JP4604035B2 - リニアモータコントローラの改良 - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサを駆動するために使用されるリニアモータ用のコントローラに関し、これに限定されるものではないが、特に冷蔵庫のコンプレッサに関する。

リニアコンプレッサモータは、移動コイルまたは移動磁石によって動作し、クランクシャフトを用いる従来のコンプレッサとは違ってストローク振幅が固定されないので、コンプレッサの場合のようにピストンに結合されるときには、ストローク振幅に対する精密な制御を必要とする。圧縮流体の状態に対して大きすぎるモータパワーを印加すると、ピストンと、それが中に配置されているシリンダヘッドとが衝突する。

国際特許公開ＷＯ００／７９６７１号公報において、出願人は、自由ピストンコンプレッサのための制御システムを開示したが、これはコンプレッサに導入される冷媒の性質の関数として、モータパワーを制限するものである。しかし、幾つかの自由ピストン冷凍システムにおいては、実際のピストン衝突を検出し、これに応答してモータパワーを低下させることが有用であるかも知れない。このような方策は、何等かの理由で過剰なモータパワーが生じるときに、純粋にコンプレッサの損傷を防止するために使用できるかもしれず、または高い容積効率を保証する方法として使用することができる。特に後者との関連においては、ピストンが最小限のヘッドクリアランス容積で動作するのを保証するために、ピストンの衝突を生じることが分かった値よりも僅かに小さく設定されたパワーで、コンプレッサを駆動することができるであろう。

国際特許公開番号ＷＯ０３／４４３６５号公報において、本件出願人は、ピストンの衝突が生じるときにそれを検出するためのシステムを教示した。この記載されたシステムは半周期時間（half period time）をモニターすることを含んでおり、この半周期時間の迅速な減少は衝突が起きていることを示す。リニアモータへの入力電力のその後の低下は、コンプレッサを、高い容積効率およびヘッドのクリアランスの状態で運転したままにする。

しかし、ＷＯ０３／４４３６５号公報に記載した制御スキームは、実際の衝突が生じることを必要とするものであり、これはコンプレッサの長期性能にとって有害である。更に、衝突のない効率的な運転を保証するために、駆動電流をどれだけ低下させればよいかを決定するのが困難である。衝突のリスクを低下させるために、控えめ過ぎる調節が行われる可能性がある。

本発明の目的は、これらの欠点をなんとか克服し、または少なくとも当該産業に対して有用な選択を提供するようなコントローラの改良を提供することである。

本発明によれば、
自由ピストンガスコンプレッサであって、
シリンダと、
該シリンダ内において交互に圧縮ストロークおよび膨張ストロークで往復可能なピストンと、
該ピストンに対して駆動可能に結合された、少なくとも一つの励起巻線を有する往復リニア電気モータと、
コントローラと、を備え、
該コントローラが、現在の圧縮ストローク持続時間または膨張ストローク持続時間の少なくとも一つを含む関係であって、衝突が存在しない場合も含む（直接または間接に）前記ピストンのＴＤＣ位置を示す関係に基づいて、前記リニアモータに入力される電力を制御または調節し、圧縮ストローク持続時間と膨張ストローク持続時間の差を反映する尺度を得るステップと、該得られた尺度に応答して、前記励起巻線への電力入力を調節するステップと、を実行するようにプログラムされている、
ことを特徴とする自由ピストンガスコンプレッサが提供される。

これは、例えば、一つのストロークとその直接隣接するストロークとの間の差であってよく、または幾つかのストロークの短期の平均値、最大値、最小値または中間値であってよく、該幾つかのストロークは１ストロークおきである。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記コントローラは、一以上のシステム変数値を得るステップと、前記得られたシステム変数に基づいて、複数の予め保存された閾値の中から一つの予め保存された閾値を選択するために、データ格納部にアクセスするステップと、前記得られた尺度と前記検索された閾値との間の比較に応答して、前記励起巻線への電力入力を調節するステップと、を実行するようにプログラムされている。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記コンプレッサは吸引ガス圧力センサを含み、前記コントローラは、該圧力センサからの入力を受け、また前記コントローラは前記圧力センサ入力から前記システム変数値を得る。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記コントローラは、逆ＥＭＦ検出器を含み、１回の圧縮もしくは膨張ストロークの持続時間を表す、連続的な逆ＥＭＦゼロ交差間の各持続時間を得るステップと、交互のストローク間の持続時間における差を計算するステップと、を実行することによって、圧縮ストローク持続時間と膨張ストローク持続時間の間の差を反映した尺度を得るようにプログラムされている。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記モータが電気的に整流された永久磁石ＤＣモータである。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記コンプレッサは、更に、励起電流が流れていないときに、前記少なくとも一つの励起巻線の中に誘導される逆ＥＭＦをサンプリングするための逆ＥＭＦ検出手段と、前記逆ＥＭＦ検出手段の出力に接続されたゼロ交差検出手段と、前記ゼロ交差検出手段からの出力パルスの間の時間間隔を決定することにより、前記ピストンの各半サイクルの時間を決定するための手段と、を備えている。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記コントローラは、前記ピストン動作の二つの連続する半サイクルの持続時間における差を計算し、また該計算された差に基づいて、前記リニアモータへの電力入力を制御または調節するようにプログラムされている。

本発明の他の態様によれば、
自由ピストンガスコンプレッサであって、
シリンダと、
該シリンダ内において交互に圧縮ストロークおよび膨張ストロークで往復可能なピストンと、
前記ピストンに対して駆動可能に結合された、少なくとも一つの励起巻線を有する往復リニア電気モータと、
現在の圧縮ストローク持続時間または膨張ストローク持続時間の少なくとも一つを含む関係であって、衝突が存在しない場合を含む（直接または間接に）前記ピストンのＴＤＣ位置を示す関係に基づいて、前記リニアモータに入力される電力を制御または調節する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
圧縮ストローク持続時間と膨張ストローク持続時間の差を反映する尺度を得るための手段と、
該得られた尺度に応答して、前記暦巻線への電力入力を調節するための手段と、を備えている、
ことを特徴とする自由ピストンガスコンプレッサが提供される。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記制御手段は、一以上のシステム変数値を得るための手段と、前記得られたシステム変数に基づいて、複数の予め保存された閾値の中から一つの予め保存された閾値を選択するために、データ格納部にアクセスするための手段と、前記得られた尺度と前記検索された閾値との間の比較に応答して、前記励起巻線への電力入力を調節するための手段と、を備えている。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記コンプレッサは吸引ガス圧力センサを含み、前記制御手段は該圧力センサからの入力を受け、前記制御手段は前記圧力センサ入力から前記システム変数値を得る。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記制御手段は逆ＥＭＦ検出器を含み、圧縮ストローク持続時間と膨張ストローク持続時間の間の差を反映した尺度を得るための前記手段は、連続的な逆ＥＭＦゼロ交差の間の持続時間の尺度を得るための手段であって、前記連続的逆ＥＭＦゼロ交差の間の持続時間が１回の圧縮もしくは膨張ストロークの持続時間を表す手段と、交互のストローク間の持続時間における差を計算するための手段と、を備えている。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記モータが電気的に整流された永久磁石ＤＣモータである。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記コンプレッサは、更に、励起電流が流れていないときに、前記少なくとも一つの励起巻線の中に誘導される逆ＥＭＦをサンプリングするための逆ＥＭＦ検出手段と、前記逆ＥＭＦ検出手段の出力に接続されたゼロ交差検出手段と、前記ゼロ交差検出手段からの出力パルスの間の時間間隔を決定することにより、前記ピストンの各半サイクルの時間を決定するための手段とを備えている。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記尺度を得るための手段は、二つの連続する半サイクルの持続時間の差を計算する手段を含む。

好ましい関係は、全体の完全サイクル持続時間に対する寄与因子としての、圧縮ストロークおよび膨張ストロークの相対的持続時間に基づくものであってよい。膨張ストロークの如何なる短縮からも独立した圧縮ストロークの短縮は、ピストンＴＤＣがヘッドへに接近するように移動すること示している。圧縮ストロークの如何なる延長からも独立した膨張ストロークの延長もまた、ヘッドへと接近するように移動するピストンＴＤＣを示している。

この関係は、圧縮ストローク持続時間または膨張ストローク持続時間の間の絶対的または部分的な比較、または圧縮ストロークまたは膨張ストロークの一つと全サイクル時間との間の部分的な比較を含んでいてよい。

ストローク持続時間は、一つの事例（例えば最近のもの）のものであってもよく、または同時期の一組の結果の平均値、中間値、最大値または最小値であってもよい。例えば、各持続時間は、以前のこのような六つの持続時間の組の平均値であってよい。

「圧縮」ストロークまたは「膨張」ストローク自体の同定は、一般には必要ではない。幾つかの定式化において、例えば膨張ストロークだけのための場合にはそれが必要であるかもしれず、その場合、一般的には、より長い持続時間の交互のストロークを選択することで充分であろう。

この関係に基づく制御は、当該関係に基づく連続的若しくは周期的フィードバック制御、および／または当該関係の数値出力に関連したトリガー値に基づく間欠的調節を含んでよい。このフィードバック制御および関係は、例えば、単純なまたは重み付けされた関数、ファジー論理制御等であってよい。トリガー値は、例えば参照テーブルに予め設定されてよく、或いは、例えばピストンとヘッドの間の検出された衝突に従った同時的事象履歴によって決定されてよい。トリガー値は、コンプレッサの一以上の独立の動作条件に依存してよい。例えば、冷凍システムにおいて、該トリガー値は、吸引側の圧力または温度に依存するのが最良であるかもしれない。一以上の動作条件に依存する場合、前記トリガー値は、該動作条件の関数であってよく、または予め設定されたデータのアレイを含む参照テーブルから誘導されてよい。

当該制御には、前記関係の出力を、予め設定されたトリガー若しくは閾値に近接させてその一方の側に維持し、且つこれを越えないようにすることが含まれる。好ましくは、この関係は、膨張ストローク持続時間および圧縮ストローク持続時間の一方を他方から差引くことである。これが圧縮ストローク持続時間からの膨張ストローク持続時間の引き算であれば、当該制御は、前記出力を、上記予め設定された値（これは負であり得る）よりも上なるように維持しようと試みる。これが膨張ストローク持続時間からの圧縮ストローク持続時間の引き算であれば、当該制御は、通常は負ではない予め設定された値よりも上になるように維持しようと試みる。

何れかの関係の評価を含み、且つリニアモータの適切なまたは調節された電力入力に由来する制御は、全体的にソフトウエアまたはハードの電子論理回路において、またはそれらの組合せにおいて実行されてよい。好ましくは、それはマイクロプロセッサで実行可能なソフトウエアにおいて完全に実施される。このマイクロプロセッサの関連の出力は、リニアモータへの電力供給の接続を制御する駆動出力であってよい。

本発明に関連する技術の当業者には、特許請求の範囲に定義された発明の範囲を逸脱することなく、本発明の構成における多くの変更、並びに広範に異なる実施形態および用途が示唆されるであろう。

本発明は、リニア電気モータによって動力を与えられる自由ピストン往復コンプレッサを制御する方法を提供する。
以下の説明において、円筒形リニアモータに関して本発明を説明するが、この方法は一般的なリニアモータ、特に、平面リニアモータ（例えば、本明細書の一部として本願に援用する、本願出願人の国際特許出願番号ＰＣＴ／ＮＺ００／００２０１号を参照のこと）にも等しく適用可能であることわかる。当業者は、ここに説明する制御方策を、特別な努力を必要とすることなく、リニアモータで駆動される如何なる形態の自由ピストンコンプレッサに適用できる。

図１に示したコンプレッサは、往復する自由ピストンコンプレッサに接続された永久磁石のリニアモータを含んでいる。シリンダ９は、シリンダバネ１４によって、コンプレッサシェル３０内に支持されている。ピストン１１は、バネ装着具２５を介してシリンダ穴プラスそのバネ１３によって形成されたベアリングによって、半径方向に支持されている。該ベアリングは、例えば、本明細書の一部として本願に援用する、我々の同時係属の国際特許出願番号ＰＣＴ／ＮＺ００／００２０２号に記載されたガスベアリング、または国際特許公開番号ＷＯ００／２６５３６号に記載されたオイルベアリングなどの当該技術において知られた多くの方法の何れか一つによって潤滑されてもよい。同様に、本発明は別の往復システムにも適用可能である。例えば、以下ではガス／機械的バネシステムと組合されたコンプレッサを説明するが、全体的なガスバネシステムを本発明と共に使用することもできる。

シリンダ９内でのピストン１１の往復運動は、吸引管１２を通して、吸引ポート２６を通して、吸引マフラー２０を通して、また弁プレート２１における吸引弁ポート２４を通して、圧縮空間２８の中にガスを引き込む。次いで、圧縮ガスは放出バルブポート２３を通過し、放出マフラー１９の中で消音され、放出管１８を通して出て行く。流れ経路については広範な変形が可能である。例えば、吸引経路はピストンの内側を通るものでもよく、吸引ポートはピストンクラウンを通るものでもよい。

コンプレッサモータは、二部分ステータ５，６および電動子２２を備えている。ピストン１１の往復運動を発生させる力は、（フランジ７によってピストン１１に取付けられた）電動子２２の半径方向に磁化された二つの環状永久磁石３，４、および空気ギャップ３３における磁界（ステータ６およびコイル１，２によって誘導される）の相互作用から生じる。

図１に示した二つのコイルを有するコンプレッサモータの実施形態では、コイル１に電流が流れ、該電流はステータ６の内部に沿って軸方向に流れ、末端ステータ歯３２を通って半径方向外側に流れ、空気ギャップ３３を横切り、次いで背面鉄５に入る磁束を生じる。さらに、それは短い距離２７だけ軸方向に流れた後、空気ギャップ３３を横切って流れ、ステータ６の中央歯３４の中に戻る。第二のコイル２は、空気ギャップを横切って短い距離２９だけ中央歯３４の中を半径方向に流れ、且つ空気ギャップ３３を通って末端歯３５の中へと外側に流れる磁束を形成する。歯３２から空気ギャップ３３を横切る磁束は、磁石３の磁化が他の磁石４に対して反対極性であれば、半径方向に磁化された磁石３，４に対して軸方向の力を誘導する。背面鉄５の代りに、磁石の反対側にもう一組のコイルを有することも等しく可能であることがわかる。

コイル１および２の中の振動する電流（必ずしもサイン波形ではない）は、磁石３，４に対して振動する力を作り出し、該振動周波数が機械的系の自然振動数に近接しているならば、この力は磁石およびステータに対して実質的な相対運動を与える。この自然振動数は、バネ１３，１４の剛性、シリンダ９およびステータ６の質量、並びに圧縮空間２８内のガスの追加ガスバネ効果によって決定される。磁石３，４の振動力は、ステータ部品に対する反作用力を創り出す。従って、ステータ６は、接着剤、カシメまたはクランプ等によって、シリンダ９に強固に取り付けられなければならない。背面鉄は、ステータ装着台１７にクランプまたは結合される。該ステータ装着台１７は、シリンダ９に強固に連結される。

制御の方策
自由ピストンコンプレッサは、コンプレッサピストン／バネ系の自然振動数で駆動されるときに、特に効率的であることが実験によって立証されている。しかし、故意に与えられた何等かの金属バネと同様に、有効バネ定数が変化する固有のガスバネが存在する。既述の電気的に整流された永久磁石モータは、好ましくは、例えば本明細書の一部として本願に援用する国際特許公開番号ＷＯ００／７９６７１号に記載された電気的に整流された永久磁石モータにおける、出願人の経験から誘導されたものを含む技術を使用して制御される。

リニアモータがＷＯ００／７９６７１号のように制御されるときは、コンプレッサの入力電力が、シリンダの端部を取囲む弁プレートと衝突を生じるレベルにまでピストンの変位を増大させる可能性がある。我々の国際特許公開ＷＯ０３／４４３６５において、我々は、衝突を検出するためのシステムを教示した。衝突が起きるとき、ピストン往復周期は、フィルターされた値または平滑化された値と比較して低下することが観察される。ピストン周期は、上死点と下死点の間の二つの半周期からなっており、これら半周期は対称的ではない。ヘッドから遠ざかる方向に移動する半周期は、ヘッドに向って移動する半周期よりも長いが、衝突が起きれば何時でも、両方の半周期は共に時間が減少する。本発明の好ましい実施形態においては、衝突を知らせる半周期時間の何等かの迅速な低下について半周期時間をモニターすることによる衝突検出器が設けられ、これに応答して入力電力を低下させる。

本発明に従って、我々は、ピストンＴＤＣの弁プレートへの接近を決定するためのシステムを考案した。我々は、ヘッドに対するＴＤＣの位置が、膨張ストロークおよび圧縮ストロークのそれぞれの相対的持続時間に影響することを見出した。ヘッドに対してより近接したＴＤＣ位置は、ヘッドからより離間したＴＤＣ位置と比較して、圧縮ストロークの持続時間を減少させる。ヘッドに対してより近接したＴＤＣ位置は、ヘッドからより離間したＴＤＣ位置と比較して、拡張ストロークの持続時間を増大させる。我々は、ＴＤＣ位置をヘッドに近接して維持し（高出力動作のために必要なとき）、且つ衝突の発生を著しく減少させた状態でリニアコンプレッサを運転させるためのストローク制御の基礎として、この事実を使用できることを認識した。これは、ピストンのための接近センサもしくは絶対位置センサを必要とすることなく持続される。これは、ＷＯ０３／４４３６５に記載した衝突検出器と一緒に設けられてよく、両者共にソフトウエアにおいて実施可能であり、また共通の入力データを共有するものである。他の衝突検出システム、例えば衝突のノイズを検出するマイクロフォンを含めてもよい。

好ましいストローク制御は、下記のようにして、圧縮ストロークの持続時間ｔ_C、および膨張ストロークの持続時間ｔ_Eから時間差Δｔを計算する。
Δｔ＝ｔ_C−ｔ_E
これは全てのサイクルについて計算してもよいが、例えば、一つのストロークとその直接隣接するストロークとの間の差であることができ、または短期間の平均値、幾つかのストローク（１ストロークおき）の最大値、最小値または中間値であってもよい。

Δｔは間隔をおいて計算され、不揮発性メモリーに保存された参照テーブルから読み取られた閾値と比較される。参照テーブルは、動作条件を変化させるための閾値を提供するものであり、動作条件は、なかでも特にコンプレッサの吸引圧力であり、これは冷凍システムにおいては本質的には蒸発圧であり、最も容易に測定される蒸発温度と関連している。

参照テーブルは、与えられたコンプレッサおよび冷凍システム設計について予め定めることができ、また前記設計に従って使用するための全てのコントローラに予めロードすることができる。或いは、種々の動作条件下で電力を徐々に増大させること、衝突が起きるまで電力を増大させ、上記で説明した衝突検出装置を使用して検出することにより閾値を発生させること、および該閾値を衝突の直前に観察されたΔｔに基づかせることとを含む較正手順において、前記参照テーブルを個々の各コンプレッサについて発生させることができる。

参照テーブルの代替として、コンプレッサの正常な運転の際に閾値を間欠的に誘導してもよい。例えば、閾値の誘導手順を間欠的に反復してもよい。この手順は、衝突が検出されるまで電力入力を確実に上昇させながらΔｔをモニターし、その後、衝突が起きる少し前に観察されたΔｔを、制御閾値として採用することを含んでもよい。

上記で説明したスキームは、出願人による本発明の好ましい実施形態である。しかし、その広義の態様において、本発明の一般的範囲を逸脱することなく、他の実施形態が可能である。他の制御アルゴリズムは、圧縮ストローク持続時間および／または膨張ストローク持続時間において観察された変化を使用して、コンプレッサに入力される電力を、衝突を伴わない最大クリアランスを達成するレベルに制御するように誘導されてよい。

第１の追加の実施形態は、全サイクルの持続時間に対する圧縮ストローク持続時間の比較を使用してよい。
もう一つの実施形態は、膨張ストローク持続時間と全サイクルの持続時間との比較である。

それぞれの場合に、それぞれの半サイクル持続時間および全サイクル持続時間は、２以上のこのような半サイクルまたは全サイクルの平均持続時間であってよい。例えば、それより前の６例の平均が適切である。或いは、最大持続時間、最小持続時間または中間持続時間が、同時期の一組（例えば以前の６例）から同定され、その後の制御のために使用されてもよい。

比較された観察値の間での計算された関係は、かなりの変形を受ける可能性がある。例えば、計算された時間差ではなく、圧縮ストローク持続時間の膨張ストローク持続時間に対する比、または膨張ストローク持続時間の全サイクル持続時間に対する比のような、比率が計算されてもよい。実質的に変化しない冷凍システム条件の下で、圧縮ストロークの持続時間および／または膨張ストロークの持続時間の変化に反応する必要な基準に合致するような、他の関数もまた当業者には示唆される。

上記では、圧縮ストローク持続時間および膨張ストローク持続時間の間の関係を効果的に提供する、可能な制御アルゴリズムを簡単に説明してきた。これは、合理的な程度において、冷凍システム条件からの独立性を提供することが分かっている。参照テーブル指標として、吸引圧力の検知のみを使用する現実的な操作条件下において、本発明者によって効果的な制御が達成された。効果的な制御はまた、それぞれのストロークを参照テーブルからの値と比較して、膨張ストロークおよび圧縮ストロークのうちの一のモニターだけを使用したり、または圧縮もしくは膨張ストロークの関数と一定値と比較する等の、同様の関係を使用しても達成され得ると思われる。
これは、圧縮ストローク持続時間において示される減少よりも、遥かに大きい増大を示す膨張ストローク持続時間である点において、特に有効であると考えられる。

図２にブロック図の形態で示した好ましいコントローラにおいては、全サイクルの時間および各ストロークの時間を検出するために、逆ＥＭＦ検出が用いられる。ＥＭＦセンサ６０２は、モータ巻線６０１と並列に接続される。ＥＭＦセンサ６０２は、モータ巻線を横切って、ＥＭＦを表すデジタル出力を提供する。ＥＭＦセンサ６０２のデジタル化されたＥＭＦ出力は、制御マイクロプロセッサ６０３に入力として提供される。冷凍機蒸発器に固定された温度センサは、蒸発温度を示す出力信号を提供する。この信号はデジタル化されて、更なる入力として制御マイクロプロセッサ６０３に与えられる。制御マイクロプロセッサ６０３は、デジタル化されたＥＭＦおよび蒸発温度入力に基づいて制御信号を発生させ、該制御信号をインバータブリッジ６０４に提供する。該インバータブリッジは、制御マイクロプロセッサ６０３からの制御信号に基づいて、電力をモータ巻線６０１へと切換える。制御マイクロプロセッサ６０３のための一般的な制御プログラムは、出願人の特許公開ＷＯ００／７９６７１号に記載されている。

本発明の好ましい実施形態を実施する目的で、およびＷＯ０３／０４４３６５号に記載の衝突検出を実施する目的で、制御マイクロプロセッサは、ストローク周期決定アルゴリズムを実施する。このストローク周期決定アルゴリズムは、ＥＭＦセンサ６０２から受信したデジタル化されたＥＭＦ信号をモニターすることによって、それぞれの圧縮および膨張ストロークの持続時間を決定する。このアルゴリズムは、逆ＥＭＦゼロ交差の間の時間としてストローク周期を決定する。図４は、ＷＯ００／７９６７１号に記載された制御方法に従って動作するリニアモータにおける波形の例を図示している。一つの波形は、モータ巻線電圧４００を表している。他の波形はモータ電流４０２を表している。この図は、膨張ストロークおよび圧縮ストロークの両者を含む一つの完全な周期を通しての波形を図示している。この周期において、当該モータは、制御された時間ｔ_onの間の各半サイクルにおいて電力を供給される。ステータ巻線電圧は、膨張ストロークの開始４２０においてオンにされる。モータ電流４０２は、電圧が印加される間に高められる。ステータ巻線電圧は、時間ｔ_on(ex)において除去される。電圧が除去されると、電流４０２は時間ｔ_on(ex)とｔ_off1(ex)との間でゼロに減衰する。この減衰する電流は、ステータ巻線電圧を、この減衰の間に完全に負にする。膨張ストロークの残部について、巻線ＥＭＦは、電動子の運動によって誘導された逆ＥＭＦ４０４である。このＥＭＦ４０４は、膨張ストロークの最後に、電動子がヘッドから最も遠い位置（下死点またはＢＤＣと称する）に達するときにゼロに減衰する。このゼロ交差ｔ_off2(ex)は、膨張ストロークの最後で且つ圧縮ストロークの開始の瞬間を示している。圧縮ストロークが開始すると、駆動電圧４２２がモータ巻線に印加され、電流曲線４２４で示されるように電流が上昇し始める。時間ｔ_on(comp)が経過した後（図６におけるｔ_on(comp)）に、駆動電流は除去される。駆動電流が除去されると、４２７で示すように電流は下降し、４２５で示すようにステータ巻線電圧は完全に正になる。ｔ_off1(comp)において電流がゼロに減少してしまうと、ＥＭＦ４０６は巻線中で誘導された逆ＥＭＦを表す。この誘導された逆ＥＭＦ４０６は、電動子速度がそのヘッドに最も近接した位置（上死点またはＴＤＣという）へと接近する際に減少するに伴って、ゼロに降下する。ＴＤＣにおいて、電動子速度は反転する前に瞬間的にゼロになり、ｔ_off2(comp)では逆ＥＭＦゼロ交差が生じる。

制御マイクロプロセッサ６０３において実行されるストローク周期決定アルゴリズムは、ゼロ交差点ｔ_off2(ex)およびｔ_off2(comp)を識別するようにプログラムされる。膨張および圧縮の間を区別しない連続したゼロ交差点の間の持続時間は、各単一ストロークの持続時間を示し、このストローク持続時間は、圧縮ストローク持続時間と膨張ストローク持続時間の間で交番する。ストローク周期決定アルゴリズムは二つの出力を有している。一つは、ゼロ交差事象の発生を示す。他方は、最近のストローク持続時間を示す。

制御マイクロプロセッサ６０３はアルゴリズムを実行して、エネルギー供給時間ｔ_onを連続的に調節する。このプロセスは図３に示されている。該プロセスは、入力として、ストローク決定器の出力、蒸発器温度センサの出力、およびコンプレッサ要求の指標Ｐ_commandを取る。Ｐ_commandは、マイクロプロセッサによって他の場所で決定され、または冷凍機の動作条件に基づいて、全体の冷凍機コントローラにおける他の何処かで決定される。本質的には、それはコンプレッサによる送給が要求される能力に関連している。図示の例において、Ｐ_commandは、四つのうちの一つの値を取ることができる。値「０」は、コンプレッサの隣接した半サイクルに等しい。値「１」は、能力の段階的減少に等しい。値「２」は、現在のレベルで能力を維持することに等しく、また値「３」は、能力を段階的に増大することに等しい。能力を変更することは、各半サイクルにおけるエネルギー供給の持続時間ｔ_onの対応した増大、または減少によって達成される。この制御の目的で、ｔ_onは、その値がエネルギー供給の持続時間（ｍｓ）である変数である。

従って、図３を参照すると、好ましい方法は、ステップ３０２で始まる連続的に反復されるループを含んでいる。この方法は、各ループの開始時において、ストローク決定アルゴリズム３０６により指示されるゼロ交差事象を待つ。ゼロ交差事象は、ｔ_on制御ループの連続した実行へと導く割込みとして作用し、当該ループが半サイクル毎に１回実行されるようになっている。ストローク決定器３０６によってゼロ交差事象が指示されると、ステップ３０８において当該方法が進行し、蒸発温度センサ３１０から蒸発温度の読みを得る。次いでステップ３１２に進み、Δｔについての閾値（Δｔ_threshold）が参照テーブル３１４から読取られる。参照テーブル３１４は、蒸発温度の関数としてΔｔ閾値を記録している。「ΔＴ閾値 vs 蒸発温度」参照テーブルの一例を示すプロットが、図５として与えられている。

ステップ３１６においては、ストローク決定器３０６から最後のストローク周期が得られ、変数ｔ_nに割れ当てられる。ステップ３１８に先立って、最近読まれたストローク周期ｔ_nと直近のストローク周期ｔ_n―1との間の差の絶対値として計算されたΔｔとして、Δｔが計算される。プログラムはステップ３２０へと進み、ここではステップ３１９で計算されたΔｔが、ステップ３１２で参照テーブル３１４から読取られたΔｔ_thresholdと比較される。

ΔｔがΔｔ_thresholdよりも大きければ、当該アルゴリズムはステップ３２２へと進む。Δｔが該閾値よりも大きければ、これはコンプレッサが最大能力に近いところで運転されていることを示す。従って、ステップ３２２においては変数Ｐ_increaseが「０」に設定される。次いで、該アルゴリズムはステップ３２４へと進む。

ステップ３２０においてΔｔがΔｔ_threshold以下であれば、当該アルゴリズムはステップ３２６へと進む。Δｔが該閾値以下であれば、これは、当該コンプレッサが未だ最小ヘッドクリアランスで運転されておらず、より大きな能力が利用可能であることを示している。従って、変数Ｐ_increaseは１に設定される。次いで、アルゴリズムはステップ３２４へと進む。

ステップ３２４において、変数ｔ_n-1はｔ_nの値に設定される。これは、当該ループの次の反復において使用するためである。

次いで、当該アルゴリズムはステップ３２６へと進み、ここではデューティー時間ｔ_onが調節される。ｔ_onのための調節は、二つの変数Ｐ_commandおよびＰ_increaseに基づいて決定テーブルから見出される。先に述べたように、Ｐ_command入力は、要求されたコンプレッサ動作の変更を示している。アルゴリズムにおいて先に設定されたＰ_increase変数は、コンプレッサが既に全能力で運転しているかどうかを示し、ゼロは追加の能力がないことを示す。従って、Ｐ_increaseが１に等しい場合は追加の能力が利用可能であり、ｔ_on調節は、Ｐ_increaseによって要求された調節に対応する。小能力で高運転周波数の我々の好ましいコンプレッサの場合、示されたように、我々はｔ_onを１０μｓだけ下方調節し、何も調節せず、または０．１μｓだけ下方調節する。Ｐ_increaseがゼロに等しい場合、これは追加の能力が利用可能でなく、ピストンが衝突に近い位置へと移動している可能性があることを示す。従って、ｔ_on調節はＰ_commandから独立しており、全ての場合に、ｔ_on持続時間を例えば１０μｓだけ減少させる。
ステップ３２６でｔ_on調節をした後、アルゴリズムはステップ３２７で開始ステップ３０２に戻り、ループを繰り返す。

動作において、全体のコントローラがコンプレッサの最大能力を必要とする場合（例えば冷凍区画に品物が追加されたとき）には、Ｐ_commandは定常的に３に設定される。これは、蒸発温度センサ３１０によって検知された蒸発温度についてのΔｔ_thresholdよりもΔｔが大きくなるまで、ｔ_onの作成に導く。Δｔが閾値よりも大きくなると、Δｔが閾値以下になるまで、ｔ_onは（各半周期毎に１０μｓだけ）下方調節される。その後の反復において、ｔ_onは、Δｔが閾値よりも大きくなるまで上方調節されるであろう。このフィードバック制御によって、それが生じるときにはセンサ３１０によって検知された蒸発温度の変化に応答して、ｔ_onは、Δｔが略閾値に等しいレベルの周囲で変動することが分かる。

発明者等は、我々の同時係属のニュージーランド特許出願５２６３６１号に記載したような試作のリニアコンプレッサについて、ここで説明したアルゴリズムを試験した。この試作コンプレッサは、その上死点位置におけるヘッドへのピストンの接近を測定する接近センサを備えていた。最大能力（Ｐ_command＝３）を要求しながら、与えられた蒸発温度での定常状態運転の全期間に亘って最も近い上死点位置を決定するために、該接近センサの出力を分析およびモニターした。八つの蒸発温度についてのヘッドクリアランスの結果が、図５にプロットされている。これは、当該制御によって、衝突を伴わずに、約０．２ｍｍ〜０．２５ｍｍの一貫した最小クリアランスギャップが達成されたことを示している。このクリアランスギャップは、図５のチャートに従った閾値を使用して達成された。図５のチャートの閾値は、０．２ｍｍの意図したクリアランスギャップについて選択された。

先に述べたように、衝突検出器は、マイクロプロセッサの中に保存されたソフトウエアの中に組込まれてもよい。該衝突検出器は電気的周期データを受け取り、シリンダヘッドとのピストン衝突として、全サイクル周期における迅速な減少を検出するであろう。この衝突検出器は、図３の制御アルゴリズムとは独立にｔ_on値を修飾してよく、または当該制御アルゴリズムの中に組込まれてもよい。

本発明の好ましい実施形態においては、制御アルゴリズムおよびストローク決定器は、制御マイクロプロセッサ６０３によって実行されるソフトウエアにおいて実行されるものとして説明してきたが、それらは、部分的または完全に、二以上のモジュールの中に分配された外部論理回路の中で実施されることができるであろうし、または別個のアナログ回路において実施されることができるであろう。本発明の更なる実施形態は、一般的な原理を逸脱することなく当業者に明らかであるし、その最も広義の形態において本願の意図した範囲内にあるものである。

図１は、リニアコンプレッサの断面図である。 図２は、自由ピストン蒸気コンプレッサおよび本発明を実施できる付属のコントローラを示すブロック図である。 図３は、本発明の好ましい実施形態に従うストローク制御プロセスを示すフロー図である。 図４は、電流および電圧 ｖｓコンプレッサ全サイクル時間のプロットの一例である。 図５は、図３のプロセスによって使用される閾値バルブ参照テーブルを示すチャートである。 図６は、ここに説明する制御を実行する試作リニアコンプレッサのための、最小ヘッドクリアランス（「ギャップ」）ｖｓ蒸発温度（Ｔevap）のプロット図である。

Claims (14)

1. 自由ピストンガスコンプレッサであって、
   シリンダと、
   該シリンダ内において交互に圧縮ストロークおよび膨張ストロークで往復可能なピストンと、
   該ピストンに対して駆動可能に結合された、少なくとも一つの励起巻線を有する往復リニア電気モータと、
   コントローラと、を備え、
   該コントローラが、現在の圧縮ストローク持続時間または膨張ストローク持続時間の少なくとも一つを含む関係であって、衝突が存在しない場合も含む（直接または間接に）前記ピストンのＴＤＣ位置を示す関係に基づいて、前記リニアモータに入力される電力を制御または調節し、圧縮ストローク持続時間と膨張ストローク持続時間の差を反映する尺度を得るステップと、該得られた尺度に応答して、前記励起巻線への電力入力を調節するステップと、を実行するようにプログラムされている、
   ことを特徴とする自由ピストンガスコンプレッサ。
2. 前記コントローラは、
   一以上のシステム変数値を得るステップと、
   前記得られたシステム変数に基づいて、複数の予め保存された閾値の中から一つの予め保存された閾値を選択するために、データ格納部にアクセスするステップと、
   前記得られた尺度と前記検索された閾値との間の比較に応答して、前記励起巻線への電力入力を調節するステップと、を実行するようにプログラムされている、
   請求項１に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
3. 前記コンプレッサは吸引ガス圧力センサを含み、
   前記コントローラは、該圧力センサからの入力を受け、また前記コントローラは前記圧力センサ入力から前記システム変数値を得る、
   請求項２に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
4. 前記コントローラは、逆ＥＭＦ検出器を含み、
   １回の圧縮もしくは膨張ストロークの持続時間を表す、連続的な逆ＥＭＦゼロ交差間の各持続時間を得るステップと、交互のストローク間の持続時間における差を計算するステップと、を実行することによって、圧縮ストローク持続時間と膨張ストローク持続時間の間の差を反映した尺度を得るようにプログラムされている、
   請求項１ないし３の何れか１項に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
5. 前記モータが電気的に整流された永久磁石ＤＣモータである、
   請求項１ないし４の何れか１項に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
6. 前記コンプレッサは、更に、
   励起電流が流れていないときに、前記少なくとも一つの励起巻線の中に誘導される逆ＥＭＦをサンプリングするための逆ＥＭＦ検出手段と、
   前記逆ＥＭＦ検出手段の出力に接続されたゼロ交差検出手段と、
   前記ゼロ交差検出手段からの出力パルスの間の時間間隔を決定することにより、前記ピストンの各半サイクルの時間を決定するための手段と、を備えている、
   請求項１ないし５の何れか１項に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
7. 前記コントローラは、前記ピストン動作の二つの連続する半サイクルの持続時間における差を計算し、また該計算された差に基づいて、前記リニアモータへの電力入力を制御または調節するようにプログラムされている、
   請求項６に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
8. 自由ピストンガスコンプレッサであって、
   シリンダと、
   該シリンダ内において交互に圧縮ストロークおよび膨張ストロークで往復可能なピストンと、
   前記ピストンに対して駆動可能に結合された、少なくとも一つの励起巻線を有する往復リニア電気モータと、
   現在の圧縮ストローク持続時間または膨張ストローク持続時間の少なくとも一つを含む関係であって、衝突が存在しない場合を含む（直接または間接に）前記ピストンのＴＤＣ位置を示す関係に基づいて、前記リニアモータに入力される電力を制御または調節する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   圧縮ストローク持続時間と膨張ストローク持続時間の差を反映する尺度を得るための手段と、
   該得られた尺度に応答して、前記暦巻線への電力入力を調節するための手段と、を備えている、
   ことを特徴とする自由ピストンガスコンプレッサ。
9. 前記制御手段は、
   一以上のシステム変数値を得るための手段と、
   前記得られたシステム変数に基づいて、複数の予め保存された閾値の中から一つの予め保存された閾値を選択するために、データ格納部にアクセスするための手段と、
   前記得られた尺度と前記検索された閾値との間の比較に応答して、前記励起巻線への電力入力を調節するための手段と、を備えている、
   請求項８に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
10. 前記コンプレッサは吸引ガス圧力センサを含み、
    前記制御手段は該圧力センサからの入力を受け、
    前記制御手段は前記圧力センサ入力から前記システム変数値を得る、
    請求項９に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
11. 前記制御手段は逆ＥＭＦ検出器を含み、
    圧縮ストローク持続時間と膨張ストローク持続時間の間の差を反映した尺度を得るための前記手段は、連続的な逆ＥＭＦゼロ交差の間の持続時間の尺度を得るための手段であって、前記連続的逆ＥＭＦゼロ交差の間の持続時間が１回の圧縮もしくは膨張ストロークの持続時間を表す手段と、交互のストローク間の持続時間における差を計算するための手段と、を備えている、
    請求項８ないし１０の何れか１項に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
12. 前記モータが電気的に整流された永久磁石ＤＣモータである、
    請求項８ないし１１の何れか１項に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
13. 前記コンプレッサは、更に、励起電流が流れていないときに、前記少なくとも一つの励起巻線の中に誘導される逆ＥＭＦをサンプリングするための逆ＥＭＦ検出手段と、前記逆ＥＭＦ検出手段の出力に接続されたゼロ交差検出手段と、前記ゼロ交差検出手段からの出力パルスの間の時間間隔を決定することにより、前記ピストンの各半サイクルの時間を決定するための手段とを備えている、
    請求項８ないし１２の何れか１項に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
14. 前記尺度を得るための手段は、二つの連続する半サイクルの持続時間の差を計算する手段を含む、
    請求項１３に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。

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