JP4668576B2 - リニア圧縮機及びその動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、リニア圧縮機及びその動作方法に関し、特に、リニア圧縮機の初期駆動時に生じる過度なストロークを低減させるために、電源の供給されない一部のコイルを自動短絡させるリニア圧縮機及びその動作方法に関する。

一般に、圧縮機は、空気や冷媒ガスなどの流体を圧縮させる機械であり、中でもリニア圧縮機(linear compressor)は、モーターの直線駆動力がピストンに伝達され、これにより、ピストンがシリンダー内部で往復直線運動をすることによって、冷媒ガスが吸入圧縮されるようにする装置である。このリニア圧縮機は、大きく、冷媒ガスを圧縮させる圧縮部と、この圧縮部を駆動させる駆動力を提供する駆動部とから構成される。

図１は、従来の技術によるリニア圧縮機の断面図である。

従来の技術によるリニア圧縮機は、図１に示すように、電源を供給する電源部(図示せず)と、冷媒が吸入される吸入管(図示せず)が一側に連結された密閉容器１と、この密閉容器１の内部に固定され、前記冷媒の圧縮空間が形成されたシリンダー２と、このシリンダー２の内部で往復直線運動自在に設置されて、前記圧縮空間に冷媒を吸入し圧縮させるピストン３と、このピストン３の先端と連結されて前記ピストン３が往復直線運動をするように駆動力を供給するリニアモーター６と、を含めて構成される。

また、このリニア圧縮機は、前記ピストン３の後端に設置されて前記シリンダー２とピストン３との間に形成された圧縮空間に冷媒が流入させる吸入弁４と、前記シリンダー２の後端に設置されて前記圧縮空間内の冷媒が外部に吐出されるようにする吐出弁アセンブリーとをさらに含む。

ここで、リニアモーター６は、固定部と駆動部とから構成され、まず、固定部は、円筒状のアウターコア６ａと、このアウターコア６ａの内部に一定の隙間をおいて挿入される円筒形のインナーコア６ｂと、このアウターコア６ａ及びインナーコア６ｂとの間に装着されるコイルアセンブリー６ｃと、を含めて構成される。

また、駆動部は、直線運動自在に前記インナーコア６ｂとコイルアセンブリー６ｃとの間に装着されたマグネット６ｄと、このマグネット６ｄの往復直線運動が前記ピストン３に伝えられるように前記マグネット６ｄとピストン３を互いに連結及び固定させるマグネットフレーム６ｅと、を含めて構成される。

このように構成された従来の技術によるリニア圧縮機では、前記電源部から電源が印加されると、前記コイルアセンブリー６ｃのコイルに電流が流れるようになる。また、このコイルに電流が流れると前記コイルアセンブリー６ｃ周辺に磁場が形成され、この磁場により前記マグネット６ｄは往復直線運動をするようになる。

このとき、前記マグネットフレーム６ｅが前記マグネット６ｄと一緒に往復直線運動をするに伴って、前記ピストン３も前記シリンダー２の内部で往復直線運動をするようになる。

前記ピストン３が、前記シリンダー２の内部で往復直線運動をすると同時に、前記吐出弁５と吸入弁４の作動によって前記密閉容器１内に冷媒ガスが流入し、この流入した冷媒ガスは、前記インナーコア６ｂ内部の貫通穴と前記ピストン３の冷媒貫通路を通して前記シリンダー２内に吸入及び圧縮された後に吐出され、吐出された高温高圧状態のガスは、吐出管(図示せず)を通して密閉容器１の外部へ吐出される。

しかしながら、このようなリニア圧縮機は、初期連結時に電源が前記コイルの一部にのみ印加される場合、この電源の印加されなかった一部コイルでは誘導電流が発生して前記ピストンの運動を妨げる力が生成し、これによって、前記ピストンのストロークが格段に増加し、前記吐出弁と衝突する問題につながる。

前記誘導電流について説明すれば、下記の通りである。

一般に、コイルを固定させ、このコイルの周辺に位置した磁石を動かしたり、または、前記磁石を固定させ、前記コイルを動かしたりすると、このコイルに電流が発生するようになる。また、前記磁石がコイルに近付いたり遠ざかったりするときや、前記磁石の極が変わるときなどに、前記コイルに発生する電流の方向が変わるようになる。

このように、コイルと磁石間の相対的運動により電流が誘導される現象を電磁誘導(electromagnetic induction)といい、このコイルの両端に生じた起電力を誘導起電力というが、このときに、前記誘導起電力により前記コイルに流れる電流を誘導電流という。

この誘導電流は、電源とコイルを連結した閉回路に電流計を接続すると、この電流計の目盛りは直ちに一定の値を指さず、徐々に増加して一定の値に達することになるのが見つけられるし、この誘導電流の強さが変わると、前記コイル周辺に形成される磁場も変わることがわかる。

すなわち、コイルに流れる電流の強さが変わると、コイルを通る磁力線束が変わって誘導起電力が発生するようになるが、このようにコイルに流れる電流の変化によってそのコイル自体に誘導起電力が生じ、同時に誘導電流が流れる現象を自己誘導(self induction)という。このときに発生する誘導起電力は、下記の式１で示される。
Ｖ＝−Ｌ×(ΔＩ／Δｔ) （１）

ここで、比例定数Ｌを自己誘導係数(self inductance)といい、これは、コイル内部鉄心の透磁率、コイルに巻線された数及びコイルの断面積に比例し、コイル長に反比例する。

したがって、上記の式１で示すように、電源の印加されなかった一部のコイルには、電源の印加されたコイルに流れる電流と反対方向に電流が発生するため、既存に発生するストロークよりも一層多いストロークが発生し、よって、前記リニア圧縮機の駆動騒音が大きく増加してしまう。

そこで、前記モーターに印加される電流量を調節できるドライブ(drive)を設置し、前記リニア圧縮機の初期駆動時に印加される電流量を少なく調節したが、これは、部品の追加につながるため、コスト高となる点に問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、リニア圧縮機の初期駆動時に電源部と連結されない一部のコイルを自動短絡し、一定時間が経過すると、短絡されたコイルの連結を解除して前記リニア圧縮機の初期駆動時に発生する過度なストロークの発生を抑えるようにするリニア圧縮機及びその動作方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく、本発明によるリニア圧縮機は、シリンダー内部に設置され、往復直線運動を通じて冷媒を吸入または吐出させるピストンと；前記ピストンが往復直線運動をするように動力を供給するリニアモーターと；前記リニアモーターに電源を供給し、前記リニアモーターの初期動作時に発生する過度なストロークを防止するための自動短絡機能を遂行する電源部と；を含むことを特徴とする。

前記リニアモーターは、入力モードに応じて印加された電流により一定大きさの磁場が周囲に形成されるコイルを含み、このコイルは、入力モードに応じて前記コイルに形成される磁場の強さが段階的に変化するように一定の長さ別に前記コイルが区分されるように少なくとも一つの端子部を含めて構成される。

前記電源部は、入力モードに応じて印加される商用交流電源から出力された電源を前記コイルに伝達し、前記リニアモーターの初期動作時に前記交流電源に接続されなかった端子部をお互いに自動短絡及び解除するように構成される。

上記の目的を達成すべく、本発明によるリニア圧縮機の動作方法は、空気または冷媒ガスなどの流体を圧縮及び吐出させるリニア圧縮機に電源を供給する第１段階と；供給された電源により前記リニア圧縮機が初期駆動時に発生する過度なストロークを抑制するために、入力された前記電源が印加されない一部のコイルを自動短絡させ閉回路を形成する第２段階と；一定時間が経過すると、前記自動短絡状態を解除する第３段階と；を含むことを特徴とする。

前記第３段階において、前記自動短絡状態を解除するに当たり、前記リニア圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差により負荷が形成された後に前記解除動作を遂行する。

本発明のリニア圧縮機によれば、リニアモーターに電源を供給すると同時に、前記リニア圧縮機の初期起動時に接続されないコイルを自動短絡させた後に、一定時間が経過すると自動短絡を解除する電源部を含むため、初期起動時に発生する過度なストローク(stroke)による起動騒音を低減させ、リニア圧縮機の効率性及び便宜性を増大させることが可能になる。

本発明のリニア圧縮機の動作方法によれば、入力された電源が印加されない一部のコイルを自動短絡した後に、一定時間が経過すると前記自動短絡状態を解除するので、初期起動時に発生する過度なストロークを抑えて、前記リニア圧縮機の効率性及び便宜性を増大させ、圧縮動作の信頼性を高めることが可能になる。

以下、本発明の実施形態に従うリニア圧縮機及びその動作方法について、添付図面に基づき詳細に説明する。

本発明に関するリニア圧縮機及びその動作方法の実施形態には、複数のものが存在できるが、下記では最も望ましい実施形態について説明する。ただし、本発明のリニア圧縮機をなす基本的構造は、前述した従来技術のそれとほぼ同様なので、その基本的構造についての詳細説明は省略される。

まず、本発明に従うリニア圧縮機の構造を簡略に説明すれば、このリニア圧縮機は、ピストンと、このピストンと連結されてこのピストンを直線往復運動させるリニアモーターとを含めて構成される。

このリニアモーターは、固定子と可動子とから構成され、この可動子の一側に前記ピストンの固定部が固定され、この固定子に形成された磁場により可動子が直線往復運動をすれば、この可動子と連結されたピストンが前記シリンダー内部を直線往復運動するようになる。

ここで、前記固定子は、積層体からなるアウターコアと、積層体からなるとともに、前記アウターコアと離れて配置されるインナーコアと、前記アウターコアに装着され、電圧が入力されると周囲に磁場を形成するコイルアセンブリーと、から構成され、このコイルアセンブリーは、電圧が入力されると磁場を形成するコイルが内部に装着されている。

また、前記稼動子は、前記アウターコア及びインナーコアとの間に配置されて前記ピストンと固定されるマグネットを含めて構成される。

図２は、本発明の一実施の形態に従うリニア圧縮機において、電源部の構成を示すブロック図であり、図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施の形態に従うリニア圧縮機において初期駆動時の電源部とコイル間の連結を示す図であり、図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施の形態に従うリニア圧縮機において、正常運転時の電源部とコイル間の連結を示す図である。

本発明によるリニア圧縮機は、前記リニアモーター６０に電源を供給し、このリニアモーター６０の初期動作時に発生する過度なストロークを抑える電源部５０を含む。

この電源部５０は、外部から交流電圧が印加される交流電源部７０と、この交流電源部７０から出力された電源を前記コイル９０に伝達し、前記リニアモーター６０の初期動作時に発生する過度なストロークを抑えるために、前記交流電源部７０と連結されなかった一部のコイルを互いに短絡させるストローク制御部８０と、を含めて構成される。

前記ストローク制御部８０は、入力される交流電源の大きさによって前記コイルの一部と各々接続される少なくとも一つのリレー８１と、このリレー８１と接続されて、このリレー８１を通して電源が印加されないコイルの一部を自動短絡させる自動短絡部８２と、含む。

また、コイルアセンブリー６５は、コイル９０と、入力モードに応じて前記コイル９０に形成される磁場の強さが段階的に変化するように一定長さ別に 前記コイル９０が区分されるようにする端子部９１と、を含む。

この端子部９１は、接地端子９１ｄと、第１、第２及び第３端子９１ａ〜９１ｃを含み、負荷または印加電圧に基づいて前記リニアモーター６０に印加される電流を可変させることによって、前記ピストンの往復運動距離であるストロークを調節することができる。

すなわち、前記リニアモーター６０は、外部から入力される電圧が大きいほど前記ピストンのストロークが大きくなり、前記コイル９０の巻線数が増加するほどストロークが小さくなる特徴を持つ。

また、電力供給源から供給される電気の電圧は、所定の値の１５％内外のバラツキをもって前記コイル９０に印加される。

例えば、前記リニアモーター６０は、通常印加される電圧が２２０Ｖである場合、約２０５Ｖ以下の電圧が印加されると、大きく減少するストロークを補償するために前記コイルの巻線数を減少させるローモード(Low mode)で動作し、逆に、約２３５Ｖ以上の電圧が印加されると、急激なストロークの増加を抑えるために前記コイルの巻線数を増加させるハイモード(High mode)で動作し、また、２２０Ｖの電圧が印加されると中間モード(Middle mode)で動作するようになる。

従って、前記端子部９１は、ハイモードで動作する場合には第１端子９１ａが前記リレー８１と接続され、中間モードで動作する場合には第２端子９１ｂが、そしてローモードで動作する場合には第３端子９１ｃが、前記リレー８１と各々接続される。

一方、前記自動短絡部８２は、前記リレー８１が前記コイルのいずれか一つの端子と接続される場合、この端子と、前記リレー８１と接続されない端子部を互いに接続して自動短絡することによって、前記リニアモーター６０の初期駆動時に発生する過度なストロークを抑える。

すなわち、前記ストロークは、前記リニアモーターの初期駆動時に入力電圧がローモードまたは中間モードで接続される場合、前記圧縮機内に負荷がほとんど存在しないゆえに発生したものであるので、前記コイルのうち、電源が連結されなかったコイルの端子を短絡させて閉回路を形成することによってコイルの巻線数を増加させ、前記ストロークを減少させる。

また、入力電源が接続されなかったコイルから発生する誘導電流が、前記コイルと接続されたマグネットの動きを妨げる方向に力が加えられるときにも前記ストロークが過度に発生するので、この場合にもまた、上記の方法と同様にして誘導電流の発生を抑えることができる。

これを、本発明に従うリニア圧縮機の各入力モード別に詳細に説明すると、下記の通りである。

入力電源が、通常の電源よりも低い電源(例えば、２０５Ｖ)であって、ローモードとなる場合、前記リレー８１は、図３（ａ）に示すように、前記第３端子部９１ｃと接続される。このとき、前記自動短絡部８２は、前記リレー８１と接続されなかった前記第１端子９１ａを、前記第３端子９１ｃと自動接続させる。

このように前記第１端子及び第３端子９１ａ,９１ｃが短絡されて閉回路を形成すると、電源が印加されるコイルの巻線数が一時的に増加してストロークが減少するようになり、前記コイルのうち、電源が印加されなかった部分も存在しなくなるので、誘導電流の発生も抑えられる。

また、入力電源が通常の電源(例えば、２２０Ｖ)である場合には、図３（ｂ）に示すように、前記リレー８１が前記第２端子９１ｂと接続され、前記自動短絡部８２は、前記第１端子及び第２端子９１ａ，９１ｂを自動短絡させて閉回路を形成し、これによって、ストロークが抑えられる。

このとき、前記自動短絡部８２により遂行される自動短絡状態は、前記リニア圧縮機の初期駆動時に発生する過度なストロークを抑えるためのものであるので、一定時間が経過した後には、前記リニアモーター６０の正常動作を遂行するためにこの自動短絡状態を解除すべきである。

したがって、前記自動短絡部８２は、一定時間が経過すると、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記短絡状態を自動解除するが、この解除時点は、前記リニア圧縮機の吐出側及び吸入側のガス冷媒による圧力差により負荷が生成されたことを感知した時点となる。

次に、上記のように構成された本発明に従うリニア圧縮機の動作を、図５を参照して詳細に説明する。

図５は、本発明に従うリニア圧縮機の動作方法を示すフローチャートである。

まず、前記リニア圧縮機に交流電源が入力される(ステップＳ１)。

このとき、前記リニア圧縮機に入力される電圧の値が、通常の入力電圧値に至らない場合(例えば、２０５Ｖ)、入力電圧を補償するために前記電源と接続された前記リレーが、前記第３端子と接続されるローモード(low mode)を形成する。

また、入力電圧が通常の値を持つ場合には、前記リレーが、前記第２端子と接続される中間モード(middle mode)を形成し、通常の値よりも高い電圧が入力される場合には(例えば、２３５Ｖ)、前記第１端子と接続されるハイモード(high mode)を形成する (ステップＳ２)。

前記リレーと接続された前記端子部が、第２または第３端子であるか確認し(ステップＳ３)、前記リレーと接続された前記端子部が、第２または第３端子であれば、前記リニア圧縮機の初期駆動時に負荷が生成されないことによって、または、前記端子部に接続されなかったコイルの一部から発生する誘導電流によって、前記リニアモーターに過度なストロークを発生することになるが、これを防止するために、前記第２または第３端子と前記第１端子を自動接続して閉回路を形成する(ステップＳ４)。一方、 前記リレーと接続された前記端子部が、第２または第３端子でなければ、終了する。

続いて、前記リニア圧縮機が駆動される状態で一定時間が経過した後に、前記リニア圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差によって負荷が形成されたか確認し(ステップＳ５)、圧縮機に負荷が形成されなかった場合にはステップＳ４に戻り、圧縮機に負荷が形成された場合には、この負荷により自然にストロークが減少するようになるので、短絡された前記端子部の接続を解除し、前記リニア圧縮機が正常運転されるようにする(ステップＳ６)。

このように前記自動短絡部は、電源印加時に前記コイルに流れる電流の量が急激に変化されることから、前記ピストンで発生する過度なストロークを抑えるべく、未使用のコイルを互いに短絡させる。

以上の如く、本発明のリニア圧縮機及びその動作方法によれば、前記リニアモーターに電源を供給すると同時に、前記リニア圧縮機の初期起動時に接続されないコイルを自動短絡させた後に、一定時間が経過すると自動短絡を解除する電源部を含むため、初期起動時に発生する過度なストローク(stroke)による起動騒音を低減させ、前記リニア圧縮機の効率性及び便宜性を増大させることができる。

また、前記ピストンと吐出弁との衝突を防止して部品の損傷を防止できるので、前記リニア圧縮機の耐久性を増進させることができる。

そして、前記ストロークを制御するための部品をさらに備えなくてすむので、低コストを達成でき、結果として前記リニア圧縮機の価格競争力を大きく向上させることができる。

従来の技術によるリニア圧縮機の断面図である。 本発明の一実施の形態に従うリニア圧縮機の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態に従うリニア圧縮機において、初期駆動時の電源部とコイル間の連結を示す図である。 本発明の一実施の形態に従うリニア圧縮機において、正常運転時の電源部とコイル間の連結を示す図である。 本発明に従うリニア圧縮機の動作方法を示すフローチャートである。

符号の説明

５０ 電源部
５１ リレー
６０ リニアモーター
７０ 自動短絡部

Claims (11)

1. シリンダー内部に設置され、往復直線運動を通じて冷媒を吸入または吐出させるピストンと；
   コイルとマグネットとを含めて構成されて、前記ピストンが往復直線運動をするように動力を供給するリニアモーターと；
   交流電源を供給する交流電源部と、入力モードに応じて前記コイルに形成される磁場の強さが変化するように一定の長さ別に前記コイルが区分される複数個の端子のうち一つの端子に前記交流電源部を接続して前記リニアモーターに前記交流電源を供給し、この接続された端子と、前記交流電源部と接続されなかった端子とを互いに短絡させて、前記リニアモーターの初期動作時に発生する過度なストロークを防止するための自動短絡機能を遂行するストローク制御部と、を含めて構成される電源部と；
   を含むことを特徴とするリニア圧縮機。
2. 前記ストローク制御部は、
   入力モードに応じて前記端子と各々接続される複数個のリレーと;
   前記リレーに接続される端子と前記リレーに接続されなかった端子とを自動短絡させる自動短絡部と；を含めて構成されることを特徴とする、請求項１に記載のリニア圧縮機。
3. 前記自動短絡部は、
   前記リレーが前記コイルのいずれか一つの端子と接続される場合、この端子と、前記リレーと接続されなかった端子と、をお互い接続して自動短絡させ、一定時間が経過すると自動短絡状態を自動解除することを特徴とする、請求項２に記載のリニア圧縮機。
4. 前記端子は、前記コイルが３つに区分され接地される端子に遠い側から、第１、第２及び第３端子であることを特徴とする、請求項３に記載のリニア圧縮機。
5. 前記自動短絡部は、前記リレーが前記第２端子と接続される場合、自動で前記第１及び第２端子を接続させて短絡し、一定時間が経過するとこれら第１及び第２端子の接続を自動解除することを特徴とする、請求項４に記載のリニア圧縮機。
6. 前記自動短絡部は、前記リレーが前記第３端子部と接続される場合、自動で前記第１及び第３端子部を接続して短絡し、一定時間が経過するとこれら第１及び第３端子部の接続を自動解除することを特徴とする、請求項４に記載のリニア圧縮機。
7. 空気または冷媒ガスなどの流体を圧縮及び吐出させるリニア圧縮機に電源を供給する第１段階と；
   供給された電源により前記リニア圧縮機が初期駆動するときに発生する過度なストロークを抑えるために、一定の長さ別に区分されるリニアモーターのコイルのうち電源が伝達された一つの端子と、前記リニアモーターの初期動作時に電源が伝達されなかった端子とを自動短絡させて閉回路を形成する第２段階と；
   を含めてなることを特徴とするリニア圧縮機の動作方法。
8. 前記第２段階は、前記コイルに形成される磁場の強さが段階的に変化するように一定長さ別に区分された前記コイルの第１、第２及び第３端子のうち、第２端子が前記電源のリレーと接続される場合、第１端子が第２端子と自動短絡されて閉回路を形成することを特徴とする、請求項７に記載のリニア圧縮機の動作方法。
9. 前記第２段階は、前記コイルに形成される磁場の強さが段階的に変化するように一定長さ別に区分された前記コイルの第１、第２及び第３端子のうち、第３端子が前記電源のリレーと接続される場合、第１端子が第３端子と自動短絡されて閉回路を形成することを特徴とする、請求項７に記載のリニア圧縮機の動作方法。
10. 前記第２段階の後に、一定時間が経過すると、前記自動短絡状態を解除する第３段階をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載のリニア圧縮機の動作方法。
11. 前記第３段階は、前記リニア圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差により負荷が形成されると、前記第２段階の短絡状態を自動解除することを特徴とする、請求項１０に記載のリニア圧縮機の動作方法。

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