性优良的燃料的内燃机等相比，是一种具备节能且环保的优点的热机。作为该斯特林发动机的应用例，斯特林制冷机已被广泛了解。
以往，作为用于制冷机等的制冷循环，一般采用蒸汽压缩式的制冷循环。在该蒸汽压缩式的制冷循环中，作为工作介质的冷媒一般使用氟利昂(含氯氟烃)，利用氟利昂的凝缩及蒸发获得所需的冷却性能。
但是，作为冷媒使用的氟利昂具有非常高的化学稳定性，被指出如果排放到大气中，到达平流层将会破坏臭氧层。所以，近年来，限制氟利昂的特定使用及生产。于是，作为使用氟里昂的制冷循环的替代品，逆斯特林制冷循环受到了瞩目。
在逆斯特林制冷循环中，工作介质可以采用氦气、氢气、氮气等，所以不会对地球环境造成不良的影响。利用该逆斯特林制冷循环的斯特林制冷机，作为能产生极低温的小型制冷机为公众所知。
斯特林制冷机，是由压缩工作介质即冷媒气体的压缩机，和使从压缩室吐出的冷媒气体膨胀的膨胀机组合而成的。作为上述压缩机，使用一种压缩装置，该装置使冷媒气压随时间反复变化成例如正弦波状等。另一方面，膨胀机具有气缸、位移滑块(displacer)和共振用弹簧，前述气缸的前端封闭；前述位移滑块自由往复运动地嵌装在气缸内，并将气缸内部划分为前端一侧的膨胀室和基端一侧的工作室；前述共振用弹簧用于弹性支承该位移滑块的往复运动。
上述工作室与上述压缩室连接，通过来自压缩机的冷媒气压，使位移滑块往复运动从而使冷媒气体膨胀，由此，在气缸前端的冷却部产生低温。这种方式的斯特林制冷机，一般称为自由活塞型斯特林制冷机，将活塞和位移滑块同轴地嵌装在同一气缸内的自由活塞型斯特林制冷机比较常见。
活塞一般通过线性马达进行驱动。通过增减线性马达的驱动电压，变动活塞的冲程，可以控制制冷能力。即，当减小线性马达的驱动电压时，由于活塞的冲程变短，所以制冷能力降低。当增大线性马达的驱动电压时，活塞的冲程变长，制冷能力上升。
利用这样的关系，以往，如日本特开平2-217757号公报所公开的，活塞和位移滑块的驱动用线性马达各配置一台，控制向线性马达输入的电流，来测定活塞和位移滑块的各位移，并将各自的中立位置保持一定。
另外，如特开平11-304270号公报所记载的，根据向驱动线圈输入的电力，导出活塞的冲程，然后根据该冲程，通过调整输入电力，将活塞的上止点保持一定，将压缩空间的死容积保持一定，上述的这种技术也为公众所知。
但是，根据上述现有的斯特林制冷机，在运转开始时的低温侧温度接近常温的状态下，由于内部气压没有达到正常运转状态，所以，如果这时向线性马达施加正常状态的驱动电压，则活塞及位移滑块有碰撞的危险。虽因斯特林制冷机的构造不同而不同，但这种碰撞主要是位移滑块向气缸密闭端的碰撞、安装于位移滑块上的共振用弹簧的压缩破坏等。在活塞和位移滑块同轴地嵌装的时候，也有因活塞和位移滑块的相位偏离，两者发生碰撞的危险性。
另外，在冷却负荷发生变化，活塞和位移滑块的相位发生偏离时，在输出最大制冷能力时外部条件(斯特林制冷机的电源电压或气氛温度)发生变化时，或者在斯特林制冷机出现内部问题(组装误差和零件精度等的个体偏差)时，都有发生碰撞的危险。为了避免碰撞的危险，只能将线性马达的驱动电压设定为低于理想驱动电压，但这又产生了不能最大限度地发挥斯特林制冷机的冷动能力的问题。
进而，在斯特林制冷机的运转中，冷却部或放热部由于某种原因而发生异常冷却或异常加热的时候，或斯特林制冷机的周围的温度剧烈地变化等时候，用于抑制斯特林制冷机主体的振动而安装的平衡质量的振动要发生变化，有振幅增加的危险。另外，在气缸内的气体平衡剧烈变化时，由于内部零件的共振频率产生偏差而导致平衡质量的振动发生变化。平衡质量的振幅的增加，将导致斯特林制冷机的噪音的赠加及异常振动，有由于内部零件的碰撞而发生破损的危险。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种斯特林发动机，该发动机通过避免在运转开始等的急冷时的活塞及位移滑块的碰撞，在防止斯特林发动机破损的同时，实现在避免碰撞范围内的最大输出运转。
此外，本发明的另一个目的是提供一种斯特林发动机，该发动机在来自外部的供给电力的电压值的变动时，或在斯特林发动机主体的异常振动等时，能实现防止内部零件彼此之间的碰撞。
为了达到上述的目的，本发明的斯特林发动机装备有活塞、位移滑块、膨胀室及压缩室、第1温度检测装置、第2温度检测装置、输入电流检测装置、碰撞危险性检测装置，上述的活塞嵌装在封入了工作气体的气缸内，由驱动装置驱动并进行往复运动；上述位移滑块在气缸内与活塞嵌装在同轴上，接受活塞的往复运动所产生的力并与活塞保持相位差地进行往复运动；上述膨胀室及压缩室以该位移滑块隔于其间的方式在气缸内被划分形成；上述第1温度检测装置检测膨胀室的温度；上述第2温度检测装置检测压缩室的温度；上述输入电流检测装置检测用于驱动活塞的输入电流；上述碰撞危险性检测装置，根据由第1和第2温度检测装置检测出的温度，及由输入电流检测装置检测出的输入电流，检测活塞及位移滑块的至少一方的碰撞危险性。
通过本结构，根据检测出的输入电流信息，和膨胀室及压缩室内工作气体的温度信息，可以检测出活塞及位移滑块的碰撞危险性。这是利用能读取内部空间的压力状态变化和能读取活塞的冲程幅度，通过检测装置来判断碰撞危险性，上述读取内部空间的压力状态变化是通过测定膨胀室和压缩室的温度状态来进行的；上述读取活塞的冲程幅度是通过输入电流信息来进行的。
在上述本发明的斯特林发动机中，备有电流控制装置，该电流控制装置，通过检测装置判断由输入电流检测装置及温度检测装置检测出的输入电流及温度是否在预先规定的基准范围内，如果在预先规定的基准范围之内，则增加供给驱动装置的输入电流；如果在预先规定的基准范围之外，则不再增加供给驱动装置的输入电流。
通过本结构，只有在判定活塞或位移滑块有碰撞危险性的时候，才限制向线性马达输入的电流的增加，防止制冷机的破损于未然。这个判定，通过事先进行试操作，根据收集相撞时的电流信息及温度信息而得到的信息来进行。进而，在判断没有碰撞危险性的时候，通过增加电流，在从运转开始直到达到正常运转等急冷时，可以发挥出在避免碰撞范围内的最大冷却能力。
本发明的其他情形的斯特林发动机，备有活塞、位移滑块、压缩室、膨胀室，前述活塞嵌装在气缸内，由驱动装置驱动进行往复运动；前述位移滑块嵌装在气缸内，与活塞保持相位差地进行往复运动；前述压缩室划分形成于活塞及位移滑块之间；前述膨胀室隔着位移滑块位于与压缩室相反的一侧。此外，本发明的其他情形的斯特林发动机还备有逆变电源电路、碰撞危险性检测装置、逆变电源电路控制装置，前述逆变电源电路向驱动装置供给电力；前述碰撞危险性检测装置，检测位移滑块与活塞及气缸的封闭端的任何一方的碰撞危险性；前述逆变电源电路控制装置，根据碰撞危险性检测装置检测的信息，控制由逆变电源电路向驱动装置供给的电力。
如本结构所示，根据碰撞危险性检测装置检测到的信息，通过由逆变电源电路控制装置来控制从逆变电源电路向驱动装置供给的电力，防止位移滑块和活塞等的碰撞于未然，由此可以防止斯特林发动机的破损。
上述本发明的其他情形的斯特林发动机，例如，碰撞危险性检测装置，最好采用电源电压检测装置，该电源电压检测装置检测向逆变电源电路输入的电力的电压。
在本结构中，作为上述碰撞危险性检测装置，通过由电源电压检测装置，检测从外部电源向逆变电源电路供给的供给电力的电压，来防止因外部电力的变动而产生的活塞的振幅增加及与此相伴的活塞和位移滑块等的碰撞于未然，以此可以防止斯特林发动机的破损。
上述本发明的其他情形的斯特林发动机，例如，电源电压检测装置最好通过比较器构成。
如本结构所示，通过采用比较器作为电源电压检测装置，能够容易地实现监视供给电力的电压值。
上述本发明的其他情形的斯特林发动机，例如，电源电压检测装置最好由模拟放大器构成。
如本结构所示，通过采用模拟放大器作为电源电压检测装置，能够很容易地实现监视供给电力的电压值。
上述本发明的其他情形的斯特林发动机，例如，碰撞危险性检测装置最好是检测膨胀室内的温度的第1温度检测装置，和检测前述压缩室内的温度的第2温度检测装置。
在本结构中，作为上述碰撞危险性检测装置，通过由第1及第2温度检测装置来检测压缩室及膨胀室内的温度，可以判断内部零件的碰撞的危险性并防止碰撞于未然，所以能够防止斯特林发动机的破损。
上述本发明的其他情形的斯特林发动机，例如，碰撞危险性检测装置最好采用温度检测装置，该温度检测装置检测隔着活塞位于压缩室的相反侧的背压室内的温度。
在本结构中，作为上述碰撞危险性检测装置，通过使用检测背压室内的温度的温度检测装置来检测背压室有异常加热的情况，可以判断内部零件的碰撞的危险性并防止碰撞于未然，所以能够防止斯特林发动机的破损。
上述本发明的其他情形的斯特林发动机，例如，还备有壳体、平衡质量、平衡质量振动检测装置，上述壳体保持固定气缸；上述平衡质量安装于壳体上，用于吸收由于活塞及位移滑块的往复运动而产生的壳体的振动；前述平衡质量振动检测装置用于检测平衡质量的振动。碰撞危险性检测装置最好是其中的平衡质量振动检测装置。
在本结构中，作为上述的碰撞危险性检测装置，通过平衡质量振动检测装置检测壳体的异常振动，能防止内部零件的碰撞于未然，上述平衡质量振动检测装置用于检测安装于壳体上的平衡质量的振动。
上述本发明的其他情形的斯特林发动机，例如，平衡质量振动检测装置最好是用于检测平衡质量的距离中心位置的振幅的光传感器。
如本结构所示，通过使用光传感器作为平衡质量振动检测装置，能够容易地监视平衡质量的振动。
上述本发明的其他情形的斯特林发动机，例如，平衡质量振动检测装置最好是通过与平衡质量接触来检测其位置的接触传感器。
如本结构所示，通过使用接触传感器作为平衡质量振动检测装置，能够容易地监视平衡质量的振动。
另外，在本发明的自由活塞型斯特林发动机中，具有在封入有工作气体的气缸内往复运动的活塞及位移滑块，和用于移动前述活塞的线性马达；其特征在于，具有冲程检测装置、控制装置，上述冲程检测装置用于检测活塞的冲程；前述控制装置控制前述直线马达的驱动通过对由该冲程检测装置检测到的冲程与目标冲程进行比较，而使活塞的冲程达到目标冲程。
根据这种结构，如果驱动线性马达，则活塞和位移滑块将以规定的相位差往复运动来压缩及膨胀工作介质，使制冷循环进行运转。此外，通过冲程检测装置检测活塞的冲程，通过控制装置将活塞的冲程设定为目标冲程。目标冲程，例如，可以通过斯特林发动机的低温侧和高温侧的温度的函数式来计算并设定。
另外，在本发明的自由活塞型斯特林发动机中，具有在封入有工作气体的气缸内往复运动的活塞及位移滑块，和用于移动前述活塞的线性马达；其特征在于，具有一种控制装置，前述控制装置，将与斯特林发动机的运转状况相对应的活塞的目标冲程作为工作表来存储，并根据该工作表来控制前述线性马达的驱动。
根据这种结构，如果驱动线性马达，则活塞和位移滑块将以规定的相位差往复运动来压缩及膨胀工作介质，使制冷循环进行运转。控制装置，将与斯特林发动机的运转状况相对应的活塞的目标冲程作为工作表来存储，并根据该工作表将活塞的冲程设定为目标冲程。
另外，本发明中由前述冲程检测装置进行的活塞的冲程检测，根据向线性马达施加的电压Vt、线性马达的消耗电流I、线性马达的电感L、线性马达的电阻R、前述施加电压Vt和消耗电流I的相位差θ，由算式Vg＝Vt-RIcosθ-Lsinθ·dI/dt求得反电动势Vg，由于反电动势Vg是活塞的冲程Xp的函数，所以冲程Xp由计算求得。
特别是，当斯特林发动机的负荷较小时，前述的相位差近似于θ≈0，所以将线性马达的电阻R作为相位差θ的函数，可以将上述算式简化为Vg＝Vt-R(θ)I，这时前述相位差θ，可以作为斯特林发动机的低温侧和高温侧的温度的函数，由计算求得。
另外本发明的另一个特征是，前述工作表，是以从斯特林发动机的启动开始经过的时间为变量的1元表，及以斯特林发动机的低温侧和高温侧的温度为变量的2元表。
进而在本发明中，设有用于检测前述活塞和前述位移滑块的碰撞的碰撞检测装置，当该碰撞检测装置检测到碰撞时，前述控制装置将前述线性马达的驱动电压降低规定值。
斯特林发动机的启动开始时及制冷能力高的时候，活塞和位移滑块迅速接近而容易发生碰撞，但是根据这种构造，即使发生了碰撞，也能检测到该碰撞并在瞬间回避危险。这种情况下，被前述控制装置降低的前述线性马达的驱动电压的规定值，通过斯特林发动机的低温侧和高温侧的温度的函数式计算并设定。
此外，由前述碰撞检测装置进行的碰撞检测方法，可考虑以下两种方法当向线性马达施加的电压上升规定值的时候，检测线性马达的消耗电流超过规定值的方法；当向线性马达施加的电压保持一定的时候，检测线性马达的消耗电流的变动值超过规定值的方法。
另外，检测这样的碰撞时的控制，从检测到碰撞以后经过规定的时间便终止，此后，恢复到基于目标冲程的线性马达的驱动控制。
此外，本发明的又一个特征在于，存储活塞的目标冲程的补正数据表，并根据各个制冷机的前述间隔，通过前述补正数据表，补正各个制冷机的目标冲程，前述活塞的目标冲程的补正数据表对应于前述活塞和位移滑块的间隔。根据这样的结构，各个制冷机的目标冲程因斯特林发动机的组装误差或零件精度的不同而不同，所以通过存储补正目标冲程的补正数据，并输入各个制冷机的前述间隔，就能够补正设定各个制冷机的目标冲程。
另外，本发明的又一个特征在于，存储活塞的目标冲程的补正数据，并根据前述输入电压或者前述消耗电流的变动，通过前述补正数据，补正目标冲程，前述活塞的目标冲程的补正数据对应于斯特林发动机的输入电压或者线性马达的消耗电流。由于这样的结构，活塞的冲程由于斯特林发动机的输入电压和线性马达的消耗电力的变化而变化，所以通过电源部能产生与补正的目标冲程相对应的线性马达的驱动电压，并能以补正的目标冲程驱动活塞。
图1是本发明的第1实施方式的斯特林制冷机的剖视图。
图2是本发明的第1实施方式的斯特林制冷机的控制电路方框图。
图3是本发明的第1实施方式的斯特林制冷机的控制动作流程图。
图4是本发明的第2实施方式的斯特林制冷机的方框图。
图5是在本发明的第2实施方式的斯特林制冷机的电源电压检测部中使用比较器时的控制电路方框图。
图6是在本发明的第2实施方式的斯特林制冷机的电源电压检测部中使用模拟放大器时的控制电路方框图。
图7是本发明的第3实施方式的斯特林制冷机的方框图。
图8用来说明本发明的第3实施方式的斯特林制冷机的运转控制的查阅表的模式图。
图9是表示本发明的第3实施方式的其他例的方框图。
图10是本发明的第4实施方式的斯特林制冷机的方框图。
图11是表示本发明的第4实施方式的斯特林制冷机的其他例的方框图。
图12是表示本发明的第5实施方式的斯特林制冷机的剖视图。
图13是表示本发明的第5实施方式的斯特林制冷机的连接状态的图。
图14是表示本发明的第5实施方式的斯特林制冷机的控制盒的结构的方框图。
图15是表示本发明的第5实施方式的斯特林制冷机的微型计算机的结构的方框图。
图16是表示本发明的第5实施方式的斯特林制冷机的线性马达的等效电路图。
图17是表示本发明的第5实施方式的斯特林制冷机的线性马达的输入电压Vt和反电动势Vg的关系的向量图。
图18是表示本发明的第5实施方式的驱动电压和电流的输出波形的图。
图19是表示本发明的第5实施方式的斯特林制冷机的冲程控制的程序的一个例子的流程图。
图20是表示本发明的第7实施方式的斯特林制冷机的动作的流程图。
图21是表示本发明的第9实施方式的斯特林制冷机的动作的流程图。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的第1实施方式的自由活塞型斯特林制冷机的结构的剖视图。首先，对本实施方式中的斯特林制冷机的构造进行说明。如图1所示，在斯特林制冷机主体中，设有内部具有圆筒状空间的气缸3，在该气缸的空间内，同轴嵌装有活塞1及位移滑块2。在气缸3内的工作空间里，填充有氦气、氢气、氮气等工作气体。
在由位移滑块2分隔出的工作空间中，活塞1一侧的空间叫作压缩空间(压缩室)9，气缸闭塞端一侧的空间叫作膨胀空间(膨胀室)10。在气缸3外部连接该压缩空间9和膨胀空间10的路径上设有蓄热材料即回热器12，回热器12的内部为工作气体可以通过的构造。
另外，用于将压缩空间9产生的热量向外部排放的放热部43，和用于将由膨胀空间10产生的低温向外部传导的冷却部45，分别以包围着各自的空间的方式形成。在该放热部43及冷却部45上，设有用于检测各自温度的温度检测传感器44、46。此外，位移滑块2通过共振用弹簧7与制冷机主体壳体41连接。
另外，活塞1由线性马达13进行驱动，该线性马达13由电源驱动电路48供给电力，其输入电流通过制冷机输入电流检测部52进行监控(参照图2)。
下面，对本实施方式的斯特林制冷机的工作原理进行说明。本制冷机，利用所谓的逆斯特林制冷循环来达到制冷效果。活塞1由线性马达13驱动并进行正弦运动。由于活塞1的运动，压缩空间9内的工作气体也呈现正弦波状的压力变化。被压缩的工作气体在放热部43放出压缩热，在通过设于气缸3外的回热器12的时候被冷却，然后流入膨胀空间10。
位移滑块2正常运转时，与活塞1同周期并保持一定的相位差做正弦运动，该相位差和振幅由共振用弹簧7的弹性系数、时刻变化的压缩空间9和膨胀空间10间的压力差、位移滑块2的质量、工作频率等决定。关于该相位差，一般说来90°左右是最适合的。
流入膨胀空间10的工作气体，由于该位移滑块2的正弦运动而膨胀，由此，膨胀空间10内的温度显著地降低。此时通过将产生的极低温经由冷却部45传递到制冷库内，来获得所希望的制冷效果。
下面，对本实施方式的斯特林制冷机的控制电路进行说明。图2是表示上述斯特林制冷机的控制电路的结构的方框图。如该图所示，由设置于放热部43及冷却部45的温度检测传感器44、46检测出的温度信息(Th，Tc)，经由温度检测部47输入到微型控制计算机49。在此，Th表示放热部43的温度，Tc表示冷却部45的温度。另外，在制冷机输入电流检测部52中检测出的输入电流信息(I)也被输入微型控制计算机49。
在微型控制计算机49中，判断上述的各个输入信号是否在预先存储的基准值的范围内，然后根据该判断结果导出用于控制斯特林制冷机的控制信号，并对PWM(脉冲宽度调制Pulse Width Modulation)输出部51进行输出。PWM输出部51，根据该控制信号，控制不进行脉冲宽度调制的斯特林制冷机。
图3是本实施方式的控制动作的流程图。如图所示，如果在步骤#1中开始斯特林制冷机的运转，则在步骤#2中检测温度信息(Th、Tc)及输入电流信息(I)。
接下来，在步骤#3中，根据上述信息，通过判断是否在预先确定的基准值的范围内，来判定碰撞的危险性。这是因为活塞冲程的幅度是通过综合上述信息来确定的，所以能够检测碰撞的危险性。此处，所谓的预先确定的基准，是根据通过进行试操作(查表方式等)而收集到的碰撞时的信息而设定的。
在步骤#3中判定没有碰撞危险性的时候，在步骤#4中只增加一定值的输入电流。所增加的电流量由于是为了抑制极端的活塞冲程幅度的增加，所以优选地抑制得极小。另外，反之，当在步骤#3中判定有碰撞的危险性的时候，通过微型控制计算机49进行控制，以使该电流以上的输入电流不会供给到制冷机中。
如以上的说明所述，通过判定活塞和位移滑块的碰撞的危险性，并根据该判定结果运转斯特林制冷机，可以防止活塞及位移滑块等内部零件彼此的碰撞，并且也能在避免活塞及位移滑块等内部零件的碰撞的基础上实现最大的运转输出，前述的判定活塞和位移滑块的碰撞的危险性，是通过监控输入到线性马达的电流值和压缩空间内及膨胀空间内的温度，并将这些值与事先通过试操作得到的基准值进行比较而进行的。
图4是本发明的第2实施方式的断特林制冷机的控制电路的方框图。与上述第一实施方式相同的部分用相同的标记表示，并省略其说明。
如图4所示，从外部电源50供给的供给电力的电压值，由电源电压检测部59进行检测，并将该电压值信息输入到微型控制计算机49。微型控制计算机49对输入的电压值信息进行处理，经由逆变电源电路控制部53向逆变电源电路54输出控制信号，以使向线性马达13供给的电力的电压值为适当值。根据该控制信号由逆变电源电路54转换成的具有适当电压值的电力，向线性马达13供给。此处，由逆变电源电路控制部53向逆变电源电路54输出的控制信号，是在逆变电源电路中进行的PWM控制的脉冲宽度调制的信号。
图5表示采用比较器作为该电源电压检测部59时的电路的例子。为了检测从外部电源供给的供给电力的电压值，由电阻58对供给电力的电压值进行分压，电压的变化通过比较器57输入到微型控制计算机49。此时，向微型控制计算机49的输入，根据供给电力的电压值的高低，按照输入A、输入B、输入C、输入D，分阶段地进行发送。向微型控制计算机49发送的信号，例如根据下述的表1，按照每个阈值电压分别决定输出信号，并向逆变电源电路54输入经过适当地脉冲宽度调制的输出信号。
表1
参照上述表1，例如，当向微型控制计算机49的输入A/B/C/D是0/0/0/0的时候，判断供给电力的电压值是90V以下，停止向逆变电源电路54的输出，并停止斯特林制冷机40的运转。此外，当向微型控制计算机49的输入是1/1/1/1的时候，判断供给电力的电压值是110V以上，同样停止向逆变电源电路54的输出，并停止斯特林制冷机40的运转。当向微型控制计算机49的输入是1/1/0/0的时候，判断供给电力的电压值为95V以上且小于105V，输出基准宽度的脉冲信号。上述以外的情况，根据其电压值信息，通过对基准宽度的脉冲进行脉冲宽度调制，将其校正为适当的电压值。
另外，图6所示的是，作为电源电压检测部59采用模拟放大器时的电路的例子。这种情况下，通过模拟放大器56将供给电力的电压值转换为0～5V，并将该转换的电压输入到微型控制计算机49。然后，计算处理输入到微型控制计算机49的电压信号，并向逆变电源电路54发送。当判断供给电力的电压值为异常的时候，停止向逆变电源电路54的输出，并停止斯特林制冷机40的运转。
如上所述，通过电源电压检测装置检测供给电力的电压值的变动，并根据该信息，通过微型控制计算机进行脉冲宽度调制，以达到适当的电压值，然后用该输出信号，通过逆变电源电路来调整向斯特林制冷机输入的电力的电压值，由此，确保最适合的运转条件。另外，当判断供给电力的电压值为异常时，通过停止向斯特林冷藏机的电力供给，可以防止由于内部零件的碰撞而引起的斯特林制冷机的破损。
图7是本发明的第3实施方式的斯特林制冷机的方框图。对于与上述第1实施方式及第2实施方式相同的部分，用同一标记表示，并省略其说明。
在本实施方式的斯特林制冷机中，与上述的第一实施方式一样，在放热部43及冷却部45中安装有用于测定温度的温度检测传感器44、46。由这些温度检测传感器44、46检测出的温度信息，经由温度检测部47输入到微型控制计算机49，通过参照事先存储在微型控制计算机49内的查阅表(参照图8)决定其输出信号，并向逆变电源电路54输出。此外，该查阅表，使用通过收集斯特林制冷机的内部零件发生碰撞时的异常加热及异常冷却状态的数据而获得的信息，该收集行为是通过事先试操作而进行的。
作为其它例子，如图9所示，通过检测隔着活塞1位于压缩空间9的相反侧的振动空间(bounce space)(背压室)8内的温度，也可以检测异常。这种情况下，通过将温度传感器55安装在构成振动空间8的主体壳体9上，来间接地监控振动空间8内的温度。此外，利用振动空间8的温度来检测异常，是因为由于压缩空间9和振动空间8连通，所以压缩空间9被异常加热的时候，振动空间8也被加热。
图10是本发明的第4实施方式的斯特林制冷机的方框图。本实施方式的斯特林制冷机具有以下机构通过检测平衡质量的异常振动，检测活塞和位移滑块这些内部零件的碰撞危险性，防止该碰撞于未然。与上述第1实施方式～第3实施方式相同的部分用同一标记表示，并省略其说明。
参照图，平衡质量42，经由质量弹簧(mass spring)63及质量弹簧支承部件64与斯特林制冷机40的主体壳体9相连接。该平衡质量42是为了抑制斯特林制冷机40主体的振动而安装的。当斯特林制冷机40处于异常振动状态时，该平衡质量42也进行异常振动，所以通过监视该平衡质量42的振幅，可以检测斯特林制冷机的异常。
事先测定斯特林制冷机40正常工作时的平衡质量42的振幅范围，通过在平衡质量42的附近设置的光传感器60、61，监视平衡质量42的振幅。当发生异常振动时，从光传感器的发光部60照射的光线，由于平衡质量而被遮挡，所以不能到达光传感器的受光部61。这时，微型控制计算机49中的来自光传感器受光部61的输入电压信号减小，检测到这种情况的微型控制计算机49，立即停止向逆变电源电路的54的输出，停止斯特林制冷机40的运转。
如上所述，通过检测斯特林制冷机的异常振动，防止内部零件的碰撞于未然，可以防止斯特林制冷机的破损。此外，可以取代光传感器，如图11所示，在平衡质量42的附近设置接触传感器62，当平衡质量42发生异常振动时，通过与接触传感器62相接触，也能够检测异常振动。
在上述的所有实施方式中，对将本发明运用于同轴嵌装有活塞和位移滑块的斯特林制冷机的情况进行了举例说明，但对于将压缩机和膨胀机分开设置的斯特林制冷机也是适用的。
另外，在上述的所有实施方式中，只列出了位移滑块通过共振用螺旋弹簧与斯特林制冷机的主体壳体相连接的情况，但并不是仅局限于此，利用气体弹簧或者板弹簧代替共振用螺旋弹簧的斯特林制冷机也是可以的。
此外，在上述的第1实施方式及第3实施方式中，披露了通过在放热部及冷却部设置温度检测传感器，来间接地检测压缩空间及膨胀空间的温度的情况，但是也可以在压缩空间及膨胀空间内设置温度检测传感器，直接测定工作气体的温度。
图12是第5实施方式的斯特林制冷机的剖视图。斯特林制冷机40，在分割于轴方向的大致呈圆筒形的气缸3中，内嵌有圆柱形的活塞1及位移滑块2。活塞1和位移滑块2经由压缩空间9(下面，有时也称“暖区”)同轴地配置。
在气缸3的前端与位移滑块2之间形成有膨胀空间10(下面，有时也称“冷区”)。压缩空间9和膨胀空间10通过氦气等工作介质流通的介质流通路11连通。在介质流通路11内，设有回热器12，该回热器12蓄积工作介质的热量，并且将蓄积的热量提供给工作介质。在气缸3的大致中间部分突出设有缘部3a。在缘部3a上安装有圆顶的耐压容器4，并密闭内部，形成振动空间8。
活塞1在后端与活塞支承弹簧5一体化，位移滑块2经由贯通活塞2的中心孔1a的杆2a而与位移滑块支承弹簧6一体化。活塞支承弹簧5和位移滑块支承弹簧6通过螺栓22进行连结。如后面所述，若活塞1进行往复运动，则位移滑块2由于其惯性力，相对于活塞2以规定的相位差进行往复运动。
在振动空间8内的气缸3上外嵌有内侧磁轭18。内侧磁轭18经由间隙19与外侧磁轭17对置。在外侧磁轭17中内置有驱动用线圈16，在间隙19中可移动地配置有环状的永久磁铁15。永久磁铁15经由杯状的套筒14与活塞1一体化。由此，可以构成通过给驱动用线圈16施加电压使活塞1沿轴方向移动的线性马达13。
在驱动用线圈16上，连接有导线20、21。导线20、21经由密封端子37贯通耐压容器4的壁面，与控制盒30连接。通过控制盒30向线性马达13供给驱动电源。
上述结构的斯特林制冷机40，若活塞1通过线性马达13做往复运动，则位移滑块2由于位移滑块2的惯性力也要相对于活塞1以规定的相位差做往复运动。由此，工作介质将在压缩空间9和膨胀空间10之间移动，构成逆斯特林循环。即，由于压缩工作介质，在高温侧的压缩空间9产生的热经由介质流通路11向大气中排放，进而，工作介质向回热器12储存热量并向膨胀空间10移动。
通过回热器12被冷却的工作介质，在低温侧的膨胀空间10通过膨胀进一步冷却。此外，工作介质在通过介质流通路11向压缩空间9移动时，由于储存在回热器12中的热量而被加热。反复进行这个动作，便可以进行膨胀空间10(冷区)的制冷。
图13是表示控制盒30和斯特林制冷机40的连接状态的示图。在斯特林制冷机40中安装有分别用于检测膨胀空间10、压缩空间9、振动空间8的温度Tc、Th、Tb的温度传感器34、35、36。
在控制盒30中设有TcA/D转换部108、ThA/D转换部109、TbA/D转换部110，上述三个转换部分别用来对温度传感器34、35、36的输出进行A/D转换。另外，线性马达驱动用电压输出部101，经由导线20、21与密封端子37相连接。线性马达驱动用电压输出部101，输出线性马达13的驱动电压。
图14是更详细地表示控制盒30的方框图。在控制盒30中设有进行各种运算的微型计算机104。微型计算机104上连接有向控制盒30的各部分提供电源的电源部105。
另外，在微型计算机104上，连接有用于将电压传感器(未图示)的检测值进行A/D转换并输入的电压值输入部102，及用于将电流传感器33的检测值进行A/D转换并输入的电流值输入部103，前述电压传感器检测电源部105的输入电压；前述电流传感器33检测线性马达13的消耗电流。另外，微型计算机104上还连接有用于重新设置控制盒30的复位部106、产生PWM逆变波形的振荡部107、用来存储数据的存储部111，前述的存储部111由可进行更改的非挥发性存储元件(EEPROM)构成。
如后所述，对应于来自电压值输入部102的输入，从微型计算机104向电源部105发送控制信号。由此，控制电源部105的输出电压。另外，线性马达驱动用电压输出部101，通过微型计算机104的控制，将电源部105的输出电压转换成PWM逆变波形，然后向线性马达13供给。
图15是表示微型计算机104的内部构造的方框图。在微型计算机104内部，在CPU124上连接有用于存储控制程序的只读ROM121、用于进行运算的暂时存储的RAM122、用于对运转时间等进行计时的计时器123、输入输出用的I/O接口125。CPU124通过执行从ROM121读出的控制程序，来进行斯特林制冷机40的控制。
作为控制线性马达13的驱动的方法，可以考虑分级控制和冲程控制，前述的分级控制是指检测线性马达13的驱动电压，然后进行控制，使之成为与目标冲程相对应的驱动电压；前述的冲程控制是指检测活塞1的冲程，然后进行控制，使之达到所希望的冲程。
分级控制，是通过微型计算机104，对驱动中的线性马达13的驱动电压，和与活塞1的目标冲程相对应的驱动电压进行比较，然后分级地调整从线性马达驱动用电压输出部101输出的驱动电压，前述的驱动中的线性马达13的驱动电压，是根据从电压值输入部102输入的电压值，以及从电流值输入部103输入的电流值计算出的。
冲程控制是，检测活塞1的冲程，并与存储部111(参照图14)中存储的目标冲程相比较，然后调整从线性马达驱动用电压输出部101输出的驱动电压，以使其达到与目标冲程相对应的驱动电压，前述的检测活塞1的冲程，是通过微型计算机104对驱动中的线性马达13的驱动电压、消耗电流、电感、电阻进行运算而得到的。
为了说明活塞1的冲程的检测方法，在图16中表示出了线性马达13的等效电路。当从线性马达驱动用电压输出部101施加驱动电压Vt时，线性马达13中流过电流I，由于电阻R及电感L产生电压降低，并产生反电动势Vg。
电流I由于相对于驱动电压Vt有相位的偏差，所以如果将相位差设为θ，则如图17的向量图所示，由于电阻R及电感L造成的电压降低分别是RIcosθ、Lsinθ·dI/dt。所以，反电动势Vg可以用下述的式(1)表示。另外，由于反电动势Vg是冲程Xp的函数，所以也可以由下式(2)表示。
Vg＝Vt-RIcosθ-Lsinθ·dI/dt(1)Vg＝f(Xp)(2)图18表示驱动电压Vt和电流I的输出波形。相位差θ可以由如下方式求得。即，以驱动电压Vt的电压的峰值位置(相位角90°)作为位置A，以滞后于位置A规定的角度，例如10°、20°的位置作为位置B(相位角100°)、位置C(相位角110°)。另外，如果把位置A、B、C时的电流I分别记作IA、IB、IC，则相位差θ如下IA≥IB＞IC时，θ≤5°IB＞IA≥IC时，5°＜θ≤10°IB≥IC＞IA时，10°＜θ≤15°IC＞IB＞IA时，θ＞15°如上所示，如果将位置A、B、C的滞后角度设为10°，则能够以5°的分解度来判定相位差θ。如果将滞后角度进一步减小，则可以提高分解度，并且可以通过增加测定点，测定宽范围的相位差。
在上式(1)、(2)中，L、R是已知的，Vt、I分别从电压值输入部102及电流值输入部103给出，以此来求得相位差θ，所以通过微型计算机104能运算冲程Xp。
另外，当相位差θ≈0时，上式(1)可以近似为下述式(3)。因此，当斯特林制冷机40的负荷较轻时相位差θ≈0，所以也可以用式(3)来求冲程Xp。
Vg＝Vt-RI… (3)
但是，由于当斯特林制冷机40的负荷变大时，相位角θ也变大，所以不能完全无视相位角θ的影响。于是，在上式(3)中，最好将斯特林制冷机40的负荷考虑到电阻R中。斯特林制冷机40的负荷，可以通过斯特林制冷机40的高温侧的温度和低温侧的温度的函数表示。
作为高温侧的温度，使用暖区9的温度Th或者振动空间8的温度Tb。作为低温侧的温度，用冷区10的温度Tc。因此，也可以用下式(4)或式(5)代替式(3)。此外，微型计算机104，可以根据式(4)或者式(5)和式(2)的关系，求出活塞1的冲程Xp。
Vg＝Vt-R(Th，Tc)I…(4)Vg＝Vt-R(Tb，Tc)I…(5)在存储部111(参照图14)中存储有与斯特林制冷机40的运转状况相对应的活塞1的目标冲程。表2示出存储在存储部111中的目标冲程的表。
表2
根据该表，目标冲程是斯特林制冷机40的低温侧的温度及高温侧的温度的2元(矩阵)表，并且对应着这些温度带有不同的值。
冷区10的温度Tc，划分为10℃～20℃、0℃～10℃、-10℃～0℃、-20℃～-10℃、-30℃～-20℃5个范围。暖区9的温度Th或者振动空间8的温度Tb，划分为～30℃、30℃～40℃、40℃～50℃、50℃～60℃4个范围。这些温度范围、温度的区分只是一个例子，并不局限于此。
图19是参照目标冲程表的程序流程图，该目标冲程表以该温度为变量。首先，通过Th温度传感器35·ThA/D转换器109检测·数字转换并测定暖区温度Th(步骤#51)。然后，确认该温度是否为30℃以上而小于60℃(步骤#52、53)。当为60℃以上时调整为59℃，为30℃以下时调整为29℃(步骤#54、55)。将该值除以10，并舍掉小数点以下的部分进行整数化，然后再将其值减去2，求得FTh(步骤#56)。
接下来，将Tc的温度用Tc温度传感器34·ThA/D转换部108进行检测·数字转换、而测定，并加上30(步骤#57)。然后，确认其温度是否在0℃以上且小于50℃的范围内(步骤#58、59)。如果为50℃以上便调整为49℃，如果在0℃以下调整为0℃(步骤#61)。将该值除以10，并舍掉小数点以下的部分进行整数化，求得FTc(步骤#62)。在存在有ROM上的表的最前列地址TA/D上加上4(4-FTc)和FTh，算出目标地址(步骤#63)。将该地址数据作为Ac取用(步骤#64)，并作为目标冲程(步骤#65)。
此外，用振动空间的温度Tb代替暖区温度Th也能取得同样的效果。
斯特林制冷机40的低温侧的温度越低，工作介质的气压越稳定，越利于驱动；同样，高温侧的温度越高，工作介质的气压越稳定，越利于驱动。因此，在刚刚启动之后等的工作介质的气压不稳定的时候，通过线性马达13，可以以较小的冲程驱动活塞1。由此，可以减少活塞1和位移滑块2的碰撞。另外，随着启动后经过一段时间，当工作介质的气压稳定的时候，可以慢慢地增大冲程，以高的制冷能力进行运转。
另外，刚刚启动之后，减小冲程并加速线性马达13的往复运动，使气压尽快稳定，并且也要防止由于冲程变大，往复运动的速度变得过慢而引起的碰撞。
另外，在活塞1和位移滑块2接近到规定的距离以内时，或在检测到发生碰撞时，被切换到前述分级控制。由此，以比之前的驱动电压更低的驱动电压驱动线性马达13，可以恢复到避免碰撞的驱动状态。
目标冲程也可以不从表中提取，而由计算求得。例如，目标冲程Xb可以像式(6)或式(7)那样通过温度Tc、Th的函数表示。若通过式(6)或式(7)计算目标冲程，可以更顺利地调整冲程，并且还可以减少存储部111的数据量。
Xb＝(α1Tc+α2)(α3Th+α4) … (6)Xb＝(β1Tc2+β2Tc+β3)(β4Th2+β5Th+β6) … (7)(α1～α4，β1～β6为常数)下面，对本发明的第6实施方式的斯特林制冷机进行说明。该实施方式通过使用后述的碰撞检测装置，在冲程控制的基础上，能够回避活塞1和位移滑块2相碰撞的危险状态。
在上述的第5实施方式中，微型计算机104使线性马达13的驱动电压逐渐上升，当接近活塞1和位移滑块2有碰撞危险的冲程时，在达到目标冲程前使电压慢慢上升。在这样升高驱动电压的时候，由于不能保持好活塞1和位移滑块2的冲程的平，所以比较容易发生碰撞。因此，若检测碰撞，有必要通过直接减小活塞1的冲程，避开碰撞引起的危险状态。
下面，说明检测这种情况下的碰撞的具体方法。这种方法，是利用若升高驱动电压，线性马达13的消耗电流也增加的特点。首先预测计算线性马达13的等效电路的驱动电压Vt和消耗电流I的关系，当把驱动电压升高到规定值的时候，运算存储碰撞检测电流值A，该碰撞检测电流值A是在预测运算得到的消耗电流值上提高几个百分点得到的。然后，通过电流传感器33测定实际的消耗电流值，并与上述碰撞检测电流值A相比较。当测定值超过碰撞检测电流值A的时候，判定为碰撞，进行危险回避。危险回避的具体方法，将在以后叙述。
另外，在得到活塞1的目标冲程，以一定的驱动电压控制线性马达13的时候，由于活塞1和位移滑块2接近时的间隔非常小，所以即使是负荷或输入电压的微小的变化也有引起碰撞的危险。
对这种情况下的碰撞检测的具体方法进行说明。这种方法，是利用如果活塞1和位移滑块2碰撞，则线性马达13的消耗电流周期性地变化这一特点。即，在活塞1的运动达到目标冲程，并以一定的驱动电压控制线性马达13的时候，通常消耗电流也保持一定，但如果活塞1和位移滑块2发生碰撞，则每次碰撞时电流值都周期性地大幅变动。这时，可以利用这点来判断碰撞。
首先，在得到目标冲程的时刻，检测消耗电流值并进行存储。然后，将其值乘上几个百分点，并运算存储碰撞检测电流变动值B。接着，将稳定时的电流以0.1秒为单位反复测量·存储，用下式运算其每1秒的变动值。
变动值＝1秒中的电流最大值-1秒中的电流最小值将该变动值与碰撞检测电流变动值B进行比较。当变动值超过碰撞检测电流变动值B的时候，判定为碰撞并进行回避处理。此处，上面记载的时间0.1秒、1秒只是一个例子，实际并不局限于此。顺便说一下，这种碰撞检测方法，可以在驱动电压Vt超过规定电压时运用。
使用如上所述的两种碰撞检测方法，进行活塞1和位移滑块2的碰撞检测。此外，如果检测到实际碰撞，则由冲程控制转移到分级控制，从由冲程控制所控制的驱动电压中分级地减小电压，用比规定电压低的驱动电压驱动控制线性马达13。
这个用来减少驱动电压的级数，是一个与暖区的温度Th和冷区的温度Tc有关的函数，基本上设定为，如果暖区的温度Th、冷区的温度Tc变高，则级数变大。表3所示的是一个例子。
表3
此外，也可以用振动空间温度Tb取代暖区温度Th。另外，也可以将级数转换为Th或者Tc的一次函数或二次函数。
如此，当检测到碰撞时，从冲程控制转移到分级控制，通过以一定的级数降低线性马达13的驱动电压，将活塞1的冲程瞬时减小，可以避开由碰撞引起的危险状态，安全地进行驱动控制。
进而，虽然在检测到碰撞的时候从冲程控制转移到了分级控制，但相反地，有必要从分级控制返回到冲程控制。此处，采用依靠时间的方法，采取如下设计从转移到分级控制的时刻开始经过规定的时间(例如20秒后)后，恢复到冲程控制。此外，进行分级控制期间，<p>实施例5在该实施例中，相对粘度为2.4dl/g(采用0.1g/dl的HFIP溶液，在25℃下测量)的聚二噁酮用作第一种聚合物，和相对粘度为1.7dl/g(采用0.2g/dl的氯仿溶液，在25℃下测量)的聚己内酯用作第二种聚合物。根据下表6列出的参数、术语和条件制备鞘/芯型单丝缝合线。根据以上解释的测量物理性能的方法，测量所制备的直径、结头强度、刚度和结头滑动比。
表6加工鞘/芯型共挤塑缝合线的条件
对比例1在该实施例中，相对粘度为1.7dl/g(采用0.2g/dl的氯仿溶液，
Xb’＝k1Xb …(8)如果供给斯特林制冷机40的电压发生变动，则电源部105的输出电压也发生变动。由此，从线性马达驱动用电压输出部101向线性马达13输出的驱动电压，有可能成为与目标冲程不对应的电压。因此，在存储部111中存放有补正电源部105的输出电压的补正数据。例如，在存储部111中存储有与电源部105的输入电压相对应的系数k2的表。
在斯特林制冷机40的驱动时，通过微型计算机104读出表2的目标冲程，并求出与该目标冲程相对应的驱动电压。同时，从存储部111读出与电源部105的输入电压相对应的系数k2，并如式(9)所示的那样补正电源部105的输出电压Vb。然后，被补正的输出电压Vb’被供给到线性马达驱动用电源输出部101，与目标冲程相对应的驱动电压被供给到线性马达13。
Vb’＝k2Vb …(9)另外，如果线性马达13的消耗电流I发生变动，则由于电感L及电阻R(参照图16)的电压降的变化，加在线性马达13上的电压发生变动。由此，有时不能得到所希望的冲程。因此，在存储部111中存放有补正线性马达13的驱动电压的补正数据。例如，存储部111中存储有与消耗电流相对应的系数k3的表。
斯特林制冷机40驱动时，通过微型计算机104读取表2的目标冲程，并求出与目标冲程相对应的驱动电压Vc。同时，根据电流输入部103的输入从存储部111读取系数k3，如式(10)所示的那样补正驱动电压Vc。然后，通过补正后的电压Vc’驱动线性马达13。
Vc’＝k3Vc …(10)上述的系数k1、k2、k3作为表而存放有多个值，但是通过运算求得系数k1、k2、k3的式子也可以存放在存储部111或者ROM121中。
参照图20的流程图对上述结构的斯特林制冷机40的动作进行说明。首先，在步骤#10中，通过温度传感器34、35检测冷区的温度Tc及暖区的温度Th，并经由TcA/D转换部108及ThA/D转换部109向微型计算机104发送。
在步骤#11中，通过微型计算机104，从存储在存储部111中的目标冲程表中，提取与温度Tc、Th相对应的目标冲程Xb。在步骤#12中，从存储在存储部111中的补正系数表中，提取与活塞1和位移滑块2的间隔相对应的补正系数k1。在步骤#13中，根据式(8)补正目标冲程，得到目标的目标冲程Xb’。
在步骤#14中，检测斯特林制冷机40的输入电压(电源部105的输入电压)。在步骤#15中，从存储在存储部111中的补正系数k2的表中，提取与输入电压相对应的补正系数k2。在步骤#16中，根据式(9)补正电源部105的输出电压，并求得稳定输出电压Vb’。
在步骤#17中，通过微型计算机104运算用于以目标冲程进行驱动的驱动电压Vc。在步骤#18中，通过电流传感器33检测线性马达13的消耗电流I，并经由电流值输入部103向微型计算机104输入。
在步骤#19中，从存储在存储部111中的补正系数k3的表中，提取与消耗电流I相对应的补正系数k3。在步骤#20中，根据式(10)，补正从线性马达驱动用电压输出部101输出的驱动电压，并得到不使目标冲程产生异常的驱动电压Vc’。
在步骤#21中，从线性马达驱动用电压输出部101输出驱动电压Vc并施加给线性马达13。在步骤#22中，根据上述式(1)(2)检测活塞1的冲程Xp。在步骤#23中，判断检测出的冲程Xp是否和目标活塞Xb’一致。
当冲程Xp和目标冲程Xb’不一致时，反复进行步骤#14～#23，并根据检测到的冲程Xp再次计算驱动电压Vc(步骤#17)。当冲程Xp和目标冲程Xb’一致时，返回步骤#10，并对应斯特林制冷机40的运转状况的变化，反复进行调整目标冲程的动作。
根据本实施方式，检测活塞1的冲程，并进行冲程控制使其达到目标冲程，由此，避免活塞1和排除器2的碰撞，并且能提高斯特林制冷机40的制冷能力。
另外，由于在存储部111中存储有与斯特林制冷机40的运转状况相对应的目标冲程的表，所以可以用与运转状况相对应的目标冲程驱动线性马达13。因此，避免活塞1和排除器2的碰撞，并且能进一步提高斯特林制冷机40的制冷能力。
另外，由于存储部111和微型计算机104内置的ROM121分开设置，所以减轻微型计算机104的负载，并且能够存放大量的数据。由此，能够存储与各种运转状况相对应的目标冲程，并进行细微的控制。
此外，因为对应于尺寸离散补正目标冲程，所以可以避免由于斯特林制冷机40的个体差异而引起的活塞1和位移滑块2的碰撞，前述尺寸离散是由于斯特林制冷机40的组装误差和零件精度引起的。
另外，因为对应于向斯特林制冷机40供给的电压的变动或线性马达13的消耗电流的变动，通过微型计算机104补正电源部105的输出电压或者线性马达13的驱动电压，所以能以更加稳定的目标冲程驱动线性马达13。
下面，对第8实施方式的斯特林制冷机进行说明。本实施方式的结构和前述图12～图20所示的第5～第7实施方式相同，如表5所示，存储部111中存储的目标冲程的表有所不同。
表5
根据该表，目标冲程是以斯特林制冷机40的启动后经过的时间为变量的一元(线性)表，并随着时间的经过而增加。经过的时间通过计时器123(参照图15)来测量，调整活塞1的冲程以使其达到与经过的时间相对应的目标冲程。在前述图20所示的流程图的步骤#10中，通过由计时器123检测启动后的时间，可以如同第5实施方式那样进行控制。
由此，在刚刚启动之后的不稳定的期间内，在减小目标冲程回避活塞1和位移滑块2的碰撞的同时，也可以增大达到稳定状态的目标冲程，提高冷却能力。进而，刚刚启动之后，根据经过的时间，从表5所示的表中提取目标冲程，在经过规定的时间(例如120秒后)后，根据低温侧和高温侧的温度，从表2所示的表中提取目标冲程，进行更细微的控制。
下面，对本发明的第9实施方式进行说明。图21是表示第9实施方式的斯特林制冷机的动作的流程图。本实施方式是根据斯特林制冷机40的输入电压V及线性马达13的消耗电流I来补正并做成目标冲程表(参照表2)，该表可以随时更新。
首先，在步骤#30中，检测斯特林制冷机40的输入电压V。在步骤#31中，用电流传感器33检测线性马达13的消耗电流I，然后经由电流值输入部103输入到微型计算机104。在步骤#32中，从存放在存储部111中的如表6所示的补正表中，根据输入电压V及消耗电流I，提取基准时的目标冲程Xb’(Im、Vn)。在表6中，在列方向上对应于输入电压V划分为4个阶段；在行方向上对应于消耗电流I划分为4个阶段。例如，若I＝I4、V＝V4，则提取的基准时的目标冲程Xb’(I4、V4)为5.7mm。
表6
基准时的目标冲程Xb’(I、V)，例如可以存储冷区的温度Tc是-15℃、暖区的温度Th是45℃时的目标冲程Xb’(I、V)。
当斯特林制冷机40的输入电压V及线性马达13的消耗电流I变动时，即使从线性马达驱动用电压输出部101(参照图14)，输出与规定的目标冲程Xb对应的驱动电压，也不能以目标冲程Xb驱动活塞1。因此，有必要对应输入电压V及消耗电流I，补正目标冲程Xb。
在步骤#33中，根据基准时的目标冲程Xb’(I、V)，做成与前述表2相同的目标冲程Xb’的表，并存储在存储部111中。即，由于将表2中的Tc＝-15℃、Th＝45℃时的目标冲程值从6.00mm补正到5.7mm，所以做成表7。在表7中，相对于表2所示的目标冲程Xb，各条件下的目标冲程Xb’为相同的比例(95％)。
表7
在步骤#34中，通过温度传感器34、35检测冷区的温度Tc及暖区的温度Th，并经由TcA/D转换部108及ThA/D转换部109向微型计算机104输入。在步骤#35中，通过微型计算机104，从存储在存储部111中的目标冲程Xb’的表(参照图7)中，提取与温度Tc、Th相对应的目标冲程Xb’。
在步骤#36中，根据目标冲程Xb’运算从线性马达驱动用电压输出部101输出的驱动电压Vc。在步骤#37中，从线性马达驱动用电压输出部101输出驱动电压Vc，并施加给线性马达13。在步骤#38中，根据上式(1)(2)检测活塞1的冲程Xp。
在步骤#39中，通过微型计算机104，从存储在存储部111中的目标冲程Xb的表(参照表2)中，提取与温度Tc、Th相对应的目标冲程Xb。在步骤#40中，判断检测到的冲程Xp是否与目标冲程Xb一致。
当冲程Xp和目标冲程Xb不一致时，反复进行步骤#36～#40，并根据检测到的冲程Xp再次计算驱动电压Vc，并驱动线性马达13。当冲程Xp和目标冲程Xb一致时，返回步骤#30，并对应斯特林制冷机40的运转状况的变化，更改目标冲程的Xb’表并反复进行相同动作。
工业实用性如以上说明所述，根据本发明，通过各种信息检测装置、碰撞危险性检测装置及电流控制装置，避免活塞及位移滑块的碰撞，由此，可以防止制冷机的破损。进而，在运转刚刚开始之后等急冷时，在避免碰撞危险性的范围内，能够发挥斯特林制冷机的最大制冷能力。
另外，通过监视从外部电源供给的供给电力的电压值，或监视斯特林发动机的各部分的温度，或监视质量弹簧的振动，来检测异常状态，并停止斯特林制冷机，由此可以防止内部零件的碰撞于未然。
另外，根据本发明，通过检测活塞的冲程，并进行冲程控制以使其达到目标冲程，以此来避免活塞和位移滑块的碰撞，并且还可以提高斯特林制冷机的制冷能力。另外，由于在存储部中存储有与斯特林制冷机的运转状况相对应的目标冲程，所以能够以与运转状况相对应的目标冲程驱动线性马达。因此，能够避免活塞和位移滑块的碰撞，并且进一步提高斯特林制冷机的制冷能力。
此外，由于存储部和微型计算机内置的ROM等分开设置，所以能够减轻微型计算机的负载，并且存放大容量的数据。由此，能够存储与各种运转状况相对应的目标冲程，并能进行细微的控制。
另外，根据本发明，由于存储有与斯特林制冷机启动后的时间相对应的目标冲程、或与斯特林制冷机的低温侧及高温侧的温度相对应的目标冲程，所以，例如，当刚刚启动之后工作介质的气压不稳定的时候，可以以小冲程驱动线性马达，然后根据启动后经过的时间，当工作介质的气压稳定时可以逐渐地增大冲程。所以，能够降低斯特林制冷机启动时的活塞和位移滑块的碰撞，并且能够以高制冷能力进行运转。
此外，根据本发明，由于在存储部中存储有根据斯特林制冷机的尺寸离散来补正目标冲程的补正数据，所以能够避免由于斯特林制冷机的个体差异而引起的活塞和位移滑块的碰撞。
另外，根据本发明，由于根据斯特林制冷机的输入电压、线性马达的消耗电流来补正线性马达的驱动电压，所以能够实现以更稳定的目标冲程来驱动活塞。
此外，根据本发明，由于根据斯特林制冷机的输入电压、线性马达的消耗电流来更改用于补正线性马达的驱动电压的补正数据，所以能够实现以更高精度的目标冲程来驱动活塞。
权利要求
1.一种斯特林发动机，其特征在于，具有活塞、位移滑块、膨胀室及压缩室、第1温度检测装置、第2温度检测装置、输入电流检测装置、碰撞危险性检测装置，上述活塞嵌装在填充了工作气体的气缸内，由驱动装置驱动并进行往复运动；上述位移滑块在前述气缸内与前述活塞嵌装在同轴上，接受由前述活塞往复运动产生的力并与前述活塞具有相位差地进行往复运动；上述膨胀室及压缩室以两者之间隔着前述位移滑块的方式在前述气缸内被划分形成；上述第1温度检测装置检测前述膨胀室的温度；上述第2温度检测装置检测前述压缩室的温度；上述输入电流检测装置检测用于驱动前述活塞的输入电流；上述碰撞危险性检测装置，根据由前述第1和第2温度检测装置检测出的温度以及由前述输入电流检测装置检测出的输入电流，检测前述活塞及前述位移滑块的至少一方的碰撞危险性。
2.如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于，备有电流控制装置，当由前述温度检测装置及输入电流检测装置检测出的温度及输入电流被前述检测装置判断为小于预先确定的基准值时，该电流控制装置使供给前述驱动装置的输入电流增加；当判断为在预先确定的基准值以上时，该电流控制装置不使输入电流进一步增加。
3.一种斯特林发动机，其特征在于，备有活塞、位移滑块、压缩室、膨胀室、逆变电源电路、碰撞危险性检测装置、逆变电源电路控制装置，前述活塞嵌装在气缸内，由驱动装置驱动进行往复运动；前述位移滑块嵌装在前述气缸内，与前述活塞具有相位差地进行往复运动；前述压缩室被划分形成于前述活塞及位移滑块之间；前述膨胀室隔着前述位移滑块位于与前述压缩室相反的一侧；前述逆变电源电路向前述驱动装置供给电力；前述碰撞危险性检测装置，检测前述位移滑块与前述活塞及前述气缸的封闭端的任何一方碰撞的碰撞危险性；前述逆变电源电路控制装置，根据由前述碰撞危险性检测装置检测的信息，控制由前述逆变电源电路向前述驱动装置供给的电力。
4.如权利要求3所述的斯特林发动机，其特征在于，前述碰撞危险性检测装置，是检测向前述逆变电源电路所输入的电力的电压的电源电压检测装置。
5.如权利要求4所述的斯特林发动机，其特征在于，前述电源电压检测装置由比较器构成。
6.如权利要求4所述的斯特林发动机，其特征在于，前述电源电压检测装置由模拟放大器构成。
7.如权利要求3～6的任一项所述的斯特林发动机，其特征在于，前述碰撞危险性检测装置，是检测前述膨胀室内的温度的第1温度检测装置，和检测前述压缩室内的温度的第2温度检测装置。
8.如权利要求3～6的任一项所述的斯特林发动机，其特征在于，前述碰撞危险性检测装置，是检测背压室内的温度的温度检测装置，该背压室隔着前述活塞，位于前述压缩室的相反一侧。
9.如权利要求3所述的斯特林发动机，其特征在于，还具有壳体、平衡质量、平衡质量振动检测装置，上述壳体保持固定前述气缸；上述平衡质量安装于前述壳体上，并吸收因前述活塞及位移滑块的往复运动而产生的前述壳体的振动；前述平衡质量振动检测装置检测前述平衡质量的振动，前述碰撞危险性检测装置是前述平衡质量振动检测装置。
10.如权利要求9所述的斯特林发动机，其特征在于，前述平衡质量振动检测装置是检测前述平衡质量距离中心位置的振幅的光传感器。
11.如权利要求9所述的斯特林发动机，其特征在于，前述平衡质量振动检测装置是通过与前述平衡质量接触来检测其位置的接触传感器。
12.一种斯特林发动机，是具有于封入有工作气体的气缸内往复运动的活塞及位移滑块、和使前述活塞移动的线性马达而成的自由活塞型的斯特林发动机，其特征在于，具有冲程检测装置、控制装置，上述冲程检测装置检测活塞的冲程；上述控制装置控制上述线性马达的驱动，以通过比较由该冲程检测装置检测到的冲程与目标冲程，而使活塞的冲程达到目标冲程。
13.一种斯特林发动机，是具有于封入有工作气体的气缸内往复运动的活塞及位移滑块、和使前述活塞移动的线性马达而成的自由活塞型斯特林发动机，其特征在于，具有下述控制装置将与斯特林发动机的运转状况相对应的活塞的目标冲程作为工作表来存储，并根据该工作表来控制前述线性马达的驱动。
14.如权利要求12所述的斯特林发动机，其特征在于，前述控制装置，将与制冷机的运转状况相对应的活塞的目标冲程作为工作表进行存储，并根据该工作表控制前述线性马达的驱动。
15.如权利要求12所述的斯特林发动机，其特征在于，前述目标冲程通过斯特林发动机的低温侧和高温侧的温度的函数式计算并设定。
16.如权利要求12所述的斯特林发动机，其特征在于，由向线性马达施加的电压Vt、线性马达的消耗电流I、线性马达的电感L、线性马达的电阻R、前述施加电压Vt和消耗电流I的相位差θ，利用运算式Vg＝Vt-RIcosθ-Lsinθ·dI/dt求得反电动势Vg，由于反电动势Vg是活塞的冲程Xp的函数，故由前述冲程检测装置进行的活塞的冲程检测，通过计算求得冲程Xp。
17.如权利要求16所述的斯特林发动机，其特征在于，当斯特林发动机的负荷较小时，前述的相位差近似于θ≈0，所以将线性马达的电阻R作为相位差θ的函数，可以将上述运算式简化为Vg＝Vt-R(θ)I。
18.如权利要求17所述的斯特林发动机，其特征在于，前述相位差θ，作为斯特林发动机的低温侧和高温侧的温度的函数，由计算求得。
19.如权利要求13或14所述的斯特林发动机，其特征在于，前述工作表，是以从斯特林发动机的启动开始经过的时间为变量的1元表。
20.如权利要求13或14所述的斯特林发动机，其特征在于，前述工作表，是以斯特林发动机的低温侧和高温侧的温度为变量的2元表。
21.如权利要求13或14所述的斯特林发动机，其特征在于，前述工作表，由以从斯特林发动机的启动开始经过的时间为变量的1元表，和以斯特林发动机的低温侧和高温侧的温度为变量的2元表两个表构成，对应于斯特林发动机的运转状态选择一个。
22.如权利要求12所述的斯特林发动机，其特征在于，设有检测前述活塞和前述位移滑块的碰撞的碰撞检测装置，当该碰撞检测装置检测到碰撞时，前述控制装置使前述线性马达的驱动电压降低规定值。
23.如权利要求22所述的斯特林发动机，其特征在于，由前述碰撞检测装置进行的碰撞检测，通过检测当向线性马达施加的电压上升规定值时、线性马达的消耗电流超过规定值而求得。
24.如权利要求22所述的斯特林发动机，其特征在于，由前述碰撞检测装置进行的碰撞检测，通过检测当向线性马达施加的电压为一定时、线性马达的消耗电流的变动值超过规定值而求得。
25.如权利要求22～25的任一项所述的斯特林发动机，其特征在于，前述控制装置使前述线性马达的驱动电压所降低的的规定值，通过斯特林发动机的低温侧和高温侧的温度的函数式计算并设定。
26.如权利要求22～25的任一项所述的斯特林发动机，其特征在于，从检测到碰撞经过规定的时间后，恢复到基于目标冲程的线性马达的驱动控制。
27.如权利要求12～15的任一项所述的斯特林发动机，其特征在于，存储与前述活塞和位移滑块的间隔相对应的活塞的目标冲程的补正数据表，并根据各个制冷机的前述间隔通过前述补正数据表来补正目标冲程。
28.如权利要求12～15的任一项所述的斯特林发动机，其特征在于，存储与斯特林发动机的输入电压或者线性马达的消耗电流相对应的活塞的目标冲程的补正数据，并根据前述输入电压或者前述消耗电流的变动，利用前述补正数据来补正目标冲程。
全文摘要
通过检测活塞(1)的冲程，并进行冲程控制以使其达到目标冲程，以此来避免活塞(1)和位移滑块(2)的碰撞，并且可以提高斯特林制冷机(40)的制冷能力。另外，由于在控制盒(30)的存储部(111)中存储有与斯特林制冷机(40)的运转状况相对应的目标冲程，所以能够以与运转状况相对应的目标冲程驱动线性马达(13)。因此，能够避免活塞(1)和位移滑块(2)的碰撞，并且进一步提高斯特林制冷机(40)的制冷能力。
文档编号F02G1/043GK1623068SQ0282834
公开日2005年6月1日 申请日期2002年12月24日 优先权日2001年12月26日
发明者清水克美, 西直纪, 村上治彦, 细野俊昭 申请人:夏普株式会社