JP3762469B2 - リニアコンプレッサの駆動装置 - Google Patents

Description

【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、冷蔵庫のような冷凍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。
【０００３】
図９は、従来のリニアコンプレッサ３０の構成を示す断面図である。図９において、このリニアコンプレッサ３０は、シリンダ３１と、シリンダ３１内に往復動自在に嵌挿されたピストン３２と、ピストン３２のヘッドに面して形成された圧縮室３３と、圧縮室３３内のガス圧に応じて開閉する吸込バルブ３４及び吐出バルブ３５とを備える。
【０００４】
また、このリニアコンプレッサ３０は、ピストン３２を往復動させるためのリニアモータ３６と、ピストン３２を往復動自在に支持するためのピストンばね４１とを備える。リニアモータ３６は、円筒状の継鉄部３７と、巻回されたコイルを有する固定子３８，３９と、円筒状の永久磁石を有する可動体４０とを含む。継鉄部３７は、シリンダ３１と同心に設けられ、その一端はシリンダ３１の一端に接合される。固定子３８はシリンダ３１の外周壁に設けられ、固定子３９は継鉄部３７の内周壁に設けられる。可動体４０は、固定子３８と３９の間に往復動自在に挿入され、その一端はピストン３２の一端に接合される。ピストンばね４１の周辺部は継鉄部３７の他端面に固定され、その中央部４１ａはピストン３２の一端に固定される。
【０００５】
ピストン３２は、ピストン３２及び可動体４０の重量、圧縮室３３内のガスの圧力変動に基づくガスばねのばね定数、ピストンばね４１のばね定数などから定まる共振周波数Ｆｃを有する。従って、共振周波数Ｆｃは、ピストンばね４１のばね定数を調整することによりたとえば商用電力の周波数に設定される。リニアモータ３６の固定子３８，３９のコイルには、図示しない交流電源より共振周波数Ｆｃの一定の交流電圧が印加される。
【０００６】
なお、これらの部品３１〜４１は、防音・防振のためマウントばね４２を介してケーシング４３内に収容される。
一方、代表的な冷凍装置として、図１０に示す如く、リニアコンプレッサ３０（圧縮機）、凝縮器１０１、膨張弁１０２及び蒸発器１０３をガス流路１０４にて接続した密閉式の冷凍装置が知られており、リニアコンプレッサ３０は、蒸発器１０３で気化した冷媒ガスを、ガス流路１０４を通じて吸入して高圧に圧縮し、高圧となった冷媒ガスをガス流路１０４を経て凝縮器１０１に吐出する装置として使用されている。このため、図９に示すように、圧縮室３３には、吸込バルブ３４及び吐出バルブ３５からなる弁機構を介して外部のガス流路１０４が接続されている。
【０００７】
以上の構成により、従来装置では吸込バルブ３４から吸入された冷媒ガスを圧縮室３３で高圧に圧縮した後、吐出バルブ３５を介して凝縮器１０１に供給している。
【０００８】
次に、このリニアコンプレッサ３０の動作について説明する。前記交流電源によってリニアモータ３６の固定子３８，３９のコイルに交流電圧を印加して電流を流すと、その電流の方向に応じた方向の電磁力が可動体４０の永久磁石に作用し、可動体４０及びピストン３２が往復動する。このピストン３２の往復動により、冷媒ガスが吸込バルブ３４を介して圧縮室３３内に吸込まれ、圧縮室３３内で生成された圧縮ガスが吐出バルブ３５を介して吐出される。
【０００９】
このように、リニアコンプレッサ３０では、リニアモータ３６によってピストン３２が直接駆動されるので、動力源の回転運動がクランク機構などによってピストンの往復運動に変換される回転式のコンプレッサに比べて、エネルギ損失が少なくて済み、装置の小型化が可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のリニアコンプレッサ３０には以下のような問題があった。すなわち、冷凍装置の起動開始後又は熱負荷の増加等の場合には、予め設定されたリニアコンプレッサ３０の吐出圧力（以下、定格吐出圧力という）に比較してその吐出圧力が高くなり、即ちリニアコンプレッサ３０に対する負荷が高い状態（以下、高負荷状態という）では、図１１に示すように、ピストン３２の中立位置（ピストン３２の振幅中心）が下降して出力が低下し、かえって冷凍能力が低下してしまう虞れがあった。逆に、冷凍装置の定常運転中又は熱負荷の減少等の場合には、リニアコンプレッサ３０の吐出圧力が定格吐出圧力以下となり、即ちリニアコンプレッサ３０に対する負荷が低い状態（以下、低負荷状態という）では、ピストン３２の中立位置が上昇して出力が上昇し、必要以上に冷凍能力が上昇してしまう虞れがあった。
【００１１】
また、上述の共振周波数Ｆｃは、、圧縮室３３内のガスの圧力変動に基づくガスばねのばね定数と上述の関係を有するため、定格吐出圧力時を想定して駆動周波数を決定した場合、高負荷状態或いは低負荷状態においてばね定数ｋ１が変化することによって、共振周波数が変化して駆動周波数と一致せず、効率が低下するという問題があった。
【００１２】
本発明は斯かる点に鑑みて為されたものであって、リニアコンプレッサに対する負荷状態を検知し、その負荷状態に応じて駆動電圧及び駆動周波数を制御して、所望の駆動電力を得ると共に、高効率を維持することができるリニアコンプレッサの駆動装置を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のリニアコンプレッサの駆動装置は、リニアモータに駆動電力を供給するための出力電圧及びその周波数の制御が可能な交流電源と、前記ピストン又は可動体の往復移動経路途中の所定位置に設けられ、該所定位置を前記ピストン又は可動体が通過する時間間隔を検出する時間間隔検出手段と、該時間間隔検出手段によって検出された時間間隔に基づき現在の負荷状態を検知する負荷状態検知手段と、該負荷状態検知手段によって検出された負荷状態に応じて、前記出力電圧及び周波数を制御する制御手段と、を備えている。更に、具体的には、前記負荷状態検知手段は、前記時間間隔検出手段によって検出された時間間隔に基づきピストンの振幅中心位置を求め、該振幅中心位置に基づいて現在の負荷状態を検知しており、また、前記制御手段は、前記負荷状態検知手段により検出された負荷状態に対する共振周波数に制御するものである。
【００１４】
この構成を用いることにより、負荷状態に拘わらず、常に共振状態でリニアコンプレッサ１を駆動させることが可能となると共に、常に負荷状態に応じた適切な駆動電力に制御でき、所望の冷凍能力が得られる。
【００１５】
また、前記ピストン又は可動体に一体的に取り付けられた磁石部材と、該磁石部材の往復移動経路途中の所定位置に設けられたソレノイドと、該ソレノイドに誘起される誘起起電力を検出する起電力検出手段と、を備え、前記時間間隔検出手段は、前記起電力検出手段からの検出結果に基づいて、前記磁石部材が前記ソレノイドを通過する時間間隔を検出する構成としてもよい。
【００１６】
この構成を用いることにより、ピストンの振幅中心位置（中立位置）を検出するための回路及び部品等を簡易な構成で実現することができる。
更に、前記負荷状態検知手段は、前記時間間隔検出手段によって検出された時間間隔と、前記交流電源の出力電圧値とに基づいてピストンの振幅中心位置を求める構成としてもよい。これにより、交流電源の出力電圧値の変化に基づくピストンのストローク変化を考慮したピストンの中立位置検出が可能となり、正確にピストンの中立位置が検出される。
【００１７】
或いは、前記負荷状態検知手段は、前記時間間隔検出手段によって検出された時間間隔と、前記起電力検出手段によって検出された誘起起電力のピーク値とに基づいて、ピストンの振幅中心位置を求める構成としてもよい。これにより、ピストンの移動速度が直接検出され、ピストンの中立位置検出の精度を一層向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明のリニアコンプレッサの駆動装置の一実施形態について説明する。尚、前述の従来装置（図９）と同じ構成については同一符号を付して示しており、これらの部分の詳細な説明は省略する。
【００１９】
本発明のリニアコンプレッサ１は、上述した如く、密閉形の冷凍装置の圧縮機として用いられる。そして、そのリニアコンプレッサ１には、図１に示す如く、ピストン３２の一端が固定されたピストンばね４１の中央部４１ａの裏面側に永久磁石２が一体的に固定されており、ピストン３２の往復移動に伴って一体的に移動する。
【００２０】
そして、往復移動中の磁石２が所定位置に来たときに対向する場所に、ソレノイド３が設けられており、磁石２による磁界によってこのソレノイド３に誘起される起電力を検出する起電力検出手段４がリニアコンプレッサ１外部に設けられている。これによって、磁石２がソレノイド３と対向する場所を通過するとき、起電力検出手段４によって検出されるソレノイド３の誘起起電力が最大となるため、その事を利用して磁石２の通過を検知することができる。尚、本実施形態では、定格負荷状態において、ピストン３２が中立位置に位置する時に、磁石２がソレノイド３に対向するように設けている。その他の構成は、上述の従来装置と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００２１】
次に、本発明のリニアコンプレッサの駆動装置の回路構成について、図２に示す機能的ブロック図に基づいて説明する。
図２に示すように、このリニアコンプレッサ１の駆動装置は、交流電源１１、起電力検出手段４、電圧検出手段１２、時間間隔検出手段１３、負荷状態検知手段１４、制御手段１５、第１記憶手段１６及び第２記憶手段１７を備えている。尚、時間間隔検出手段１３、負荷状態検知手段１４及び制御手段１５は、ともにマイクロコンピュータにより構成されており、同一のマイクロコンピュータによって構成しても構わない。
【００２２】
交流電源１１は、制御手段１５から与えられた電圧値制御信号及び駆動電圧の周波数制御信号に応じた値の電圧Ｖｃ及び周波数ｆｃをリニアコンプレッサ１に出力する。電圧検出装置１２は、交流電源１１の出力電圧を検出し、その検出結果を制御手段１５に与える。
【００２３】
時間間隔検出手段１３は、起電力検出手段４からの検出誘起起電力値に基づいて、磁石２がソレノイド３を通過してから、再び磁石２がソレノイド３を通過するまでの時間間隔を検出し、その検出結果を負荷状態検知手段１４に送出している。具体的には、図３に示すように、ピストン３２は交流電源１１からの駆動電圧波形（図３（ａ））に対して約９０度の位相差をもってが往復移動する。このため、可動体４０に一体的に取り付けられている磁石２がソレノイド３付近を通過するとき、ソレノイド３に誘起起電力が発生する。このことを利用して、ソレノイド３に発生する誘起起電力が発生する時間間隔（例えば図３（ｃ）中のｔａ１，ｔａ２，ｔｂ１，ｔｂ２）を検出している。
【００２４】
負荷状態検知手段１４は、時間間隔検出手段１３からの検出時間間隔及び制御手段１５からの出力電圧情報に基づいて、現在の負荷状態を検知してその結果を制御手段１５に与えている。ここで、リニアコンプレッサ１のピストン３２は、上述したように低負荷状態では中立位置が上昇し、高負荷状態では中立位置が下降する（図３（ｂ））ため、低負荷状態では定格負荷状態に比較して、ピストン３２が上死点側に移動の際の前記時間間隔（ｔａ１＞ｔａ２）が長くなり、一方、高負荷状態では定格負荷状態に比較して、ピストン３２が下死点側に移動の際の前記時間間隔（ｔｂ１＜ｔｂ２）が長くなる。
【００２５】
このため、負荷状態検知手段１４では、制御手段１５からの出力電圧情報に基づいて、現在のピストン３２の振幅の大きさ（ストローク）及びピストン３２の移動状態を検知し、その検知結果と、上死点側に移動の際の時間間隔検出手段１３の検出時間間隔とに基づいて、ピストン３２の中立位置を検出している。そして、その検出されたピストン３２の中立位置に基づいて、発生負荷を特定して制御手段１５に与えている。
【００２６】
具体的には、図４に示す、検出ピストン中立位置に対する発生負荷のデータが第１記憶手段１６に格納されており、その格納データに基づいて発生負荷を特定している。ここで、制御手段１５からの出力電圧情報とは、ストロークに関係する駆動電圧値と、ピストン３２の位置に関係する駆動電圧の極性をいう。これらは、ピストン３２のストロークが駆動電圧値に基づいて決定され、駆動電圧値が高ければストロークが長くなる関係にあり、一方、ピストン３２の移動状態が駆動電圧波形に対して約９０度の遅れ位相となる関係にあるためである。尚、第１記憶手段１６への格納データについては、予め実験で確認した結果に基づいて決定されている。
【００２７】
制御手段１５は、負荷状態検知手段１４からの発生負荷データに基づいて、第２記憶手段１７の格納データに従い制御駆動電圧Ｖｂ及び駆動周波数ｆｂを決定し、電圧検出装置１２からの検出電圧値Ｖ及び周波数ｆがそれぞれ制御駆動電圧Ｖｂ及び駆動周波数ｆｂとなるように、交流電源１１に制御信号を送出している。具体的には、図５に示す発生負荷に対する制御駆動電圧データと、図６に示す発生負荷に対する制御駆動周波数データとに基づいて、制御電圧及び周波数をそれぞれ決定している。尚、図５に示す制御駆動電圧データは、負荷状態に応じて図７に示す関係の駆動電力Ｗがリニアコンプレッサ１から得られる場合の制御駆動電圧を表しており、一方、図６に示す制御周波数データは、各負荷状態における共振周波数を表している。そして、図５及び図６に示すデータは、予め実験で確認した結果に基づいて決定され、そのデータが第２記憶手段１７に格納されている。
【００２８】
これにより、負荷状態に拘わらず、常に共振状態でリニアコンプレッサ１を駆動させることができ、高効率を実現できる。また、負荷状態に応じた適切な駆動電力に制御でき、所望の冷凍能力が得られる。
【００２９】
次に、本発明のリニアコンプレッサの駆動装置の動作内容について、図８に示すフローチャートに基づいて説明する。
先ず、制御手段１５からの指令信号の入力に従い、交流電源１１からリニアコンプレッサ１に周波数６０Ｈｚ、電圧１００Ｖの駆動電力が供給されてリニアコンプレッサ１が駆動される（Ｓ１）。
【００３０】
そして、次のステップＳ３では、交流電源１１の出力電圧Ｖ及び駆動周波数ｆが電圧検出装置１２によって検出されると共に、負荷状態検知手段１４によって現在の発生負荷を検出する。
【００３１】
そして、検出された発生負荷に基づいて、制御駆動電圧Ｖｂ及び駆動周波数ｆｂを決定し（Ｓ５）、電圧検出装置１２からの検出電圧値Ｖ及び周波数ｆがそれぞれ制御駆動電圧Ｖｂ及び駆動周波数ｆｂとなるように、交流電源１１に制御信号を送出する（Ｓ７）。
【００３２】
その後、ステップＳ９においてリニアコンプレッサ１の停止指令が入力されたか否かを判別し、ＮＯの場合には再びステップＳ１に戻り、ＹＥＳの場合には制御処理を終了させてリニアコンプレッサ１を停止させる。
【００３３】
尚、上記実施の形態の説明では、負荷状態検知手段１４において、出力電圧情報に基づいてピストン３２のストロークを検知する場合について説明したが、この他に、起電力検出手段４において検出される検出誘起起電力のピーク値が、ピストン３２の移動速度に比例することを利用して、ピストン３２の速度を直接検出し、その結果及び前記検出時間間隔に基づいて、ピストン３２のストロークを検出することも可能である。この場合には、直接ピストン３２のストロークが検出されることとなり、検出精度を向上させることができる。
【００３４】
上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【００３５】
例えば、上記実施の形態の説明では、ソレノイド３により磁石２の通過を検出する場合について説明したが、この他にホール素子等の磁気検出手段を用いて磁石２の通過を検出させても構わない。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたとおり本発明によれば、負荷状態に拘わらず、常に共振状態でリニアコンプレッサ１を駆動させることができ、負荷状態が変動しても効率が低下させることなく、高効率を維持することができる。
【００３７】
また、負荷状態に応じた適切な駆動電力が供給され、所望の冷凍能力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるリニアコンプレッサの構成を説明するための概略構成図である。
【図２】図１装置のリニアコンプレッサの駆動装置の回路構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示した時間間隔検出手段１３及び負荷状態検知手段１４での処理内容を説明するための図である。
【図４】図２に示した第１記憶手段１６の格納データの内容を説明するための図である。
【図５】図２に示した第２記憶手段１７に格納されている、発生負荷に対する制御駆動電圧データの内容を説明するための図である。
【図６】図２に示した第２記憶手段１７に格納されている、発生負荷に対する制御駆動周波数データの内容を説明するための図である。
【図７】図５に示した制御駆動電圧データの基準となる、発生負荷に対する駆動電力の関係を説明するための図である。
【図８】図２に示したリニアコンプレッサの駆動装置の動作内容を示すフローチャートである。
【図９】従来のリニアコンプレッサの構成を示す断面図である。
【図１０】従来の代表的な冷凍装置の概略システム構成図である。
【図１１】図９に示したリニアコンプレッサの問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１ リニアコンプレッサ
２ 永久磁石
３ ソレノイド
４ 起電力検出器（起電力検出手段）
１１ 交流電源
１２ 電圧検出装置
１３ 時間間隔検出手段
１４ 負荷状態検知手段
１５ 制御手段
１６ 第１記憶手段
１７ 第２記憶手段
３０ リニアコンプレッサ
３２ ピストン
３６ リニアモータ
４１ ピストンばね

Claims (6)

1. リニアモータによってピストン及び該ピストンに一体的に設けられた可動体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、
   前記リニアモータに駆動電力を供給するための出力電圧及びその周波数の制御が可能な交流電源と、
   前記ピストン又は可動体の往復移動経路途中の所定位置に設けられ、該所定位置を前記ピストン又は可動体が通過する時間間隔を検出する時間間隔検出手段と、
   該時間間隔検出手段によって検出された時間間隔に基づき現在の負荷状態を検知する負荷状態検知手段と、
   該負荷状態検知手段によって検出された負荷状態に応じて、前記出力電圧及び周波数を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とするリニアコンプレッサの駆動装置。
2. 前記負荷状態検知手段は、前記時間間隔検出手段によって検出された時間間隔に基づきピストンの振幅中心位置を求め、該振幅中心位置に基づいて現在の負荷状態を検知していることを特徴とする請求項１記載のリニアコンプレッサの駆動装置。
3. 前記制御手段は、前記負荷状態検知手段により検出された負荷状態に対する共振周波数に制御することを特徴とする請求項１記載のリニアコンプレッサの駆動装置。
4. 前記ピストン又は可動体に一体的に取り付けられた磁石部材と、
   該磁石部材の往復移動経路途中の所定位置に設けられたソレノイドと、
   該ソレノイドに誘起される誘起起電力を検出する起電力検出手段と、を備え、
   前記時間間隔検出手段は、前記起電力検出手段からの検出結果に基づいて前記磁石部材が前記ソレノイドを通過する時間間隔を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のリニアコンプレッサの駆動装置。
5. 前記負荷状態検知手段は、前記時間間隔検出手段によって検出された時間間隔と、前記交流電源の出力電圧値とに基づいて、ピストンの振幅中心位置を求めることを特徴とする請求項４記載のリニアコンプレッサの駆動装置。
6. 前記負荷状態検知手段は、前記時間間隔検出手段によって検出された時間間隔と、前記起電力検出手段によって検出された誘起起電力のピーク値とに基づいて、ピストンの振幅中心位置を求めることを特徴とする請求項４記載のリニアコンプレッサの駆動装置。

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