JP3413658B2 - 自由ピストン圧縮機のピストン位置の測定方法及び装置 - Google Patents
自由ピストン圧縮機のピストン位置の測定方法及び装置Info
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Description
詳細には、冷凍において使用される圧縮機の往復動ピス
トンの位置の検知に関する。
式電気モーターとクランク機構によって駆動される。圧
縮機ピストンにおける合成高横力のために、ピストン/
シリンダー界面の油潤滑が必要とされる。こうして、冷
凍剤は、油と融和性がなければならず、機構における摩
擦からのパワー損失が認められる。オゾン減耗CFCに置
き換わる冷凍剤の探求において、油融和性は、実質的な
制限となる。
をむだにする。このため、クランク機構を除去するリニ
ア動作モーターで圧縮機ピストンを駆動することは、都
合が良く、ピストンにおける横力を非常に小さな値に低
減させ、これにより、油の必要性を除去し、ピストンシ
リンダー界面のガスベアリングの使用を可能にする。ガ
スベアリングは、非常に小さな摩擦パワー損失を有し、
実際に摩耗がない。米国特許4、602、174において開示
された設計の如く、高効率永久磁石リニアモーターの出
現は、圧縮機におけるリニアモーターによる回転式モー
ターの置き換えを実現可能にする。しかし、そのような
置き換えは、それが行われるならば、クランク機構によ
って課せられたピストン動作における硬直な制約がもは
や存在しないために、問題を提示する。直線往復装置
は、定置部分と往復動部分の衝突以外に、固有の制限を
有さない。
は、ピストンに作用するガス力による平均位置を取り、
そして平均位置の回りで往復動作する。ガス力が変化す
る時、平均位置成分と交互位置成分の両方が変化する。
ピストン位置を検出し、モーターに印加された電圧を制
御するフィードバックループにおける検出位置を使用す
る手段がなしでは、ピストンが、シリンダーヘッドを打
ち、不快な雑音を発生させ、圧縮機を損傷することがあ
る。ピストン位置を測定するための別の強制的な理由
は、そのような測定が、変化する要求に応答して、圧縮
機を通してポンピングされる質量流量率を制御するため
に使用されることである。冷凍機圧縮機において、変化
する環境温度に応答した流量率の制御は、冷凍サイクル
の熱力学効率を大きく改良する。
して質量流量率を制御する目的のためには、一つの特定
のピストン位置、即ちシリンダーヘッドに最接近したピ
ストン位置が、とりわけ重要である。この特殊な位置
は、多数の形式の位置センサー、例えば、渦電流発生に
基づいた光検出器又は接近センサーによって決定され
る。そのようなセンサーの使用は、費用をつり上げ、信
頼性を落とし、重大な設置問題、特に、冷凍機圧縮機の
場合に圧力槽の壁に数本のワイヤを通過させる必要性を
創設する。
接近したピストン位置を測定する方法である。それは、
既知のリニアモーター特性と既知のピストン動作力学に
基づいて最接近したピストン位置を決定するために、デ
ジタル又はアナログ計算装置への入力として、圧縮機の
外部で作られたモーター電圧及び電流の測定値を使用す
る。
モーターに印加された電圧の測定値とモーターを流れる
電流の測定値から計算され、計算は、既知のリニアモー
ター特性に基づく。
ログ又はデジタル積分によりピストン速度から導出され
る。平均ピストン変位は、この計算によって回復されな
い。
プル値、ピストン位置の交互成分、及びピストン加速度
から計算される。この計算は、既知のピストン動作力学
に基づく。ピストン加速度は、アナログ又はデジタル微
分によってピストン速度から導出される。
るために、平均ピストン変位が、最接近したピストン変
位の交互成分値に加算され、この値は、ピストンが上死
点にある時、即ち、ピストン速度がゼロであり、ヘッド
方向からヘッド離反方向に方向が変化する時、ピストン
位置の交互成分をサンプルすることにより獲得される。
駆動される自由ピストン圧縮機の断面図である。
気回路である。
態様の配線略図である。
ために発明が使用される様子を例示するブロック図であ
る。
する際に、特定の専門用語が、明確性のために使用され
る。しかし、発明は、そのように選択される特定用語に
限定されないことが意図され、各特定用語は、同様の目
的を達成するために同様の方式で動作するすべての技術
的等価物を包含することが理解される。例えば、語連結
又は類似用語が、しばしば使用される。それらは、直接
の連結に限定されず、そのような連結が技術における当
業者により等価として認識される他の回路要素による連
結をも含む。
によって連結された磁石4における力に応答して、シリ
ンダー2において往復動作する。磁石における力は、巻
線5における電流Iによって設定された磁界により生ず
る。ピストン動作は、ピストン1をニュートン/メート
ルで表されたバネ定数Kを有するバネ6にリンクするヨ
ークによって伝達される。
部空間10の下側部における圧力である「吸引圧力」での
ガス又は蒸気が、逆止め弁7を通してシリンダーに引き
込まれる。ピストンの上方動作中、ガス又は蒸気は、シ
リンダーにおける圧力が、「放出圧力」、即ち、放出管
11における圧力を超えるまで、初期的に圧縮され、この
超過した時点において、逆止め弁8が開き、ガス又は蒸
気は、ピストンの上方動作を続けることにより放出管に
押し入れられる。
めに、ピストンの上面は、一般に往復動シイクルでゼロ
に平均化されない時変圧力を受ける。ピストンにおける
平均圧力は、バネ6の平均圧縮によって生じた等しい反
対方向のバネ力によって反作用される。このため、交流
電圧Vが巻線5の端子に印加される時、ピストンは、ガ
ス力とKによって決定された平均位置の回りで往復動作
する。
ち、シリンダーヘッドから最小分離である時、シリンダ
ーにおける固定点に関してピストン位置を測定すること
である。これを達成するために、ピストン変位の平均成
分が測定され、上死点における交互成分に加算されなけ
ればならない。発明の一層の目的は、リニアモーター電
圧Vと電流Iの測定値のみを使用して、その主な目的を
達成することである。
に比例する信号と、第2図に示されたリニアモーターの
等価回路に基づいた計算から、vによって表記されるピ
ストン速度を決定することである。リニアモーターに
は、単位ピストン速度v当たりに巻線5において誘導さ
れた電圧又は単位I当たりの磁石4に及ぼされた力のい
ずれかを表すαによって表記された電気機械伝達定数が
関連される。αの単位は、(ニュートンメートル)/
(アンペア秒)である規定電圧単位と同一であることを
示されたをボルト秒/メートル又はニュートン/アンペ
アである。
り、そしてRは、その抵抗である。等価回路は、αの定
義と電気回路のKirchoffの法則から導かれる。等価回路
により、 (1) v=(1/α)(V−L(dI/dt)−IR) である。α、LとRが特定モーターの既知量であるため
に、vは、方程式(1)と、従来のアナログ又はデジタ
ル計算によりVとIに比例する信号から決定される。v
から、xにより表記されるピストン変位の交互成分は、
次の方程式により、従来のアナログ又はデジタル積分に
よって見いだされる。
ル積分器がすべて、定数又はDC入力への応答における完
全な積分器とは異なるために、ピストン変位の平均成分
を回復することはできない。完全な積分器は、どれほど
小さくても、任意のDC入力により無限出力まで計上する
が、実際の積分器は、不可避に小さなDCオフセット電圧
により、その出力の飽和を防止するためにDC応答を制限
されなければならない。
の応答がxである交互成分への応答と、ピストンがその
最終平均位置の方に移動している間のみ発生するvの遷
移成分への応答の合計である。信号処理理論から、後者
の応答は、ゼロに接近し、約1/2秒の一般時間間隔内に
無視できることが示される。この時間間隔の後、vに比
例する信号への実際の積分器の応答は、x、即ち、変位
のみの往復動成分に比例する信号になる。このため、発
明の本質的な新規な部分は、VとIの測定値からのピス
トン変位の平均成分を回復する方法である。
平均成分が、圧縮機サイクルの吸引フェーズ中、即ち、
吸引圧力がピストンの両側に存在し、ピストンに作用す
る力が、それぞれFsとFmによって表記されるバネ力と磁
石に及ぼされた力である間、ピストン動作の方程式に基
づいた計算から見いだされる。これらの力は、次の方程
式に従う。
が、全往復動質量にピストンの加速度を掛算した値に等
しいことを述べる。その関係から、xo、IoとAoが、吸引
フェーズ中、任意の時点において同時に測定されたそれ
ぞれx、I及び加速度の値であり、かつ、Mが全往復動
質量を表記するならば、 (5) Xav=−Xo+(α/K)Io−(M/K)Ao になる。
速度を表記する次の方程式に従い、vの従来のアナログ
又はデジタル微分により、発明において見いだされる。
は、その値がxiによって表記される上死点におけるxの
値にXavを加算することにより、発明により見いだされ
る。ピストンが上死点に達する時点は、vがゼロに等し
く、シリンダーヘッド方向からシリンダーヘッド離反方
向に方向を変化させる時の点である。発明によるXcの方
程式は、このため、次のとおりである。
時測定された、バネが圧縮も伸展もされない時の同一点
の位置からのピストンの点の変位である。
流れ方向は、矢印により示され、そして発明の好ましい
実施態様によって必要とされた下位回路は、題付きブロ
ックにより示される。VとIに比例する入力は、それぞ
れ、V信号とI信号とラベル付けされる。「v計算」と
ラベル付けされたブロックは、方程式(1)によりvを
計算する。「微分器」と「積分器」とラベル付けされた
ブロックは、それぞれ、方程式(6)と(2)からAと
xを計算する。「上死点サンプルパルス発生器」とラベ
ル付けされたブロックは、入力としてvを有し、vがゼ
ロに等しく、シリンダーヘッド方向からその離反方向に
方向を変化させる時、従来の技術を使用して、パルスを
発生させる。「吸引フェーズサンプルパルス発生器」と
ラベル付けされたブロックは、入力としてx及び/又は
vを有し、吸引フェーズ中ある時点においてパルスを発
生させ、正確な点は、xとvの組み合わせにより決定さ
れる。例えば、vのみが入力として使用され、vがゼロ
に等しく、シリンダーヘッド離反方向から方向を変化さ
せる時、パルスが下死点において発生される。あるいは
xのみが、入力として使用され、xがゼロに等しく、v
がシリンダーヘッドから離反する時、即ち、吸引行程の
中点において、パルスが発生される。「サンプルホール
ド」とラベル付けされた4つのブロックは、パルスが
「G」端子において受信される時、左側からのブロック
の入力値を、ブロックの右側の出力に伝達する。その
時、出力は、別のパルスがGに到達するまでその値を維
持する。3つのサンプルホールド回路は、同一吸引フェ
ーズパルスを受信する。これらの3つは、それぞれ入力
A、x、Iを有し、Ao、xo、Ioを出力する。
を受信し、その入力は、xであり、このため、その出力
は、xiである。「重み付き総和計算」とラベル付きされ
たブロックは、入力xi、Ao、xo、Ioを取り、Xoの符号を
反転させ、Aoを反転させ、それに(M/K)を掛算し、Io
に(α/K)を掛算し、そして方程式(7)により合計を
取ることによりXCを計算する。
A5は、演算増幅器である。A1、R1、R2、R3とC1は、方程
式(1)により、vの従来のアナログ計算を行う。A2、
R5とC2は、vからxを計算するアナログ積分器を形成す
る。R5の目的は、アナログ積分器のDC応答を制限するこ
とである。A4、R6とR7は、−xを発生するためにxを反
転させる。A3、C3とR8は、vからAを発生する従来のア
ナログ微分器を形成する。この実施態様において、吸引
フェーズパルスは、下死点にある。それは、まず、vと
同時のゼロ交差を有する方形波を生成するCMPとラベル
付けされた比較器にvを適用することにより発生され
る。微分網C4、R11は、比較器出力を微分し、CMPの出力
のゼロ交差において正及び負パルスを発生させ、そして
ダイオードD1は、負パルスを除去する。上死点パルス
は、同様に、まずA5、R9とR10でCMP出力を反転させ、次
に、C5、R12とC3で正パルスを形成することにより発生
される。SH1〜SH4は、それぞれ入力−x、A、−Iとx
とそれぞれ出力−xi、Ao、Ioとxoを有するサンプルホー
ルド回路である。A4とR13〜R17は、方程式(7)の重み
付き合計を行い、重み付け因子は、R13〜R17の値により
決定される。A4の出力における電圧は、XCに比例する。
巻線キャパシタンスと周波数による損失抵抗変化を説明
するリニアモーターのより正確な等価回路が、VとIか
らのvの計算において使用される。
は、従来の方式では、使用された方程式及び数学式にお
いて表現された値に同一ではない。代わりに、それら
は、実値に比例するか、又は技術における当業者には公
知である如く関連する。
死点位置の自動制御に適用される様子をブロック図形式
で示す。XC制御とラベル付けされたコマンド信号は、発
明による計算により獲得された反転XC信号と合計され
る。合計出力は、XCの要求値とXCの実値の間の差分に比
例するXC誤差とラベル付けされた誤差信号である。誤差
信号は、圧縮機を駆動するリニアモーターに印加された
電圧を変化させるために使用され、変化方向は、誤差信
号を低値に縮減させ、これにより、XCの実値をコマンド
信号によって表されたXCの要求値に密接に近似させる如
くである。
様な修正が、発明の精神又は次のクレイムの範囲に反す
ることなく採用されることが理解される。
Claims (6)
- 【請求項1】バネにリンクされ、交互の吸引及び圧力フ
ェーズにおいてシリンダーにおいて往復動作する自由ピ
ストンを有するガス又は蒸気圧縮機を制御するための方
法であり、往復動作中のピストンは、変位の交互成分、
速度、加速度、及びシリンダーにおけるピストンの行程
の端部変位を有し、ピストンは、ピストンに駆動リンク
された電磁リニアモーターによって往復動作において駆
動され、リニアモーターは、磁石と、付随抵抗及びイン
ダクタンクを有する巻線とを含み、モーターは、入力端
子と、特性電気/機械伝達定数を有し、モーターは、モ
ーター巻線の入力端子に印加された交流電圧と、入力端
子を通して流される電流によって駆動される方法におい
て、 (a)時間の関数として巻線の両端の電圧を検出するこ
とと、 (b)時間の関数として巻線に流れる電流を検出するこ
とと、 (c)選択必要端部変位を表現するコマンド信号を入力
することと、 (d)(i)方程式 v=(1/α)(V−L(dI/dt)−IR) ここでαは、該伝達定数であり、 Vは、該電圧であり、 Iは、該電流であり、 Rは、該巻線抵抗であり、 Lは、該巻線インダクタンスであり、 tは、時間である、 により、検出電圧及び電流から時間の関数として往復動
ピストンの速度を計算することと、 (ii)時間の関数として該ピストンの変位の交互成分を
計算するために、時間の関数として計算速度を積分する
ことと、 (iii)時間の関数としてピストンの加速度を計算する
ために、時間の関数として計算速度を微分することと、 (iv)計算速度がゼロである時、段階(ii)から生ずる
変位の交互成分を検出することと、 (v)方程式 XC=xi−xo+(α/K)Io−(M/K)Ao ここでXCは、該端部変位であり、 xiは、速度がゼロであり、該端部変位方向から該端部変
位離反方向に変化する時の交互変位であり、 xoは、吸引フェーズ中選択時間における段階(ii)から
の交互変位であり、 Aoは、該選択時間における段階(iii)からの加速度で
あり、 Ioは、該選択時間における電流検出器からの検出電流で
あり、 Mは、往復動本体の質量であり、 Kは、バネのバネ定数である により、その行程の端部における往復動ピストンの変位
を計算することと、 (vi)誤差信号を発生するために、該コマンド信号を計
算端部変位信号Xcと比較することとにより、該端部変位
の測定値を表現する信号を発生させ、該測定値信号を該
コマンド信号と比較し、該誤差信号を発生することと、 (e)誤差信号を最小にする方向における該誤差信号に
応答して、モーター巻線に印加された電圧を変化させる
こととを具備する方法。 - 【請求項2】ピストンが、ピストンの一方の端部におい
てシリンダーにおいて容積を規定し、ガス又は蒸気が、
ピストンの反対端部における圧力にほぼ等しいほぼ一定
の圧力の下で往復動サイクルの吸引部分中容積に引き込
まれ、この場合、xo、AoとIoの値は、サイクルの該吸引
部分中検出される請求の範囲1に記載の方法。 - 【請求項3】検出段階(d)(iv)が、サンプリングを
具備する請求の範囲1に記載の方法。 - 【請求項4】制御装置と、バネにリンクされ、交互の吸
引及び圧力フェーズにおいてシリンダーにおいて往復動
作する自由ピストンとを含む改良ガス又は蒸気圧縮機で
あり、往復動作中のピストンは、変位の交互成分、速
度、加速度、及びシリンダーにおけるピストンの行程の
端部変位を有し、ピストンは、ピストンに駆動リンクさ
れた電磁リニアモーターによって往復動作において駆動
され、リニアモーターは、磁石と、付随抵抗及びインダ
クタンクを有する巻線とを含み、モーターは、入力端子
と、特性電気/機械伝達定数を有し、モーターは、モー
ター巻線の入力端子に印加された交流電圧と、入力端子
を通して流される電流によって駆動される改良ガス又は
蒸気圧縮機において、 (a)時間の関数として巻線に印加された電圧を検出す
るために該巻線入力端子に連結された電圧検出回路と、 (b)時間の関数として巻線に流れる電流を検出するた
めに該巻線に連結された電流検出回路と、 (c)選択必要端部変位を表現するコマンド信号を入力
するためのコマンド信号入力と、 (d)(i)方程式 v=(1/α)(V−L(dI/dt)−IR) ここでαは、該伝達定数であり、 Vは、該電圧であり、 Iは、該電流であり、 Rは、該巻線抵抗であり、 Lは、該巻線インダクタンスであり、 tは、時間である、 により、検出電圧及び電流から時間の関数として往復動
ピストンの速度を計算することと、 (ii)時間の関数として該ピストンの変位の交互成分を
計算するために、時間の関数として計算速度を積分する
ことと、 (iii)時間の関数としてピストンの加速度を計算する
ために、時間の関数として計算速度を微分することと、 (iv)計算速度がゼロである時、段階(ii)から生ずる
変位の交互成分を検出することと、 (v)方程式 XC=xi−xo+(α/K)Io−(M/K)Ao ここでXCは、該端部変位であり、 xiは、速度がゼロであり、該端部変位方向から該端部変
位離反方向に変化する時の交互変位であり、 xoは、吸引フェーズ中選択時間における段階(ii)から
の交互変位であり、 Aoは、該選択時間における段階(iii)からの加速度で
あり、 Ioは、該選択時間における電流検出器からの検出電流で
あり、 Mは、往復動本体の質量であり、 Kは、バネのバネ定数である により、その行程の端部における往復動ピストンの変位
を計算することと、 (vi)誤差信号を発生するために、該コマンド信号を計
算端部変位信号Xcと比較することとにより、該端部変位
の測定値を表現する信号を発生させ、該測定値信号を該
コマンド信号と比較し、該誤差信号を発生する計算回路
と、 (e)誤差信号を最小にする方向における該誤差信号に
応答して、モーター巻線に印加された電圧を変化させる
ために、該誤差信号を受信するために連結された入力
と、該モーター巻線に連結された出力とを有するモータ
ー電圧制御回路とを具備する改良ガス又は蒸気圧縮機。 - 【請求項5】該ピストンが、ピストンの一方の端部にお
いてシリンダーにおいて容積を規定し、ガス又は蒸気
が、ピストンの反対端部における圧力にほぼ等しいほぼ
一定の圧力の下で往復動サイクルの吸引部分中容積に引
き込まれ、この場合、xo、AoとIoの値は、サイクルの該
吸引部分中検出される請求の範囲4に記載の装置。 - 【請求項6】装置が、さらに、該電流をサンプルするた
めの複数のサンプル及びホールド回路と、計算速度がゼ
ロである時の変位の該交互成分と、該選択時間において
検出された変位、加速度と電流の該交互成分とを含む請
求の範囲5に記載の装置。
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