JP3177460B2 - リニアコンプレッサの駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はリニアコンプレッ
サの駆動装置に関し、特に、リニアモータによってシリ
ンダ内でピストンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリ
ニアコンプレッサの駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷蔵庫のような冷却装置におい
て、冷媒ガスを圧縮する機構としてリニアコンプレッサ
の開発が進められている。このリニアコンプレッサで
は、リニアモータと共振用機械バネによってピストンが
駆動されガス圧縮が行なわれる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなリニアコン
プレッサでは、ガスの吸込・圧縮・吐出に伴う非線形な
力（ガスバネ力）が圧縮室内で発生し、かつその非線形
な力は起動時などにおける負荷変動によって変動する。

【０００４】しかし、従来のリニアコンプレッサでは、
リニアモータの推力を制御する手段が何ら設けられてお
らず、負荷変動があっても一定の電力をリニアモータに
供給していたので、入力エネルギに対する出力エネルギ
の比率（以下、効率という）が低かった。また、高効率
化のため、リニアモータのコイルに印加する電圧を負荷
変動に応じて制御する方法も研究されているが満足でき
るものではない。

【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、高
い効率が得られるリニアコンプレッサの駆動装置を提供
することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
リニアモータによってシリンダ内でピストンを往復運動
させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装置
であって、電源、位置指令手段、位置検出手段、速度指
令手段、速度検出手段、電流指令手段、電流検出手段、
電流制御手段、周波数調整手段、および振幅調整手段を
備える。電源は、リニアモータを駆動させるために設け
られ、その出力電流は制御可能になっている。位置指令
手段は、正弦関数に従ってピストンのシリンダ内におけ
る位置を指令する。位置検出手段は、ピストンのシリン
ダ内における位置を検出する。速度指令手段は、位置指
令手段によって指令された位置と位置検出手段によって
検出された位置との差に基づいてピストンの速度を指令
する。速度検出手段は、ピストンの速度を検出する。電
流指令手段は、速度指令手段によって指令された速度と
速度検出手段によって検出された速度との差に基づいて
電源の出力電流を指令する。電流検出手段は、電源の出
力電流を検出する。電流制御手段は、電流検出手段によ
って検出された電流が電流指令手段によって指令された
電流に一致するように電源の出力電流を制御する。周波
数調整手段は、速度検出手段によって検出されたピスト
ンの速度と電流指令手段によって指令された電源の出力
電流との位相差を検出し、その位相差がなくなるように
位置指令手段で用いられる正弦関数の周波数を調整す
る。振幅調整手段は、位置指令手段で用いられる正弦関
数の振幅を圧縮ガスの必要量に応じて調整する。

【０００７】請求項２に係る発明では、請求項１に係る
発明の圧縮ガスは対象物の冷却に使用され、圧縮ガスの
必要量は、対象物の温度と予め定められた目標温度との
偏差によって表わされる。

【０００８】

【発明の実施の形態】

［実施の形態１］図１は、この発明の実施の形態１によ
るリニアコンプレッサ１の駆動装置２の構成を示すブロ
ック図である。

【０００９】図１において、この駆動装置２は、電源
３、電流センサ４、位置センサ５および制御装置６を含
む。電源３は、リニアコンプレッサ１のリニアモータに
駆動電流Ｉを供給する。電流センサ４は、電源３の出力
電流の現在値Ｉｎｏｗを検出する。位置センサ５は、リ
ニアコンプレッサ１のピストンの位置現在値Ｐｎｏｗを
直接または間接的に検出する。制御装置６は、電流セン
サ４で検出された電流現在値Ｉｎｏｗと位置センサ５で
検出された位置現在値Ｐｎｏｗと、冷蔵庫内の温調装置
（図示せず）から与えられる庫内目標温度Ｔｒｅｆと庫
内温度Ｔｎｏｗの偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｎｏｗとに基
づいて電源３に制御信号φｃを出力し、電源３の出力電
流Ｉを制御する。

【００１０】図２は、リニアコンプレッサ１の構成を示
す断面図である。図２において、このリニアコンプレッ
サ１は、円筒状のケーシング１０の上端部および下端部
にそれぞれ設けられた２つのシリンダ１１ａ，１１ｂ
と、シリンダ１１ａ，１１ｂ内にそれぞれ嵌装された２
つのピストン１２ａ，１２ｂと、それぞれピストン１２
ａ，１２ｂのヘッドに面して形成された２つの圧縮室１
３ａ，１３ｂと、それぞれ圧縮室１３ａ，１３ｂ内のガ
ス圧に応じて開閉する２組の吸込バルブ１４ａ，１４ｂ
および吐出バルブ１５ａ，１５ｂとを備える。

【００１１】２つのピストン１２ａ，１２ｂはそれぞれ
１本のシャフト１６の一方端部および他方端部に設けら
れている。シャフト１６は、２組のリニアボールベアリ
ング１７ａ，１７ｂおよびコイルバネ１８ａ，１８ｂに
よって、ケーシング１０およびシリンダ１１ａ，１１ｂ
内を往復動自在に支持されている。ピストン１２ａ，１
２ｂのヘッドの裏側とシリンダ１１ａ，１１ｂによって
形成される空間には、不可逆性圧縮を防止するためのガ
スリーク孔１９ａ，１９ｂが設けられている。

【００１２】また、リニアコンプレッサ１は、シャフト
１６およびピストン１２ａ，１２ｂを往復動させるため
のリニアモータ２０を備える。リニアモータ２０は、制
御性の高いボイスコイルモータであって、ヨーク部１０
ａおよび永久磁石２１を含む固定部と、コイル２３およ
び円筒状の支持部材２４を含む可動部とを備える。ヨー
ク部１０ａは、ケーシング１０の一部を構成している。
永久磁石２１は、ヨーク部１０ａの内周壁に設けられ
る。支持部材２４の一方端部は永久磁石２１とシリンダ
１１ｂの外周壁の間に往復動自在に挿入され、その他方
端部はシャフト１６の中央部に固定される。コイル２３
は、支持部材の一方端部において永久磁石２１に対向し
て設けられる。電源３とコイル２４は、コイルバネ状の
電線２５を介して接続される。

【００１３】このリニアコンプレッサ１は、ピストン１
２ａ，１２ｂ、シャフト１６、コイル２３および支持部
材２４の重量、圧縮室１３ａ，１３ｂ内のガスのバネ定
数、コイルバネ１８ａ，１８ｂのバネ定数などから定ま
る共振周波数を有する。この共振周波数でリニアモータ
２０を駆動させることにより、上下２つの圧縮室１３
ａ，１３ｂで圧縮ガスを高効率で生成できる。

【００１４】電源３からリニアモータ２０のコイル２３
に駆動電流Ｉが供給されると、コイル２３と永久磁石２
１の間に電磁力が働き、シャフト１６およびピストン１
２ａ，１２ｂが往復動する。このピストン１２ａ，１２
ｂの往復動により、冷媒ガスが吸込バルブ１４ａ，１４
ｂを介して圧縮室１３ａ，１３ｂに交互に吸込まれ、圧
縮室１３ａ，１３ｂで生成された圧縮ガスが吐出バルブ
１５ａ，１５ｂを介して交互に吐出される。

【００１５】図３は、図１で示した制御装置６の構成を
示すブロック図である。図３において、この制御装置６
は、Ｐ−Ｖ変換部３０、位置指令部３１、３つの減算器
３２，３４，３６、位置制御部３３、速度制御部３５、
電流制御部３７および位相制御部３８を含む。Ｐ−Ｖ変
換部３０は、位置センサ５によって検出された位置現在
値Ｐｎｏｗを微分して速度現在値Ｖｎｏｗを求める。

【００１６】位置指令部３１は、上記温度偏差ΔＴと表
１とに基づいて容量制御率を求める。容量制御率は、リ
ニアコンプレッサ１の出力の最大出力に対する割合
（％）で示される。リニアコンプレッサ１では、出力は
ピストン１２ａ，１２ｂのストロークに比例する。たと
えば温度偏差が２℃以上の場合は容量制御率は１００％
になり、温度偏差が−５℃以下の場合は容量制御率は０
％になる。さらに、位置指令部３１は、その容量制御率
に基づいてピストン１２ａ，１２ｂのストロークすなわ
ち振幅Ａを求め、この振幅Ａと、角周波数ωと、数式Ｐ
ｒｅｆ＝Ａ＊ｓｉｎωｔとに基づいて位置指令値Ｐｒｅ
ｆを生成し、生成した位置指令値Ｐｒｅｆを減算器３２
に与える。

【００１７】

【表１】

【００１８】減算器３２は、位置指令部３１から与えら
れた位置指令値Ｐｒｅｆと位置センサ５によって検出さ
れた位置現在値Ｐｎｏｗとの差Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗを演
算し、演算結果Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗを位置制御部３３に
与える。

【００１９】位置制御部３３は、数式Ｖｒｅｆ＝Ｇｖ＊
（Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗ）（ただし、Ｇｖは制御ゲインで
ある）に基づいて速度指令値Ｖｒｅｆを演算し、演算結
果Ｖｒｅｆを減算器３４に与える。減算器３４は、位置
制御部３３から与えられた速度指令値ＶｒｅｆとＰ−Ｖ
変換部３０で生成された速度現在値Ｖｎｏｗとの差Ｖｒ
ｅｆ−Ｖｎｏｗを演算し、演算結果Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏｗ
を速度制御部３５に与える。

【００２０】速度制御部３５は、数式Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ＊
（Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏｗ）（ただし、Ｇｉは制御ゲインで
ある）に基づいて電流指令値Ｉｒｅｆを演算し、演算結
果Ｉｒｅｆを減算器３６に与える。減算器３６は、速度
制御部３５から与えられた電流指令値Ｉｒｅｆと電流セ
ンサ４によって検出された電流現在値Ｉｎｏｗとの差Ｉ
ｒｅｆ−Ｉｎｏｗを演算し、演算結果Ｉｒｅｆ−Ｉｎｏ
ｗを電流制御部３７に与える。

【００２１】電流制御部３７は、減算器３６の出力Ｉｒ
ｅｆ−Ｉｎｏｗが０になるように制御信号φｃを電源３
に与えて電源３の出力電流Ｉを制御する。電源３の出力
電流Ｉの制御は、たとえばＰＷＭ方式あるいはＰＡＭ方
式で行なわれる。

【００２２】位相制御部３８は、図４に示すように、ゼ
ロ点検出部４１，４２、位相差検出部４３、周波数制御
部４４、ピーク値検出部４５，４６、減算器４７および
ゲイン制御部４８を含む。

【００２３】ゼロ点検出部４１は、Ｐ−Ｖ変換部３０で
生成された速度現在値Ｖｎｏｗのゼロクロス点を検出す
る。ゼロ点検出部４２は、速度制御部３５から与えられ
た電流指令値Ｉｒｅｆのゼロクロス点を検出する。ゼロ
点検出部４１は、たとえば、速度現在値Ｖｎｏｗよりも
十分に小さな周期で速度現在値Ｖｎｏｗをサンプリング
し、前回のサンプリング値と今回のサンプリング値の積
が負の値であり、かつ今回のサンプリング値が正の値で
あることを検出することにより、速度現在値Ｖｎｏｗが
ゼロクロス点を通過したことを検出する。ゼロ点検出部
４２も同様である。

【００２４】位相差検出部４３は、ゼロ点検出部４１で
検出された速度現在値Ｖｎｏｗのゼロクロス点とゼロ点
検出部４２で検出された電流指令値Ｉｒｅｆのゼロクロ
ス点とに基づいて、速度現在値Ｖｎｏｗと電流指令値Ｉ
ｒｅｆの位相差を検出する。周波数制御部４４は、位相
差検出部４３で検出された速度現在値Ｖｎｏｗと電流指
令値Ｉｒｅｆの位相差がなくなるように、位置指令部３
１で用いられる数式Ｐｒｅｆ＝Ａ＊ｓｉｎωｔの角周波
数ωを調整する。

【００２５】ピーク値検出部４５は、位相差検出部４３
で検出された速度現在値Ｖｎｏｗと電流指令値Ｉｒｅｆ
の位相差と位置指令部３１で演算された位置指令値Ｐｒ
ｅｆとを受け、位相差がゼロのときの位置指令値Ｐｒｅ
ｆのピーク値を検出する。ピーク値検出部４６は、位相
差検出部４３で検出された速度現在値Ｖｎｏｗと電流指
令値Ｉｒｅｆの位相差と位置センサ５で検出された位置
現在値Ｐｎｏｗとを受け、位相差がゼロのときの位置現
在値Ｐｎｏｗのピーク値を検出する。

【００２６】減算器４７は、ピーク値検出部４５で検出
された位置指令値Ｐｒｅｆのピーク値とピーク値検出部
４６で検出された位置現在値Ｐｎｏｗのピーク値との差
を演算する。ゲイン制御部４８は、減算器４７の演算値
がゼロになるように、速度制御部３５で用いられる数式
Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ＊（Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏｗ）の制御ゲイン
Ｇｉを調整する。

【００２７】図５は、図３および図４で示した制御装置
６の動作を示すフローチャートである。このフローチャ
ートに従って、図１〜図４で示したリニアコンプレッサ
１およびその駆動装置２の動作について簡単に説明す
る。

【００２８】まずステップＳ１において、位置指令部３
１によって庫内目標温度Ｔｒｅｆと庫内温度Ｔｎｏｗの
偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｎｏｗに基づいて位置指令値Ｐ
ｒｅｆの振幅Ａが算出される。

【００２９】次いでステップＳ２において、位置指令部
３１で位置指令値Ｐｒｅｆが生成され、位置制御部３３
で速度指令値Ｖｒｅｆが生成され、速度制御部３５で電
流指令値Ｉｒｅｆが生成される。リニアモータ２０のコ
イル２３に電流が供給されると、リニアモータ２０の可
動部が往復運動を開始し、これによって圧縮ガスの生成
が開始される。

【００３０】ステップＳ３において、位置センサ５によ
って位置現在値Ｐｎｏｗが検出され、検出された位置現
在値ＰｎｏｗはＰ−Ｖ変換部３０、減算器３２および位
相制御部３８に与えられる。ステップＳ４において、位
置制御部３３によって速度指令値Ｖｒｅｆ＝Ｇｖ＊（Ｐ
ｒｅｆ−Ｐｎｏｗ）が演算され、ステップＳ５におい
て、Ｐ−Ｖ変換部３０によって位置現在値Ｐｎｏｗが速
度現在値Ｖｎｏｗに変換される。速度現在値Ｖｎｏｗは
減算器３４および位相制御部３８に与えられる。

【００３１】ステップＳ６において、速度制御部３５に
よって電流指令値Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ＊（Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏ
ｗ）が演算され、この演算値Ｉｒｅｆは減算器３６およ
び位相制御部３８に与えられる。電流制御部３７は、電
流現在値Ｉｎｏｗが電流指令値Ｉｒｅｆに一致するよう
に電源３を制御する。

【００３２】ステップＳ７において、ゼロ点検出部４
１，４２によって速度現在値Ｖｎｏｗおよび電流指令値
Ｉｒｅｆのゼロクロス点が検出され、さらに位相差検出
部４３によって速度現在値Ｖｎｏｗと電流指令値Ｉｒｅ
ｆの位相差が検出される。

【００３３】ステップＳ８において、周波数制御部４４
によって速度現在値Ｖｎｏｗと電流指令値Ｉｒｅｆの位
相差がゼロになるように、位置指令値Ｐｒｅｆの角周波
数ωが制御される。速度現在値Ｖｎｏｗと電流指令値Ｉ
ｒｅｆの位相差がゼロになったことに応じて、ピーク値
検出部４５，４６がそれぞれ位置指令値Ｐｒｅｆのピー
ク値（目標値）および位置現在値Ｐｎｏｗのピーク値を
検出する。ゲイン制御部４８は、位置現在値Ｐｎｏｗの
ピーク値が目標値に等しいか否かをチェックする。

【００３４】ゲイン制御部４８は、ステップＳ８におい
て位置現在値Ｐｎｏｗのピーク値が目標値よりも小さい
場合は制御ゲインＧｉを大きくし、ステップＳ９におい
て位置現在値Ｐｎｏｗのピーク値が目標値よりも大きい
場合は制御ゲインＧｉを小さくする。

【００３５】ステップＳ７〜Ｓ１０は、位置現在値Ｐｎ
ｏｗのピーク値が目標値に一致するまで繰返される。ス
テップＳ１０において、位置現在値Ｐｎｏｗのピーク値
が目標値に一致した場合は再びステップＳ１に戻る。

【００３６】以後、ステップＳ１〜Ｓ１１が繰返され
て、リニアコンプレッサ１の運転状態は急速に安定す
る。また、起動後に負荷変動や庫内目標温度Ｔｒｅｆの
変更があった場合でも、それに合わせてリニアモータ２
０の推力すなわち駆動電流Ｉが直接かつ適切に制御さ
れ、高い効率が得られる。

【００３７】なお、この実施の形態では、この発明が冷
蔵庫用のリニアコンプレッサ１に適用された場合につい
て説明したが、これに限るものではなく、どのような用
途のリニアコンプレッサ１にも適用可能であることはい
うまでもない。たとえばエアコン用のリニアコンプレッ
サ１にも有効である。ただし、この場合は、室内目標温
度Ｔｒｅｆと室内温度Ｔｎｏｗの偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−
Ｔｎｏｗに基づいて、リニアコンプレッサ１が制御され
る。

【００３８】また、この実施の形態では、位置センサ４
によって位置現在値Ｐｎｏｗを検出し、その検出値を微
分して速度現在値Ｖｎｏｗを求めたが、位置センサ４の
代わりに速度センサを設け、その検出値Ｖｎｏｗを積分
して位置現在値Ｐｎｏｗを求めてもよい。また、位置セ
ンサ４および速度センサの両方を設けてもよい。

【００３９】また、この実施の形態では、位相制御部３
８が位置制御部３３の制御ゲインＧｖと速度制御部３５
の制御ゲインＧｉのうちの制御ゲインＧｉのみを調整し
たが、それらのうちの制御ゲインＧｖのみを調整しても
よいし、それらの両方を調整してもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る発明で
は、位置制御、速度制御および電流制御よりなる多重制
御構成を採用するとともに、位置指令手段で用いられる
正弦関数の振幅を圧縮ガスの必要量に応じて調整する。
したがって、負荷状況に合わせてリニアモータの推力を
直接かつ適切に制御することができ、高効率化を図るこ
とができる。

【００４１】請求項２に係る発明では、圧縮ガスは対象
物の冷却に使用され、圧縮ガスの必要量は、対象物の温
度と予め定められた目標温度との偏差によって表わされ
る。したがって、対象物を目標温度に精度よく冷却する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１によるリニアコンプレ
ッサの駆動装置の構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示したリニアコンプレッサの構成を示す
断面図である。

【図３】図１に示した制御装置の構成を示すブロック図
である。

【図４】図３に示した位相制御部の構成を示すブロック
図である。

【図５】図３に示した制御装置の動作を示すフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１ リニアコンプレッサ ２ 駆動装置 ３ 電源 ４ 電流センサ ５ 位置センサ ６ 制御装置 １１ａ，１１ｂ シリンダ １２ａ，１２ｂ ピストン ２０ リニアモータ ３０ Ｐ−Ｖ変換部 ３１ 位置指令部 ３２，３４，３６，４７ 減算器 ３３ 位置制御部 ３５ 速度制御部 ３７ 電流制御部 ３８ 位相制御部 ４１，４２ ゼロ点検出部 ４３ 位相差検出部 ４４ 周波数制御部 ４５，４６ ピーク値検出部 ４８ ゲイン制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−57009（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−3984（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−25382（ＪＰ，Ａ) 米国特許5535593（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F04B 35/04 F04B 49/06 341 H02P 7/00 101

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リニアモータによってシリンダ内でピス
   トンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレ
   ッサの駆動装置であって、 前記リニアモータを駆動させるための出力電流の制御が
   可能な電源、 正弦関数に従って前記ピストンの前記シリンダ内におけ
   る位置を指令する位置指令手段、 前記ピストンの前記シリンダ内における位置を検出する
   ための位置検出手段、 前記位置指令手段によって指令された位置と前記位置検
   出手段によって検出された位置との差に基づいて前記ピ
   ストンの速度を指令する速度指令手段、 前記ピストンの速度を検出するための速度検出手段、 前記速度指令手段によって指令された速度と前記速度検
   出手段によって検出された速度との差に基づいて前記電
   源の出力電流を指令する電流指令手段、 前記電源の出力電流を検出するための電流検出手段、 前記電流検出手段によって検出された電流が前記電流指
   令手段によって指令された電流に一致するように前記電
   源の出力電流を制御する電流制御手段、 前記速度検出手段によって検出された前記ピストンの速
   度と前記電流指令手段によって指令された前記電源の出
   力電流との位相差を検出し、その位相差がなくなるよう
   に前記位置指令手段で用いられる前記正弦関数の周波数
   を調整する周波数調整手段、および前記位置指令手段で
   用いられる前記正弦関数の振幅を前記圧縮ガスの必要量
   に応じて調整する振幅調整手段を備える、リニアコンプ
   レッサの駆動装置。
2. 【請求項２】 前記圧縮ガスは対象物の冷却に使用さ
   れ、 前記圧縮ガスの必要量は、前記対象物の温度と予め定め
   られた目標温度との偏差によって表わされる、請求項１
   に記載のリニアコンプレッサの駆動装置。