JP4744451B2 - リニアモータ、リニア圧縮機、リニア圧縮機制御方法、冷却システムとリニア圧縮機制御システム - Google Patents

Description

本発明は、リニア圧縮機がその運転の間じゅう最高効率を有するように、リニア圧縮機を共振で運転する目的を有する、リニアモータ、リニア圧縮機、リニア圧縮機制御方法、冷却システムとリニア圧縮機制御システムに関する。

共振リニアモータは、本質的に、リニアモータ、例えば、ばねを備える共振機構、又はリニアモータと負荷の間に共振運動を発生するようにばね効果を生じるなんらかの負荷に連結されたリニアモータを備える。この型式のリニアモータの用途は、一般に、可変負荷を作動させ得る流体ポンプの駆動を含む。

この型式の構造の典型例は、電気エネルギーの経済性の見地からの効率により、冷却システムにしばしば適用されるリニア圧縮機に用いられるリニアモータである。図１に示すように、冷却システムに用いられるリニア圧縮機１００は、通常、ハウジング（不図示）内に装着され、このハウジング内に収容されているガスは、低圧下にあって、リニア圧縮機によって吸引及び圧縮されて、高圧環境７に放出される。

ガス圧縮機構は、ヘッド３を有するシリンダ２内のピストン１の軸方向運動によって行われる。吸込弁３ａと吐出し弁３ｂがヘッド３に配置され、これらの弁は、シリンダ２へのガスの流入とシリンダ２からのガスの流出を調整する。ピストン１は、コイル１１を有する固定子４１１と、サポート４とによって形成されるリニアモータ１０によって駆動される。固定子４１１は、次に、磁石５を作動させ、磁石５は、アクチュエータ、この場合はピストン１を推進させる。アクチュエータは、コイルばね８と連係して、リニア圧縮機１００の共振組立物を形成する。

リニア圧縮機１００によって駆動される共振組立物は、直線往復運動を生成する機能を有して、シリンダ２内のピストンの運動に、吸込弁３ａにより導入されたガスを圧縮する圧縮作用を及ぼさせて、ガスが、吐出し弁３ｂを介して高圧側の管７に排出される。

リニア圧縮機１００の運転の振幅は、リニアモータ１０によって発生されるパワーと、ガスを圧縮する機構によって消費されるパワー及び他の損失の平衡で調整される。

リニア機構の別の特性は、ポンプ容量の変動の可能性であり、電気モータのパワーを減少させると、その運転振幅は、次に、ポンプ容量を減少させる。

リニア圧縮機の振幅を制御するように変動させるべきパラメータは、電気モータの供給電圧である。電気モータの供給電圧から、所望の振幅が得られるまで、電気モータの電気抵抗、電気モータのインダクタンス、コンデンサを使用する場合の逆起電力、共振システム（質量／ばね）のインピーダンスと固有損失を伴う圧縮作業等の各種の結合インピーダンスがある。このシステムのインピーダンスは、システムの作動周波数、即ち、電気モータに印加される電圧の周波数に依存する。ある周波数において、このシステムの出力は最適であり、これは、機構システムが共振に入る時に起こる。この周波数において、リニア圧縮機の出力は最大である。

[「ガスばね」効果]
機構の共振周波数は完全には固定されない。圧縮時に、ガスは、ばね（「ガスばね」としても知られる）に類似の機械的効果を有し、この「ガスばね」は、ピストンと弁板の間の距離とリニア圧縮機が動作する圧力の２個の要因によって主に影響される。

ピストンと弁板の間の距離は、ピストンストロークが減少される時に変更されて、「ガスばね」の増大を生じる。機構の共振において、この効果は、機構の運転安定性に最も関連する。冷却システムにおいて、これらの２個の要因は、システムがオンされる瞬間からシステムが運転状態に到達するまで変動する圧力をかなり変更させる。運転状態は、室温と冷却器の内部温度によって影響される。ピストン／弁板間距離は、システムがその運転のために多かれ少なかれエネルギーを必要とする時に変更させられる。このようにして、機械的システムの共振周波数が各種の要因により変動する。

[本発明の教示で使用できる冷却システム／冷却器／冷凍機]
冷却器には、基本的に、簡略型冷却器と電子技術搭載冷却器の２個の型式がある。一般の冷却器への適用に加えて、本発明の教示は、一般の冷却システム、例えば、空調システムに適用される。この場合、その唯一の概念的差異は、空調システムが部屋（又は冷却された環境）に適用されるのに対し、冷却器又は冷凍機の場合、そのシステムは閉鎖キャビネット内で使用される事実に存する。

いずれにしても、電子技術搭載の冷却器又は冷却システムは、冷却器の内部温度を分析すると共にリニア圧縮機の容量を調整する能力を有して、リニア圧縮機をできるだけ最も効果的に運転する。

この簡略型の冷却器又は冷却システムは、電子技術が搭載されておらず、その容量に応じて動作することができずにリニア圧縮機（オン／オフ型サーモスタット）を時々オン及びオフする１個だけの回路を有する。

効率的に動作するのにも拘わらず、電子技術搭載冷却器は、簡略型冷却器と比較すると明らかにより高いコストを有する。

本発明の教示によれば、簡略型冷却器を用いられる場合でも冷却システムの要求に従って夫々の容量を調整する電子技術能力をリニア圧縮機に付与することができる。この目的のために、リニア圧縮機は、リニア圧縮機を駆動する電気モータの供給電圧と供給電流について行われた測定値に基づいて、冷却器の環境内の必要条件に必要な冷却容量を分析することができねばならない。

[従来技術の説明]
リニア圧縮機を含むシステムの効率を改良する方法の一つは、ピストンを夫々のストローク端にできるだけ近づけることである。これらの手法の例は、米国特許第５，１５６，００５号と米国特許第５，３４２，１７６号の文献に記載されている。これらの２件の文献では、ピストン範囲の制御が記載されている。しかしながら、これらの手法のいずれも、リニア圧縮機が共振で動作するように振幅の制御を予見していない。よって、これらの文献の教示に基づけば、リニア圧縮機は、その負荷条件に応じて低効率で動作する。

リニア圧縮機のピストンの運動を監視するシステムを記載する先行技術が、国際公開第０１／５４２５３号の文献に開示されている。この文献の教示によれば、第１方形波の測定値が電気モータに印加される電流を積分することにより得られると共に、第２方形波が電気モータに印加される電圧から得られる、リニア圧縮機に適用し得るシステムと方法が予見されている。これらの測定値に基づいて、ピストン運動の制御がトライアックによって実行され、第１方形波と第２方形波の位相の間の差を評価する。このようにして、リニア圧縮機のピストンは、弁板により近い位置で動作する。

国際公開第０１／５４２５３号の文献は、「ガスばね」効果に関する不均衡の問題に対処しておらず、この先行技術文献に記載されている発明の目的の一つが、より大きな運転安定性を得ることであるので、そのシステムは、効率の見地から非理想状態で動作し得る。

更に、国際公開第０１／５４２５３号の文献で提案される構造から生じる別の欠点は、位相を方形波によって監視する点である。このやり方は、位相間の差を得るために、電流を積分し、そこに記載された第１及び第２方形波を発生すると共に、第１及び第２方形波の間の位相の差を計算する電子回路又はコンピュータプログラムを用いる必要がある結果に帰着する。しかしながら、この構造とそこに記載されたプロセスは、用いられる多数の部品によりシステムの信頼性を損なう変換を実行する回路を必要とすると共に、各々の追加電子部品が故障のより大きな確率を生むから、より低い信頼性に加えて高製造費を有する。その文献に記載の装置をコンピュータプログラムで実施するオプションも、この場合、極端に複雑なマイクロコントローラを設ける必要があるため、高コストになるから、高コストに帰着する。

更に、リニア圧縮機の冷却システムへの適用は、リニア圧縮機が動作すべき容量について指令信号により制御部に通知し得る電子サーモスタットの使用に依存する。これは、システムを複雑にすると共に、リニア圧縮機のいかなるシステムへの適用も許容しない。

他の可能性は、リニア圧縮機を固定容量で作動させることと、従来のサーモスタット（オン／オフ型）を使用することである。しかしながら、これは、制御部で得られる手段の不十分な利用となる。

本発明の目的は、リニアモータ、リニア圧縮機、リニア圧縮機制御方法、並びに、電子技術搭載の必要が無いと同時に要求に応じて容量を調整する能力を有する冷却器／冷凍機である。言換えると、本発明の教示によれば、冷却器は、リニア圧縮機が通常のリニア圧縮機であるかのように電子技術付きリニア圧縮機を有することにより、簡略型冷却器／冷凍機の特性を不変に維持すると共に、全電子制御をリニア圧縮機に移す。

その上、本発明の目的は、外部電子制御部を使用する必要無しに、変位範囲に関する限り制御状態で動作し得る共振リニアモータを提供することである。

よって、本発明は、複雑なサーモスタットの必要の無いリニア圧縮機を使用することによって冷却システムの動作容量を調整して、どんな型式のシステムへもリニア圧縮機の使用を許容する。
本発明は、従来のサーモスタット（オン／オフ型）を有するいかなるシステムへもリニア圧縮機の使用を許容すると共に、更に、動作容量の調整を許容することにより、リニア圧縮機の全ポテンシャルを使用する。
本発明は、システムを常にできるだけ最大効率で動作させるように、リニア圧縮機の機能を最適化する。
本発明は、常に最適機能状態で動作すべき共振リニアモータを、その挙動を制御する外部回路を使用する必要無しに、運転する。

上記したように、機構の共振周波数は、リニア圧縮機の圧力と動作振幅の関数として変動する。圧力は、可変であると共にある瞬間は少なくとも直接的には非制御可能であるので、リニア圧縮機は非共振で動作することにより、性能の低下を招く。一方、変位範囲又はピストンストロークは制御可能な可変であるので、本発明によれば、機構を完全な同調状態に、従って、最高性能に維持するべく、電流とピストン速度の間の位相を最小化又は零にするために、動作ストロークを変動／調整することが予見される。冷却システムを分析することにより、冷却器のドアが開いたり新たな熱的負荷がシステムに追加される時に、リニア圧縮機の吸出し圧力が上昇することが認識される。この状態において、動作振幅を変動することにより最小化された位相を維持する方針は、リニア圧縮機にストロークを増加させることにより、システムにおいて追加された熱を回収する必要を満たす。

電流とピストン速度の間の位相の読みを参照するにも拘わらず、この位相を他のパラメータを読むことにより得られることを理解すべきであり、例えば、ピストン速度を、互いに９０°をなすピストン変位と置換して、制御回路の組立の便利のためにピストン位置を参考として使用することにより、位相を読むのにこの情報を使用してもよいことは重要である。電流と機構の力学（例えば、逆起電力（ＣＥＭＦ））の間の位相を測定する目的で、速度を、同相のＣＥＭＦと置換することもできる。好ましくは、電流位相とＣＥＭＦ位相の平均を使用して、電気モータ位相が得られる。

ＣＥＭＦは次式で得られる。
ここで、ｋは定数であり、δＤ_Ｐはピストン変位導関数であり、δｔは時間導関数である。

ピストン運動は近似的に正弦波であるので、変位が最大になる時、ＣＥＭＦが零を通過することを知ることができる。この値を検出するために、ピストンが、例えば、そのストローク端に近い時に信号のピークを示す近接センサーを設けるだけで十分である。よって、ＣＥＭＦ位相を測定するために、最大ピストン変位の点が測定される。

共振の挙動に関して、ピストン変位の範囲が増加されるにつれて、リニア圧縮機の共振周波数が低下させられる。一方、冷却システムによって要求される負荷が大きくなるにつれて、共振周波数が高くなる。

リニア圧縮機の吸込弁において冷却システムによって要求される吸込圧力が増加すると、これは、熱的負荷が冷却器に入力されたことを意味するので、この現象が発生する。このより暖かいマスは、冷却システムの内部環境の温度を上げて、冷却液が飽和液状であるため蒸発圧力を上昇させるから、圧力と温度は固有的に相互に関連すると結論することができる。よって、より暖かいなにかを冷却器内に配置する事実は、圧力の上昇を招いて、ピストンに対するガス圧力を上昇させることにより、機構の共振を低減する結果、リニア圧縮機の移相を生じる。

実際上、これは、冷却器内の熱が上昇するにつれて、システムの負荷も上昇することにより、システムの共振周波数を上げると共に、ピストンストロークを増加させるべきである結果、ピストンストロークがより長くなるため、共振周波数が減少することを意味する。この場合、共振周波数がシステムに追加された負荷の関数として上昇したことによる差は、システムを前の周波数（又は共振周波数）で再び動作させて、ピストン変位を増加させることにより、組立物を共振周波数で動作させる。

一方、システムの負荷の減少（周囲温度を低下させる冷凍食品）は、システム位相の増加につながる結果、位相が正にされると共に、位相が零値に達するまでシステム容量の減少が補償される。

このようにして、移相が正である間は、システムが再び共振で動作するように、冷却器容量を減少させるべきである一方、移相が負である時は、システムが再び共振で動作するように、リニア圧縮機の容量を増加させるべきである。

本発明の目的の一つは、固定子と、アクチュエータとを備えるリニアモータにおいて、リニアモータに印加されると共に可変周波数インバータで処理ユニットによって調整される被制御電圧が、固定子に供給され、又、リニアモータは、電圧周波数を有し、アクチュエータの変位から負荷を移動させると共に、共振周波数を有する共振組立物を負荷と形成し、更に、処理ユニットが、アクチュエータの変位範囲を被制御電圧によって制御するように構成され、且つ、処理ユニットが、共振組立物を共振に動的に保持するように、負荷変動の間じゅう共振周波数の変動に比例して変位範囲を選択的に増減するリニアモータによって達成される。

更に、本発明の目的の一つは、冷却システムに適用可能なリニア圧縮機において、リニアモータによって駆動されるピストンを備えると共に共振周波数を有し、又、ピストンが、被制御電圧によって制御される変位範囲を有し、又、被制御電圧が、リニアモータに印加されると共に処理ユニットによって調整される電圧周波数を有し、更に、処理ユニットが、ピストンの変位範囲を冷却システムの可変要求量の関数として動的に制御するように構成され、且つ、リニア圧縮機が冷却システムの要求量の変動の間じゅう共振に動的に保持されるように、処理ユニットがピストンの変位範囲を調整し、又、ピストンの変位の制御が、可変周波数インバータによって調整される被制御電圧によって行われ、更に、冷却システムの要求量の変動が生じると、可変周波数インバータが、リニア圧縮機の共振周波数の値に等しい値に被制御電圧の電圧周波数を動的に調整するリニア圧縮機によって達成される。

本発明の目的は、又、リニアモータによって駆動されるピストンを備えるリニア圧縮機を制御する方法において、リニアモータが、リニアモータの電圧周波数を有する被制御電圧を供給されると共にリニア圧縮機の容量を発生し、又、リニアモータの供給周波数を測定すると共に、その測定値を基準周波数と比較することにより、供給周波数を補償するステップと、電圧周波数が基準周波数より高い場合にリニア圧縮機の容量を増加させるか、又は、電圧周波数が基準周波数より低い場合にリニア圧縮機の容量を減少させるステップとを備える方法によって達成される。

更に、本発明の目的は、供給電流の供給位相とリニア圧縮機のピストンの動的位相を測定するステップと、測定位相を測定及び確定するステップと、測定位相の値が零になるよう冷却システムの要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機が共振に保持されるように、リニア圧縮機の要求量の変動の関数として変位範囲を動的に調整するステップとを備える方法によって達成される。

更に、本発明の教示は、リニア圧縮機と、リニア圧縮機を作動させるオン／オフ型サーモスタットとを備える冷却システムにおいて、リニア圧縮機が、リニアモータによって駆動されるピストンを備え、又、ピストンが、被制御電圧によって制御される変位範囲を有し、更に、被制御電圧が、リニアモータに印加されると共に処理ユニットによって調整される電圧周波数を有する一方、サーモスタットがリニア圧縮機をオンしている間、ピストンの変位範囲が、冷却システムの可変要求量に関して動的に制御され、又、リニア圧縮機が共振周波数を有し、更に、冷却システムの要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機が共振に動的に保持されるように、処理ユニットがピストンの変位範囲を調整し、又、変位が、被制御電圧で可変周波数インバータによって調整され、更に、冷却システムの要求量の変動が生じると、可変周波数インバータが、リニア圧縮機の共振周波数の値に等しい値に被制御電圧の電圧周波数を動的に調整する冷却システムによって達成される。

図２は、電子技術搭載冷却器／冷凍機を備えるシステムを図示する。この場合、電子サーモスタット２５が、冷却システム２０に組込まれていると共に、処理ユニット２２用の基準信号を供給する。次に、処理ユニット２２は、リニア圧縮機１００を制御して、ピストン１の変位に対応する信号をセンサーＳＳから受信する。

[電子制御部]
図３は、簡略型冷却器に適用される冷却システム２０を図示する。理解されるように、この場合、冷却システム２０は、処理ユニット２２をオンオフする信号だけを供給する。このようにして、冷却システム２０は、電子技術搭載冷却器／冷却システムに予見される全ての電子技術を免除することができる。更に、この構造により、処理ユニット２２を、各種の冷却器／冷凍機／冷却システム２０メーカーに供給されるリニア圧縮機１００に組込むことができることにより（番号３１参照）、従来の装置と比較して高い融通性を有する装置となる。処理ユニット２２に連係する近接センサー３０は、ピストン１が夫々のストローク端に接近する時にピストン１の位置を提供する。実際上、ピストンストロークの小さな変動はリニア圧縮機の容量の大きな変動に対応するので、例えば、８．５ｍｍの最大ストローク（最大容量）に対して、最小ストロークは約６．５ｍｍ（零に近い容量）となる、即ち、容量に対するストローク変動範囲の約２ｍｍは、零から最大まで変動する。

図４は、処理ユニット２２の詳細を図示する。理解されるように、処理ユニット２２は、ゲート４２を介してトライアック４１を制御するマイクロコントローラ４０を備える。マイクロコントローラ４０は、ネットワークＶ_ＡＣの電圧ＺＴの零の検出信号と、トライアック４１の出口における電流ＺＣの零信号を受信する。もし電子技術搭載冷却器が使用されるならば、変位基準信号ＲＥＦが冷却器によって供給される。本発明の主な信号は、近接センサー３０の信号ＳＳから得られると共に、例えば、その内容が参考として本明細書に組込まれたブラジル国特許出願第ＰＩ０３０１９６９−１号の教示に従って処理されるべき変位信号ＤＰを指す。オプションとして、ＺＣと異なる瞬間における供給電流ｉ_Ａの値を使用してもよく、この目的のために、正確な測定値を得るように必要な調整をするべきである。

[制御アルゴリズム]
図５は、リニア圧縮機１００を共振に保持できるように、リニアモータ１０に印加すべき被制御電圧Ｖ_Ｍを得るようにする、本発明の第１の実施の形態にかかるアルゴリズムを図示する。理解されるように、被制御電圧Ｖ_Ｍの値を計算するために、動的位相φ_Ｐと電流供給位相φ_Ｃの差、即ち、
φ_ＰＣ＝φ_Ｐ−φ_Ｃ
から得られる測定位相φ_ＰＣを計算する必要がある。

電流位相又は供給位相φ_Ｃの計算は、電流ＺＣの零と零電圧ＺＴからされるのに対し、ピストン変位位相又は動的位相φ_Ｐの計算は、ピストン変位信号ＤＰと電圧ＺＴの零からされる。

更に、供給位相φ_Ｃの取得に関して、供給電流ｉ_Ａは、電流ＺＣの零を確定する予備設定時点を捕捉することを可能にする零の通過を有しない。これは、例えば、供給電流ｉ_Ａがある時間の間零のままである図８、図９と図１０に観察される。この場合、予備設定時点は、供給電流ｉ_Ａを零に保留する平均点として考慮されるべきである。

動的位相φ_Ｐと供給位相φ_Ｃの値から、測定位相φ_ＰＣの値を得ることができると共に、最大ピストン変位の基準値ＤＰ_ＲＥＦ（設定された物理位置を得ると期待される変位）を得ることができる。この値は、図１１のアルゴリズムによって得られる。

最大ピストン変位の基準値ＤＰ_ＲＥＦが一旦得られると、基準最大ピストン変位ＤＰ_ＲＥＦとピストン変位の最大値ＤＰ_ＭＡＸの間の誤差値Ｅ_ＤＰを得るためには、次式に示すように、最大ピストン変位ＤＰ_ＭＡＸを基準最大ピストン変位ＤＰ_ＲＥＦから減じることで十分である。
Ｅ_ＤＰ＝ＤＰ_ＲＥＦ−ＤＰ_ＭＡＸ

この結果から、制御電圧Ｖ_Ｐの値は誤差Ｅ_ＤＰの関数であるから、制御電圧Ｖ_Ｐの値を得ることができる。この関係は、図１１のフローチャートに観察される。図１１において、増加するＤＰ_ＲＥＦと共に増加する容量を変化させてもよいと共に、減少するＤＰ_ＲＥＦと共に減少する容量を変化させてもよい。別のやり方として、例えば、ＤＰ_ＲＥＦを変更するために、比例積分微分（ＰＩＤ）アルゴリズム等の従来方法を使用してもよく、この場合、その計算は次式で行われる。
ここで、制御における標準的な専門用語から知られるように、Ｋ_Ｐは比例定数であり、Ｋ_Ｄは微分定数であり、Ｋｉは積分定数である。

更に、制御電圧Ｖ_Ｐの値はφ_ＰＣの関数であるから、制御電圧Ｖ_Ｐの値を直接増減させてもよい。この場合、図１１のフローチャートにおいて、増加するＶ_Ｐと共に増加する容量を変化させてもよいと共に、減少するＶ_Ｐと共に減少する容量を変化させてもよい。よって、このオプションでは、以下の式を用いることにより、Ｖ_Ｐをφ_ＰＣから変更するためにＰＩＤアルゴリズム等の従来方法を使用してもよい。
ここで、定数は上記のものと同じである。

制御電圧Ｖ_Ｐの値から、トライアックのトリガ角度を計算することにより被制御電圧Ｖ_Ｍを調整することができる。

図６と図７のグラフによれば、システム負荷の増加（室温の増加、システムの熱的負荷の増加）は、システム位相の減少につながる。もし負荷のこの増加が大きいと（図７の「最大負荷」と表記された破線参照）、位相は負の値に移行する。これをシステムの容量の増加（ピストン１のストロークの増加）によって補償することにより、位相を増加させることができる。よって、容量の連続的な増分は位相を零値に導く、即ち、システムが共振動作する。同等なやり方として、負荷が減少（図７の「最小負荷」と表記された破線参照）すると、位相は正の値に移行し、この変動は位相の増加によって補償することができる。よって、連続的な増分は位相の値を零に満ちびく、即ち、システムが共振動作する。

位相を増減するやり方に関する限り、サイクル毎又はセミサイクル毎の供給位相φ_Ｃと動的位相φ_Ｐの読みが予見される。よって、測定位相φ_ＰＣが零と異なる時はいつでも、制御システムはピストン変位に対して作動すべきであり、動的位相φ_Ｐの読みは、本明細書に参考として組込まれたブラジル国特許出願第ＰＩ０３０００１０−９号の教示に従ってなされる。

デクリメントの振幅は、制御システムによって生じるインクリメント／デクリメントに応じたシステムの反応を考慮すべきである。よって、もしインクリメント／デクリメントの値が大きければ、より長い安定化時間が必要となり、逆の場合は、安定化時間はより短くなる。典型的に、安定化時間は、圧縮機時間と冷却システムの定数に依存する。一例として、所定時間、例えば、約１０〜６０秒間待機して、システム位相が一定になるまでシステム位相を監視することを選択してもよい。

オプションとして、可変インクリメント／デクリメント値を使用することができる。この場合、もし測定位相φ_ＰＣが大きいと、より大きなインクリメント／デクリメントを使用して、測定位相φ_ＰＣの値が零に接近するように測定位相φ_ＰＣの値を減少させてもよい。この場合、インクリメント／デクリメントの１％の基準値を選択してもよい。

図８は、リニア圧縮機１００が共振動作している、即ち、φ_ＰＣ＝φ_Ｐ−φ_Ｃ＝０である時のネットワークＶ_ＡＣの電圧、逆起電力（ＣＥＭＦ）、リニアモータ１０の電流ｉ_Ａ、ピストン位置ＤＰと近接センサー（不図示）の信号の波形を図示するタイミングチャートを示す。

理解されるように、リニアモータ１０の供給電流ｉ_Ａが零を通過する時、ピストン変位は最大である共振の状態では、近接センサーは測定可能信号（番号８０参照）を示す瞬間である。この状態で、リニア圧縮機１００は最適条件で動作する。何故なら、この場合、ピストン１がその経路の方向を変えている瞬間に、供給電流ｉ_Ａが零を通過している、即ち、ピストン１に力を印加する必要が無い時にピストン１が最大変位の瞬間を通過するからである。ピストン１が中間変位（番号８２参照）である時、供給電流ｉ_ＡとＣＥＭＡが、最大となって、ピストン１をできるだけ最も効果的に推進する。

図９において、リニア圧縮機１００が共振より上で動作している、即ち、ＣＥＭＦがリニアモータ１０の供給電流ｉ_Ａに対して遅延していることが観察される。この場合、数式はφ_ＰＣ＝φ_Ｐ−φ_Ｃ＞０であって、被制御電圧Ｖ_Ｍを下げることによりリニア圧縮機１００の容量を減少すべきである。ピストン１がその経路の最大変位にある時、供給電流ｉ_Ａをリニアモータ１０に印加すべきでない瞬間であるが、供給電流ｉ_Ａは、この瞬間に有効値を既に有することを注目すべきである。ピストン１がその経路の中間にある（番号９０参照）、移相の同じ状態では、最大供給電流ｉ_Ａをリニアモータ１０に印加すべき瞬間であるが、供給電流ｉ_Ａは既にレベルの低下を受けている。よって、上記の２個の状態で、エネルギーの無駄があるから、リニア圧縮機１００の動作効率が全体として低下する。

図１０において、リニア圧縮機１００が共振より下で動作している、この場合、ＣＥＭＦがリニアモータ１０の供給電流ｉ_Ａに対して前進していて、数式はφ_ＰＣ＝φ_Ｐ−φ_Ｃ＜０であることが観察される。この場合、システムに共振動作させるために、リニア圧縮機１００の容量をインクリメントすべきである。

理解されるように、供給電流ｉ_Ａをリニアモータ１０に印加すべきでない状態でピストン変位が最大である瞬間に、供給電流ｉ_Ａが零でないことが観察されるから、位相に遅延があるので、リニア圧縮機は低有効性で動作させられる。更に、ピストン１が変位の中間にある（番号１０１）時、供給電流ｉ_Ａの最大値をリニアモータ１０に印加すべきであるが、供給電流ｉ_Ａは最大ではなく、この場合にも、リニア圧縮機１００の効率が低下させられる。

[リニア圧縮機の用途]
構造的に、リニア圧縮機１００とリニア圧縮機１００を制御するシステムは、以下の特性を有する。リニア圧縮機１００は、ピストン１を備える共に、リニアモータ１０によって駆動され、更に、リニアモータ１０は、被制御電圧Ｖ_Ｍで制御される変位範囲を生じ、この被制御電圧Ｖ_Ｍは電圧周波数ｆ_Ｐを有する。ピストン１の変位範囲は、冷却システム２０の可変要求量の関数として処理ユニット２２を介して動的に制御され、処理ユニット２２が、ピストン１の変位範囲を調整することにより、リニア圧縮機１００が、冷却システム２０の要求量の変動の間じゅう動的に共振に保持される。よって、変位範囲は、冷却システム２０によって要求される負荷の変動に起因する変化の間じゅう調整されて、リニア圧縮機に共振動作させる。リニア圧縮機１００を制御するシステムは、単体で捉えた時、リニア圧縮機に共振動作させるべく変位範囲の動的調整をするように、リニア圧縮機に適用可能であるべきである。

[冷却システムの用途]
既述したように、冷却器／冷凍機又は空調システム及び類似のシステムを含む冷却システム２０は、リニア圧縮機１００によって作動されるオン／オフ型サーモスタットを備えて、サーモスタットがリニア圧縮機をオンする時間の間にピストンの変位範囲を冷却システム２０の可変要求量の関数として動的に制御するようにすべきである。処理ユニット２２は、冷却システム２０の要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機に共振動作させるように、ピストンの変位範囲を動的に調整すべきである。

リニア圧縮機１００を制御するために、本発明の制御システムと冷却システム２０は、図１１のフローチャートに従う、リニア圧縮機１００を制御する方法を備える。

ピストン１の変位範囲の制御は、処理ユニット２２によって調整される被制御電圧Ｖ_Ｍによってなされる。被制御電圧Ｖ_Ｍのレベルを調整するために、本明細書に参考として組込まれたブラジル国特許出願第ＰＩ９９０７４３２−０号の教示に従うことを選択してもよい。

[リニアモータの用途]
一般のリニア圧縮機に使用可能な制御部を想定して、本発明の教示を他の型式の利用に適用されるリニアモータ１０に用いることができる。この場合、アクチュエータ（不図示）は、圧縮機１００に使用されるピストン１と同じ機能を有する。即ち、アクチュエータは、固定子４１１において発生される力を受けて、負荷を移動させると共に、共振周波数を有する共振組立物を形成する。

リニア圧縮機１００の制御で予見されるのと同様にして、アクチュエータは、処理ユニット２２からの被制御電圧Ｖ_Ｍによって制御される変位範囲を有する。よって、共振組立物は、負荷の変動の間じゅう共振に動的に保持される。

リニアモータ１０の制御は処理ユニット２２によってなされ、処理ユニット２２は、供給電流ｉ_Ａの供給位相φ_Ｃと、この場合は、ピストンよりももむしろアクチュエータの動的位相φ_Ｐとを測定すると共に、被制御電圧Ｖ_Ｍを調整するから、測定位相φ_ＰＣの値は零になる。

又、被制御電圧Ｖ_Ｍの電圧周波数ｆ_ＶＭに動的に調整すべき可変周波数インバータを用いることにより、負荷変動発生時に共振組立物の共振周波数の値に等しい値にリニアモータ１０を制御してもよい。

[位相調整による制御方法]
制御方法を実行するために、処理ユニット２２は、リニア圧縮機１００の運転の間じゅうピストン１の変位範囲を監視すると共に、リニア圧縮機１００の要求量の変動の関数として変位範囲を動的に調整する。よって、リニア圧縮機１００は、冷却システム２０の要求量の変動の間じゅう共振に保持される。

リニア圧縮機１００に共振動作させるために、供給電流ｉ_Ａの供給位相φ_Ｃとリニア圧縮機１００のピストン１の動的位相φ_Ｐを測定すると共に、測定した位相の間の差を測定して、測定位相φ_ＰＣを確定する。

測定位相φ_ＰＣを確定するステップの後、測定位相φ_ＰＣの値が正である時はピストン１の変位範囲を減少させ、測定位相φ_ＰＣの値が負である時はピストン１の変位範囲を増加させる。更に、常に、ピストン１の変位を、測定位相φ_ＰＣを零にするのに必要な値に増減すべきである。

参考として、ピストンの変位範囲を増減するステップの後、供給位相φ_Ｃと動的位相φ_Ｐの差を再び測定する前に安定化時間が経過するまで待機すべきである。

[位相周波数の調整による制御方法]
本発明の第２の好ましい実施の形態によれば、圧縮機を常に共振で運転させるべく、モータに印加される周波数を制御するように、圧縮機を制御する別の方法が提供される。
この場合、可変周波数インバータ（不図示）を使用することにより、制御が可変周波数で行われる。このようにして、リニア圧縮機１００に印加される負荷が変更される時、システムの動的位相φ_Ｐの変化もあり、それが本発明の制御システムによって検出されて、圧縮機を共振で運転するように周波数を変化させる。この制御は、冷却システム２０の要求量の変動が生じるにつれて、可変周波数インバータによりリニア圧縮機１００の共振周波数に等しい値に電圧周波数ｆ_ＶＰを調整することにより、動的に行われる。

この種の調整のやり方は、例えば、供給電流を最小化するように周波数を変動することや、電流とＣＥＭＦの間の位相を零にするように周波数を変動することを含む。

図１２及び図１３に示すように、負荷が増加する時、圧縮機１００の周波数が増加し、システムを共振で運転するように夫々の容量をインクリメントすべきである。逆も同様に、負荷が減少する時、即ち、ピストン１のストローク／圧縮機１００の容量が増大して、周波数が減少する時、制御システムはストローク／容量を減少させるべきである。本発明の第１の好ましい実施の形態と同様に、周波数を変動させることによりピストン１の調整（圧縮機１００の容量）の同じ概念を維持して、簡単な「オン／オフ型サーモスタット」で冷却システムを運転することができる。

この点に関して、本発明の第１の好ましい実施の形態と第２の実施の形態の基本的な概念は類似であることを認識できる、即ち、共振周波数に対する圧縮機に印加される負荷の変化の影響を認識することができ、この情報で、ピストンストローク（圧縮機容量）を変更する。

本実施の形態の制御方法は、図１４に示すフローチャートに従って、電圧周波数ｆ_ＶＰであるリニアモータ１０の供給周波数を測定するステップと、次に、この測定を、通常５０又は６０Ｈｚである基準周波数ＦＲで補償するステップで進められる。

この補償ステップで、もし電圧周波数ｆ_ＶＰが基準周波数ＦＲより高いと、リニア圧縮機１００の容量をインクリメントすべきである。もし電圧周波数ｆ_ＶＰが基準周波数ＦＲより低いと、リニア圧縮機１００の容量を減少させるべきである。

第１実施の形態及び第２の実施の形態のこれらの方法をシステムのためのできるだけ最善の条件で操作するためには、システムが安定し且つ低容量である時（この条件では、システムは時間の８０％で動作するべきである）、リニア圧縮機１００は共振動作するように設計されるべきである。このようにして、より大きな容量が必要である時、アルゴリズムはリニア圧縮機１００の容量を増加するだろう。

アルゴリズムが有するべき他の能力は、最大（急速）凍結の機能である。フリーザにおいて、この機能が生きていると、リニア圧縮機１００はサイクル無しで２４時間機能し、可変容量システムでは、リニア圧縮機は、負荷又は内部温度に拘わらず最大容量で機能する。この機能を行うためには、アルゴリズムはサイクル時間を測定し、もしこの時間が例えば２時間の基準値より長いと、アルゴリズムは、位相状態とは独立して最大容量に向かうと共に、システムがサイクルする時又は２４時間が経過した時に再び正常に動作する。

[提案した解決の利点は以下の通りである：]
リニア圧縮機を従来のサーモスタットを備える簡単なシステムに適用すると共に、可変容量の利点を用いることができることと、
冷却／冷凍システム２０のコストを低減することと、
リニア圧縮機の機能を最適化すること（リニア圧縮機が常に最大効率で動作すること）と、
リニア圧縮機の性能が改善されることと、
冷却システム２０の必要に応じたリニア圧縮機のポンピング容量に補正があることとである。

リニア圧縮機の略図である。 本発明の制御システム、リニア圧縮機と冷却システムの線図である。 従来のサーモスタットの使用を図示する、制御システム、リニア圧縮機と冷却システムのブロック図である。 本発明の制御システムのブロック図である。 本発明のリニア圧縮機と冷却システムに適用し得る容量の自動制御アルゴリズムの線図である。 位相の関数としての電気モータの負荷の曲線を表す。 各種の負荷に対する位相の関数としての電気モータの容量の曲線を表す。 リニア圧縮機が共振動作（φ_ＰＣ＝φ_Ｐ−φ_Ｃ＝０）している状態における電圧ネットワーク、逆起電力（ＣＥＭＦ）、電気モータの電流、ピストンの位置とセンサーの信号の波形を図示するタイミングチャートである。 リニア圧縮機が共振より上で動作（φ_ＰＣ＝φ_Ｐ−φ_Ｃ＞０）している状態における電圧ネットワーク、逆起電力（ＣＥＭＦ）、電気モータの電流、ピストンの位置とセンサーの信号の波形を図示するタイミングチャートである。 リニア圧縮機が共振より下で動作（φ_ＰＣ＝φ_Ｐ−φ_Ｃ＜０）している状態における電圧ネットワーク、逆起電力（ＣＥＭＦ）、電気モータの電流、ピストンの位置とセンサーの信号の波形を図示するタイミングチャートである。 本発明のリニア圧縮機を制御する方法のフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態において、位相の関数としての電気モータの負荷の曲線を表す。 本発明の第２の実施の形態において、各種の負荷に対する位相の関数としての電気モータの容量の曲線を表す。 本発明の第２の実施の形態にかかるリニア圧縮機を制御する方法のフローチャートである。

符号の説明

１ ピストン
２ シリンダ
３ ヘッド
８ コイルばね
１０ リニアモータ
１１ コイル
２０ 冷却システム
２２ 処理ユニット
４０ マイクロコントローラ
４１ トライアック
１００ リニア圧縮機

Claims (19)

1. 固定子（４１１）と、アクチュエータとを備えるリニアモータ（１０）において、
   リニアモータ（１０）に印加されると共に可変周波数インバータで処理ユニット（２２）によって調整される被制御電圧（Ｖ_Ｍ）が、固定子（４１１）に供給され、又、リニアモータ（１０）は、アクチュエータの変位から負荷を移動させると共に、共振周波数を有する共振組立物を負荷と形成し、更に、処理ユニット（２２）が、アクチュエータの変位範囲を被制御電圧（Ｖ_Ｍ）によって制御するように構成され、且つ、処理ユニット（２２）が、共振組立物を共振に動的に保持するように、負荷変動の間じゅう共振周波数の変動に比例して変位範囲を選択的に増減するリニアモータ。
2. 冷却システム（２０）に適用可能なリニア圧縮機（１００）において、
   リニアモータ（１０）によって駆動されるピストン（１）を備えると共に共振周波数を有し、又、ピストン（１）が、被制御電圧（Ｖ_Ｍ）によって制御される変位範囲を有し、又、被制御電圧（Ｖ_Ｍ）が、リニアモータ（１０）に印加されると共に処理ユニット（２２）によって調整される電圧周波数（Ｆ_ＶＭ）を有し、更に、処理ユニット（２２）が、ピストン（１）の変位範囲を冷却システム（２０）の可変要求量の関数として動的に制御するように構成され、且つ、リニア圧縮機（１００）が冷却システムの要求量の変動の間じゅう共振に動的に保持されるように、処理ユニット（２２）がピストンの変位範囲を調整し、又、ピストンの変位の制御が、可変周波数インバータによって調整される被制御電圧（Ｖ_Ｍ）によって行われ、更に、冷却システム（２０）の要求量の変動が生じると、可変周波数インバータが、リニア圧縮機（１００）の共振周波数の値に等しい値に被制御電圧（Ｖ_Ｍ）の電圧周波数（ｆ_ＶＭ）を動的に調整するリニア圧縮機。
3. 被制御電圧（Ｖ_Ｍ）が、リニアモータ（１０）内を循環する供給電流（ｉ_Ａ）を発生する一方、処理ユニット（２２）が、供給電流（ｉ_Ａ）の供給位相（φ_Ｃ）とリニア圧縮機（１００）のピストン（１）の動的位相（φ_Ｐ）を測定し、更に、処理ユニット（２２）が、供給位相（φ_Ｃ）と動的位相（φ_Ｐ）の間の差を測定することにより、測定位相（φ_ＰＣ）を確定し、且つ、測定位相（φ_ＰＣ）の値が零になるように、処理ユニット（２２）が被制御電圧（Ｖ_Ｍ）を調整する請求項２に記載のリニア圧縮機。
4. 測定位相（φ_ＰＣ）の値が正である時に被制御電圧（Ｖ_Ｍ）が減少させられる一方、測定位相（φ_ＰＣ）の値が負である時に被制御電圧（Ｖ_Ｍ）が増加させられる請求項３に記載のリニア圧縮機。
5. 供給位相（φ_Ｃ）が、供給電流（ｉ_Ａ）の予備設定時点から得られる請求項４に記載のリニア圧縮機。
6. 供給電流（ｉ_Ａ）の予備設定時点が、供給電流（ｉ_Ａ）による零の通過である請求項５に記載のリニア圧縮機。
7. 予備設定時点が、供給電流（ｉ_Ａ）を零に保留する平均点において得られる請求項６に記載のリニア圧縮機。
8. 動的位相（φ_Ｐ）が、ピストン（１）の変位（ＤＰ）の信号から得られる請求項７に記載のリニア圧縮機。
9. 動的位相（φ_Ｐ）の値が、処理ユニット（２２）に電気的に連係する変位センサー（３０）によって得られる請求項８に記載のリニア圧縮機。
10. 動的位相（φ_Ｐ）の値が、ピストン（１）の変位（ＤＰ）の位置から得られる請求項９に記載のリニア圧縮機。
11. リニアモータ（１０）によって駆動されるピストン（１）を備えるリニア圧縮機（１００）を制御する方法において、
    リニアモータ（１０）が、リニアモータ（１０）の電圧周波数（Ｆ_ＶＰ）を有する被制御電圧（Ｖ_Ｍ）を供給されると共にリニア圧縮機（１００）の容量を発生し、又、リニアモータ（１０）の供給周波数（ｆ_ＶＰ）を測定すると共に、その測定値を基準周波数（ＲＦ）と比較することにより、供給周波数（ｆ_ＶＰ）を補償するステップと、電圧周波数（ｆ_ＶＰ）が基準周波数（ＲＦ）より高い場合にリニア圧縮機（１００）の容量を増加させるか、又は、電圧周波数（ｆ_ＶＰ）が基準周波数（ＲＦ）より低い場合にリニア圧縮機（１００）の容量を減少させるステップとを備える方法。
12. リニア圧縮機（１００）の容量を増加又は減少させるステップの後で、安定化時間の経過を待つステップを設けた請求項１１に記載の方法。
13. 安定化時間の経過後に、リニアモータ（１０）の供給周波数を再び測定する請求項１２に記載の方法。
14. リニアモータ（１０）によって駆動されるピストン（１）を備えるリニア圧縮機（１００）を制御する方法において、
    ピストン（１）は、被制御電圧（Ｖ_Ｍ）によって制御される変位範囲を有し、又、被制御電圧（Ｖ_Ｍ）が、リニアモータ（１０）に印加されると共に処理ユニット（２２）によって調整される電圧周波数（ｆ_ＶＭ）を有し、且つ、被制御電圧（Ｖ_Ｍ）が、リニアモータ（１０）内を循環する供給電流（ｉ_Ａ）を発生する一方、供給電流（ｉ_Ａ）の供給位相（φ_Ｃ）とリニア圧縮機（１００）のピストン（１）の動的位相（φ_Ｐ）を測定するステップと、供給位相（φ_Ｃ）と動的位相（φ_Ｐ）の間の差を測定することにより、測定位相（φ_ＰＣ）を確定するステップと、測定位相（φ_ＰＣ）の値が零になるよう冷却システム（２０）の要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機（１００）が共振に保持されるように、リニア圧縮機（１００）の要求量の変動の関数として変位範囲を動的に調整するステップとを備える方法。
15. 測定位相（φ_ＰＣ）を確定するステップの後で、測定位相（φ_ＰＣ）の値が負である時はピストン（１）の変位範囲を増加させるステップ又は測定位相（φ_ＰＣ）の値が正である時はピストン（１）の変位範囲を減少させるステップを設けた請求項１４に記載の方法。
16. ピストン（１）の変位範囲を増加又は減少させるステップの後で、安定化時間の経過を待つことを最初に行う請求項１５に記載の方法。
17. 安定化時間の経過後に、供給位相（φ_Ｃ）と動的位相（φ_Ｐ）の間の差を新たに測定する請求項１６に記載の方法。
18. リニア圧縮機（１００）と、リニア圧縮機（１００）を作動させるオン／オフ型サーモスタットとを備える冷却システム（２０）において、
    リニア圧縮機（１００）が、リニアモータ（１０）によって駆動されるピストン（１）を備え、又、ピストン（１）が、被制御電圧（Ｖ_Ｍ）によって制御される変位範囲を有し、更に、被制御電圧（Ｖ_Ｍ）が、リニアモータ（１０）に印加されると共に処理ユニット（２２）によって調整される電圧周波数（ｆ_ＶＭ）を有する一方、サーモスタットがリニア圧縮機（１００）をオンしている間、ピストン（１）の変位範囲が、冷却システム（２０）の可変要求量に関して動的に制御され、又、リニア圧縮機（１００）が共振周波数を有し、更に、冷却システム（２０）の要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機（１００）が共振に動的に保持されるように、処理ユニット（２２）がピストン（１）の変位範囲を調整し、又、変位が、被制御電圧（Ｖ_Ｍ）で可変周波数インバータによって調整され、更に、冷却システム（２０）の要求量の変動が生じると、可変周波数インバータが、リニア圧縮機（１００）の共振周波数の値に等しい値に被制御電圧（Ｖ_Ｍ）の電圧周波数を動的に調整する冷却システム。
19. リニア圧縮機（１００）を制御する制御システムにおいて、
    ピストン（１）の変位範囲を測定する処理ユニット（２２）を備え、又、冷却システム（２０）の要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機（１００）を共振に動的に保持するように、処理ユニット（２２）がピストン（１）の変位範囲を調整し、更に、制御部が、供給電流（ｉ_Ａ）の供給位相（φ_Ｃ）とリニア圧縮機（１００）のピストン（１）の動的位相（φ_Ｐ）を測定するように構成され、又、処理ユニット（２２）が、供給位相（φ_Ｃ）と動的位相（φ_Ｐ）の間の差を測定することにより、測定位相（φ_ＰＣ）を確定し、且つ、測定位相（φ_ＰＣ）の値が零になるように、処理ユニット（２２）が被制御電圧（Ｖ_Ｍ）を調整する一方、変位が、被制御電圧（Ｖ_Ｍ）で可変周波数インバータによって調整され、更に、冷却システム（２０）の要求量の変動が生じると、可変周波数インバータが、リニア圧縮機（１００）の共振周波数の値に等しい値に被制御電圧（Ｖ_Ｍ）の電圧周波数を動的に調整する制御システム。