JPH1026076A - リニアコンプレッサ - Google Patents
リニアコンプレッサInfo
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- JPH1026076A JPH1026076A JP17949296A JP17949296A JPH1026076A JP H1026076 A JPH1026076 A JP H1026076A JP 17949296 A JP17949296 A JP 17949296A JP 17949296 A JP17949296 A JP 17949296A JP H1026076 A JPH1026076 A JP H1026076A
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- shaft
- piston
- linear compressor
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- linear
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- Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ピストンのストローク制御が容易で高効率の
リニアコンプレッサを提供する。 【解決手段】 シャフト３の両端の各々にピストン８ａ
および８ｂを設ける。中立点から離れたピストン８ａ，
８ｂを中立点に復帰させるためのコイルばね５ａ，５ｂ
をシャフト３の中央部に付勢させる。リニアモータ１３
はシャフト３を往復運動させて上下の圧縮室１１ａ，１
１ｂで圧縮ガスを交互に生成する。ガス圧縮に関する非
線形な力を２分化・逆位相化させてモータ推力の低減化
・正弦波化を図ることができる。
リニアコンプレッサを提供する。 【解決手段】 シャフト３の両端の各々にピストン８ａ
および８ｂを設ける。中立点から離れたピストン８ａ，
８ｂを中立点に復帰させるためのコイルばね５ａ，５ｂ
をシャフト３の中央部に付勢させる。リニアモータ１３
はシャフト３を往復運動させて上下の圧縮室１１ａ，１
１ｂで圧縮ガスを交互に生成する。ガス圧縮に関する非
線形な力を２分化・逆位相化させてモータ推力の低減化
・正弦波化を図ることができる。
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
サに関し、特に、リニアモータによってシリンダ内でピ
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
レッサに関する。
サに関し、特に、リニアモータによってシリンダ内でピ
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
レッサに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、冷蔵庫のような冷却装置において
膨張した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。このリニアコンプレッサ
では、リニアモータと共振用機械ばねによって１つのピ
ストンが駆動されガス圧縮が行なわれる。
膨張した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。このリニアコンプレッサ
では、リニアモータと共振用機械ばねによって１つのピ
ストンが駆動されガス圧縮が行なわれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の１ピス
トン型のリニアコンプレッサでは、ガスの吸込・圧縮・
吐出に伴って圧縮室内で発生する非線形な力の影響を大
きく受け、モータ推力の線形化を図ることができなかっ
たので、効率の向上が困難であった。
トン型のリニアコンプレッサでは、ガスの吸込・圧縮・
吐出に伴って圧縮室内で発生する非線形な力の影響を大
きく受け、モータ推力の線形化を図ることができなかっ
たので、効率の向上が困難であった。
【０００４】また、起動時などの負荷変動に伴ってピス
トンの中立点が変動するため、ピストンのストローク制
御が容易でなかった。
トンの中立点が変動するため、ピストンのストローク制
御が容易でなかった。
【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、ピ
ストンのストローク制御が容易で高効率のリニアコンプ
レッサを提供することである。
ストンのストローク制御が容易で高効率のリニアコンプ
レッサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
圧縮ガスを生成するためのリニアコンプレッサであっ
て、互いに反対方向を向いて同軸状に設けられた２組の
ピストンおよびシリンダ、その両端の各々にピストンが
設けられたシャフト、シャフトに結合され、中立点から
離れたピストンを中立点に復帰させるための弾性部材、
およびシャフトを軸方向に往復運動させて圧縮ガスを２
組のピストンおよびシリンダで交互に生成するためのリ
ニアモータを備えたことを特徴としている。
圧縮ガスを生成するためのリニアコンプレッサであっ
て、互いに反対方向を向いて同軸状に設けられた２組の
ピストンおよびシリンダ、その両端の各々にピストンが
設けられたシャフト、シャフトに結合され、中立点から
離れたピストンを中立点に復帰させるための弾性部材、
およびシャフトを軸方向に往復運動させて圧縮ガスを２
組のピストンおよびシリンダで交互に生成するためのリ
ニアモータを備えたことを特徴としている。
【０００７】請求項２に係る発明では、請求項１に係る
発明の２つのピストン、シャフトおよび弾性部材を含む
振動部は予め定める共振周波数を有し、リニアモータは
共振周波数でシャフトを往復運動させる。
発明の２つのピストン、シャフトおよび弾性部材を含む
振動部は予め定める共振周波数を有し、リニアモータは
共振周波数でシャフトを往復運動させる。
【０００８】請求項３に係る発明では、請求項１または
２に係る発明において、中立点から離れたピストンを中
立点に復帰させる弾性部材の復元力は、圧縮ガスがピス
トンに作用する力よりも大きく設定されている。
２に係る発明において、中立点から離れたピストンを中
立点に復帰させる弾性部材の復元力は、圧縮ガスがピス
トンに作用する力よりも大きく設定されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】リニアコンプレッサの構成を説明
する前に、まず、この発明に係るリニアコンプレッサの
原理について説明する。
する前に、まず、この発明に係るリニアコンプレッサの
原理について説明する。
【００１０】リニアコンプレッサモデルは、推力定数Ａ
で電気系モデルと機械系モデルが結合した次式で表現さ
れる。
で電気系モデルと機械系モデルが結合した次式で表現さ
れる。
【００１１】 Ｅ＝Ａ・ｄｘ／ｄｔ＋（Ｌ・ｄＩ／ｄｔ＋Ｒ・Ｉ） …（１） Ａ・Ｉ＝ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＋ｃ・ｄｘ／ｄｔ＋ｋ・ｘ＋Ｆ ＋Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ） …（２） ただし、Ｅは駆動電圧、Ａは推力定数（発電定数）、Ｉ
は駆動電流、Ｌはコイルインダクタンス、Ｒはコイル抵
抗、ｍは可動部重量、ｃは粘性減衰係数（機械、ガ
ス）、ｋは機械ばね定数、Ｆは固体摩擦減衰力、Ｓはピ
ストン断面積、Ｐｗはピストン表側圧力、Ｐｂはピスト
ン裏側圧力、ｘはピストン位置である。
は駆動電流、Ｌはコイルインダクタンス、Ｒはコイル抵
抗、ｍは可動部重量、ｃは粘性減衰係数（機械、ガ
ス）、ｋは機械ばね定数、Ｆは固体摩擦減衰力、Ｓはピ
ストン断面積、Ｐｗはピストン表側圧力、Ｐｂはピスト
ン裏側圧力、ｘはピストン位置である。
【００１２】ここで、固体摩擦減衰力Ｆおよび粘性減衰
力ｃ・ｄｘ／ｄｔは他の力に比べて十分小さいので、式
（２）は次式のようになる。
力ｃ・ｄｘ／ｄｔは他の力に比べて十分小さいので、式
（２）は次式のようになる。
【００１３】 Ａ・Ｉ＝ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＋ｋ・ｘ＋Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ） …（２′） この式（２′）は、「モータ推力Ａ・Ｉは、慣性力ｍ・
ｄ2 ｘ／ｄｔ2 、復元力ｋ・ｘおよびガス圧縮に関する
力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）の総和で決定される。」ことを表現
している。
ｄ2 ｘ／ｄｔ2 、復元力ｋ・ｘおよびガス圧縮に関する
力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）の総和で決定される。」ことを表現
している。
【００１４】また、ピストン表側圧力Ｐｗはシリンダ内
部圧力を意味し、ピストン裏側圧力Ｐｂはコンプレッサ
内部圧力（リニアコンプレッサの場合は吸込圧力）を意
味する。圧縮・吐出・再膨張・吸込というガス圧縮工程
では、ピストン裏側圧力Ｐｂはほぼ一定であるが、ピス
トン表側圧力Ｐｗは非線形に変化するため、ガス圧縮に
関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）は非線形となる。この非線形
性は式（２′）より、モータ推力Ａ・Ｉの非線形性（駆
動電流Ｉの歪）につながる。
部圧力を意味し、ピストン裏側圧力Ｐｂはコンプレッサ
内部圧力（リニアコンプレッサの場合は吸込圧力）を意
味する。圧縮・吐出・再膨張・吸込というガス圧縮工程
では、ピストン裏側圧力Ｐｂはほぼ一定であるが、ピス
トン表側圧力Ｐｗは非線形に変化するため、ガス圧縮に
関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）は非線形となる。この非線形
性は式（２′）より、モータ推力Ａ・Ｉの非線形性（駆
動電流Ｉの歪）につながる。
【００１５】したがって、リニアコンプレッサの高効率
化には、以下のことが必要となる。 ガス圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）を小さくし
て、モータ推力Ａ・Ｉの低減化を図る。
化には、以下のことが必要となる。 ガス圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）を小さくし
て、モータ推力Ａ・Ｉの低減化を図る。
【００１６】 ガス圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）
の非線形成分を小さくして、モータ推力Ａ・Ｉの非線形
成分の低減化を図る。
の非線形成分を小さくして、モータ推力Ａ・Ｉの非線形
成分の低減化を図る。
【００１７】換言すると、正弦波状の慣性力ｍ・ｄ2 ｘ
／ｄｔ2 および復元力ｋ・ｘ（ただし、位相は互いに１
８０°ずれている）と、非線形なガス圧縮に関する力Ｓ
（Ｐｗ−Ｐｂ）との総和であるモータ推力Ａ・Ｉを、小
さくするとともに正弦波状とすることである。
／ｄｔ2 および復元力ｋ・ｘ（ただし、位相は互いに１
８０°ずれている）と、非線形なガス圧縮に関する力Ｓ
（Ｐｗ−Ｐｂ）との総和であるモータ推力Ａ・Ｉを、小
さくするとともに正弦波状とすることである。
【００１８】そこで、１本のシャフトの両端にピストン
を設け、シャフトの１往復でガス圧縮工程を二度かつ交
互に行なうことにより、図１に示すように、ガス圧縮に
関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）を２分化・逆位相化すれば、
モータ推力Ａ・Ｉを小さくし、かつ正弦波状にすること
ができる。
を設け、シャフトの１往復でガス圧縮工程を二度かつ交
互に行なうことにより、図１に示すように、ガス圧縮に
関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）を２分化・逆位相化すれば、
モータ推力Ａ・Ｉを小さくし、かつ正弦波状にすること
ができる。
【００１９】モータ推力Ａ・Ｉは、慣性力ｍ・ｄ2 ｘ／
ｄｔ2 と復元力ｋ・ｘとガス圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−
Ｐｂ）の和であり、かつ復元力ｋ・ｘとガス圧縮に関す
る力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）は同相であるから、復元力ｋ・ｘ
に対するガス圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）の比が小
さいほどモータ推力Ａ・Ｉの線形性が良好になる。
ｄｔ2 と復元力ｋ・ｘとガス圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−
Ｐｂ）の和であり、かつ復元力ｋ・ｘとガス圧縮に関す
る力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）は同相であるから、復元力ｋ・ｘ
に対するガス圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）の比が小
さいほどモータ推力Ａ・Ｉの線形性が良好になる。
【００２０】ただし、図１においてガス圧縮に関する力
Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）を示す曲線と時間軸の間の面積は冷却
能力を表しているので、これを小さくすることはでき
ず、また復元力ｋ・ｘすなわち機械ばね定数ｋを大きく
するにも限度がある。好ましくは、復元力ｋ・ｘはガス
圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）よりも大きな値に設定
される。
Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）を示す曲線と時間軸の間の面積は冷却
能力を表しているので、これを小さくすることはでき
ず、また復元力ｋ・ｘすなわち機械ばね定数ｋを大きく
するにも限度がある。好ましくは、復元力ｋ・ｘはガス
圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）よりも大きな値に設定
される。
【００２１】また、装置の構造上、負荷変動があっても
ピストンの中立点が一定の位置に保たれるので、駆動電
流Ｉを制御するだけでピストンのストクロークを容易に
制御できる。
ピストンの中立点が一定の位置に保たれるので、駆動電
流Ｉを制御するだけでピストンのストクロークを容易に
制御できる。
【００２２】以下、図に基づいてこの発明を詳細に説明
する。図２は、上述した原理が適用されたリニアコンプ
レッサ１の構成を示す断面図である。図２を参照して、
このリニアコンプレッサ１は、円筒状のケーシング２、
１本のシャフト３、２つのリニアボールベアリング４
ａ，４ｂ、２つのコイルばね５ａ，５ｂおよび固定具６
を備える。リニアボールベアリング４ａ，４ｂは、それ
ぞれケーシング２の上部および下部にケーシング２と同
軸状に設けられる。シャフト３は、リニアボールベアリ
ング４ａ、コイルばね５ａ、固定具６、コイルばね５ｂ
およびリニアボールベアリング４ｂに順に挿入される。
シャフト３の中央部に固定具６が固定されて、シャフト
３は上下動自在に支持される。
する。図２は、上述した原理が適用されたリニアコンプ
レッサ１の構成を示す断面図である。図２を参照して、
このリニアコンプレッサ１は、円筒状のケーシング２、
１本のシャフト３、２つのリニアボールベアリング４
ａ，４ｂ、２つのコイルばね５ａ，５ｂおよび固定具６
を備える。リニアボールベアリング４ａ，４ｂは、それ
ぞれケーシング２の上部および下部にケーシング２と同
軸状に設けられる。シャフト３は、リニアボールベアリ
ング４ａ、コイルばね５ａ、固定具６、コイルばね５ｂ
およびリニアボールベアリング４ｂに順に挿入される。
シャフト３の中央部に固定具６が固定されて、シャフト
３は上下動自在に支持される。
【００２３】また、このリニアコンプレッサ１は、２組
のシリンダ７ａ，７ｂ、ピストン８ａ，８ｂ、吸込バル
ブ９ａ，９ｂおよび吐出バルブ１０ａ，１０ｂを備え
る。シリンダ７ａ，７ｂは、それぞれケーシング２の上
部および下部にシャフト３と同軸状に設けられる。ピス
トン８ａ，８ｂは、それぞれシャフト３の一方端部およ
び他方端部に設けられ、シリンダ７ａ，７ｂ内に嵌挿さ
れる。ピストン８ａ，８ｂのヘッドとシリンダ７ａ，７
ｂの内壁によって、それぞれ圧縮室１１ａ，１１ｂが形
成される。バルブ９ａ，１０ａ；９ｂ，１０ｂは、それ
ぞれ圧縮室１１ａ，１１ｂ内のガス圧に応じて開閉す
る。ピストン８ａ，８ｂのヘッドの裏側とシリンダ７
ａ，７ｂの内壁によって形成される空間には、不可逆性
圧縮を防止するためのガスリーク孔１２ａ，１２ｂが形
成されている。シャフト３が上下動すると、上下の圧縮
室１１ａ，１１ｂで圧縮ガスが交互に形成される。
のシリンダ７ａ，７ｂ、ピストン８ａ，８ｂ、吸込バル
ブ９ａ，９ｂおよび吐出バルブ１０ａ，１０ｂを備え
る。シリンダ７ａ，７ｂは、それぞれケーシング２の上
部および下部にシャフト３と同軸状に設けられる。ピス
トン８ａ，８ｂは、それぞれシャフト３の一方端部およ
び他方端部に設けられ、シリンダ７ａ，７ｂ内に嵌挿さ
れる。ピストン８ａ，８ｂのヘッドとシリンダ７ａ，７
ｂの内壁によって、それぞれ圧縮室１１ａ，１１ｂが形
成される。バルブ９ａ，１０ａ；９ｂ，１０ｂは、それ
ぞれ圧縮室１１ａ，１１ｂ内のガス圧に応じて開閉す
る。ピストン８ａ，８ｂのヘッドの裏側とシリンダ７
ａ，７ｂの内壁によって形成される空間には、不可逆性
圧縮を防止するためのガスリーク孔１２ａ，１２ｂが形
成されている。シャフト３が上下動すると、上下の圧縮
室１１ａ，１１ｂで圧縮ガスが交互に形成される。
【００２４】さらに、このリニアコンプレッサ１は、シ
ャフト３およびピストン８ａ，８ｂを上下動させるため
のリニアモータ１３を備える。リニアモータ１３は、制
御性の高いボイスコイルモータであって、ヨーク部２ａ
および永久磁石１４を含む固定部と、コイル１５および
円筒状の支持部材１６を含む可動部とを備える。ヨーク
部２ａは、ケーシング２の一部を構成している。永久磁
石１４は、ヨーク部２ａの内周壁に設けられる。支持部
材１６の一方端部は永久磁石１４とシリンダ７ｂの外周
壁の間に上下動自在に挿入され、その他方端部は固定具
６を介してシャフト３の中央部に固定される。コイル１
５は、支持部材１６の一方端部において永久磁石１４に
対向して設けられる。コイル１５は、コイルばね状の電
線１７を介して電源に接続される。
ャフト３およびピストン８ａ，８ｂを上下動させるため
のリニアモータ１３を備える。リニアモータ１３は、制
御性の高いボイスコイルモータであって、ヨーク部２ａ
および永久磁石１４を含む固定部と、コイル１５および
円筒状の支持部材１６を含む可動部とを備える。ヨーク
部２ａは、ケーシング２の一部を構成している。永久磁
石１４は、ヨーク部２ａの内周壁に設けられる。支持部
材１６の一方端部は永久磁石１４とシリンダ７ｂの外周
壁の間に上下動自在に挿入され、その他方端部は固定具
６を介してシャフト３の中央部に固定される。コイル１
５は、支持部材１６の一方端部において永久磁石１４に
対向して設けられる。コイル１５は、コイルばね状の電
線１７を介して電源に接続される。
【００２５】このリニアコンプレッサ１は、シャフト
３、固定具６、ピストン８ａ，８ｂ、コイル１５および
支持部材１６の重量、圧縮室１１ａ，１１ｂ内のガスの
ばね定数、コイルばね５ａ，５ｂのばね定数などから定
まる共振周波数を有する。この共振周波数でリニアモー
タ１３を駆動させることにより、上下２つの圧縮室１１
ａ，１１ｂで圧縮ガスを高効率で生成できる。
３、固定具６、ピストン８ａ，８ｂ、コイル１５および
支持部材１６の重量、圧縮室１１ａ，１１ｂ内のガスの
ばね定数、コイルばね５ａ，５ｂのばね定数などから定
まる共振周波数を有する。この共振周波数でリニアモー
タ１３を駆動させることにより、上下２つの圧縮室１１
ａ，１１ｂで圧縮ガスを高効率で生成できる。
【００２６】次に、この２ピストン型リニアコンプレッ
サ１を制御面から高効率化させる方法について説明す
る。モータ入力（有効電力）Ｐｉおよびモータ出力Ｐｏ
は、それぞれ以下の式で表わされる。
サ１を制御面から高効率化させる方法について説明す
る。モータ入力（有効電力）Ｐｉおよびモータ出力Ｐｏ
は、それぞれ以下の式で表わされる。
【００２７】Ｐｉ＝Ｅ・Ｉ・ｃｏｓθ …（３） Ｐｏ＝Ａ・Ｉ・ｄｘ／ｄｔ・ｃｏｓφ …（４） ただし、θは駆動電圧Ｅと駆動電流Ｉの位相差を示し、
φは駆動電流Ｉとピストン速度ｄｘ／ｄｔの位相差を示
している。
φは駆動電流Ｉとピストン速度ｄｘ／ｄｔの位相差を示
している。
【００２８】ここで、冷凍能力を維持したまま入力電力
を低減化させるためには、モータ出力Ｐｏを維持したま
ま、モータ入力Ｐｉを低減化させる必要がある。すなわ
ち、 駆動電流Ｉとピストン速度ｄｘ／ｄｔの位相差φを
小さくして、モータ出力Ｐｏを維持したまま駆動電流Ｉ
の低減化を図ること、 力率ｃｏｓθを高めて、駆動電圧Ｅや駆動電流Ｉの
低減化を図ること、が制御面から必要である。
を低減化させるためには、モータ出力Ｐｏを維持したま
ま、モータ入力Ｐｉを低減化させる必要がある。すなわ
ち、 駆動電流Ｉとピストン速度ｄｘ／ｄｔの位相差φを
小さくして、モータ出力Ｐｏを維持したまま駆動電流Ｉ
の低減化を図ること、 力率ｃｏｓθを高めて、駆動電圧Ｅや駆動電流Ｉの
低減化を図ること、が制御面から必要である。
【００２９】一方、１０ｍＨ程度のコイルインダクタン
スでは、駆動電圧Ｅとピストン速度ｄｘ／ｄｔの位相
は、ほぼ一致していることが実験で確認されている。
スでは、駆動電圧Ｅとピストン速度ｄｘ／ｄｔの位相
は、ほぼ一致していることが実験で確認されている。
【００３０】したがって、駆動電流Ｉとピストン速度ｄ
ｘ／ｄｔの位相制御を行ない、その位相差φを０とする
ことにより、力率ｃｏｓθ，ｃｏｓφの向上を図り、モ
ータ入力Ｐｉを低減化するとともに、共振状態を維持す
ることが可能である。
ｘ／ｄｔの位相制御を行ない、その位相差φを０とする
ことにより、力率ｃｏｓθ，ｃｏｓφの向上を図り、モ
ータ入力Ｐｉを低減化するとともに、共振状態を維持す
ることが可能である。
【００３１】図３は、このような考察に基づくリニアコ
ンプレッサ１の駆動装置２０の構成を示すブロック図で
ある。
ンプレッサ１の駆動装置２０の構成を示すブロック図で
ある。
【００３２】図３を参照して、この駆動装置２０は、電
源２１、電流センサ２２、位置センサ２４および制御装
置２５を含む。電源２１は、リニアコンプレッサ１のリ
ニアモータ１３のコイル１５に駆動電流Ｉを供給する。
電流センサ２２は、電源２１の出力電流の現在値Ｉｎｏ
ｗを検出する。位置センサ２４は、リニアコンプレッサ
１のピストンの位置現在値Ｐｎｏｗを直接または間接的
に検出する。制御装置２５は、電流センサ２２で検出さ
れた電流現在値Ｉｎｏｗと位置センサ２４で検出された
位置現在値Ｐｎｏｗとに基づいて電源２１に制御信号φ
ｃを出力し、電源２１の出力電流Ｉを制御する。
源２１、電流センサ２２、位置センサ２４および制御装
置２５を含む。電源２１は、リニアコンプレッサ１のリ
ニアモータ１３のコイル１５に駆動電流Ｉを供給する。
電流センサ２２は、電源２１の出力電流の現在値Ｉｎｏ
ｗを検出する。位置センサ２４は、リニアコンプレッサ
１のピストンの位置現在値Ｐｎｏｗを直接または間接的
に検出する。制御装置２５は、電流センサ２２で検出さ
れた電流現在値Ｉｎｏｗと位置センサ２４で検出された
位置現在値Ｐｎｏｗとに基づいて電源２１に制御信号φ
ｃを出力し、電源２１の出力電流Ｉを制御する。
【００３３】制御装置２５は、図４に示すように、Ｐ−
Ｖ変換部３０、位置指令部３１、３つの減算器３２，３
４，３６、位置制御部３３、速度制御部３５、電流制御
部３７および位相制御部３８を含む。Ｐ−Ｖ変換部３０
は、位置センサ２４によって検出された位置現在値Ｐｎ
ｏｗを微分して速度現在値Ｖｎｏｗを求める。位置指令
部３１は、数式Ｐｒｅｆ＝Ｂ＊ｓｉｎωｔ（ただし、Ｂ
は振幅、ωは角周波数である）に従って、位置指令値Ｐ
ｒｅｆを減算器３２に与える。上述したピストン８ａ，
８ｂのストロークを制御するためには、この振幅Ｂを制
御すればよい。減算器３２は、位置指令部３１から与え
られた位置指令値Ｐｒｅｆと位置センサ２４によって検
出された位置現在値Ｐｎｏｗとの差Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗ
を演算し、演算結果Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗを位置制御部３
３に与える。
Ｖ変換部３０、位置指令部３１、３つの減算器３２，３
４，３６、位置制御部３３、速度制御部３５、電流制御
部３７および位相制御部３８を含む。Ｐ−Ｖ変換部３０
は、位置センサ２４によって検出された位置現在値Ｐｎ
ｏｗを微分して速度現在値Ｖｎｏｗを求める。位置指令
部３１は、数式Ｐｒｅｆ＝Ｂ＊ｓｉｎωｔ（ただし、Ｂ
は振幅、ωは角周波数である）に従って、位置指令値Ｐ
ｒｅｆを減算器３２に与える。上述したピストン８ａ，
８ｂのストロークを制御するためには、この振幅Ｂを制
御すればよい。減算器３２は、位置指令部３１から与え
られた位置指令値Ｐｒｅｆと位置センサ２４によって検
出された位置現在値Ｐｎｏｗとの差Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗ
を演算し、演算結果Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗを位置制御部３
３に与える。
【００３４】位置制御部３３は、数式Ｖｒｅｆ＝Ｇｖ＊
（Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗ）（ただし、Ｇｖは制御ゲインで
ある）に基づいて速度指令値Ｖｒｅｆを演算し、演算結
果Ｖｒｅｆを減算器３４に与える。減算器３４は、位置
制御部３３から与えられた速度指令値ＶｒｅｆとＰ−Ｖ
変換部３０で生成された速度現在値Ｖｎｏｗとの差Ｖｒ
ｅｆ−Ｖｎｏｗを演算して演算結果Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏｗ
を速度制御部３５に与える。
（Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗ）（ただし、Ｇｖは制御ゲインで
ある）に基づいて速度指令値Ｖｒｅｆを演算し、演算結
果Ｖｒｅｆを減算器３４に与える。減算器３４は、位置
制御部３３から与えられた速度指令値ＶｒｅｆとＰ−Ｖ
変換部３０で生成された速度現在値Ｖｎｏｗとの差Ｖｒ
ｅｆ−Ｖｎｏｗを演算して演算結果Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏｗ
を速度制御部３５に与える。
【００３５】速度制御部３５は、数式Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ＊
（Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏｗ）（ただし、Ｇｉは制御ゲインで
ある）に基づいて電流指令値Ｉｒｅｆを演算し、演算結
果Ｒｒｅｆを減算器３６に与える。減算器３６は、速度
制御部３５から与えられた電流指令値Ｉｒｅｆと電流セ
ンサ２２によって検出された電流現在値Ｉｎｏｗとの差
Ｉｒｅｆ−Ｉｎｏｗを演算し、演算結果Ｉｒｅｆ−Ｉｎ
ｏｗを電流制御部３７に与える。
（Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏｗ）（ただし、Ｇｉは制御ゲインで
ある）に基づいて電流指令値Ｉｒｅｆを演算し、演算結
果Ｒｒｅｆを減算器３６に与える。減算器３６は、速度
制御部３５から与えられた電流指令値Ｉｒｅｆと電流セ
ンサ２２によって検出された電流現在値Ｉｎｏｗとの差
Ｉｒｅｆ−Ｉｎｏｗを演算し、演算結果Ｉｒｅｆ−Ｉｎ
ｏｗを電流制御部３７に与える。
【００３６】電流制御部３７は、減算器３６の出力Ｉｒ
ｅｆ−Ｉｎｏｗが０になるように制御信号φｃを電源２
１に与えて電源２１の出力電流Ｉを制御する。電源２１
の出力電流Ｉの制御は、たとえばＰＷＭ方式あるはＰＡ
Ｍ方式で行なわれる。
ｅｆ−Ｉｎｏｗが０になるように制御信号φｃを電源２
１に与えて電源２１の出力電流Ｉを制御する。電源２１
の出力電流Ｉの制御は、たとえばＰＷＭ方式あるはＰＡ
Ｍ方式で行なわれる。
【００３７】位相制御部３８は、Ｐ−Ｖ変換部３０で生
成された速度現在値Ｖｎｏｗと速度制御部３５で生成さ
れた電流指令値Ｉｒｅｆとの位相差を検出し、その位相
差がなくなるように位置指令部３１で用いられる数式Ｐ
ｒｅｆ＝Ｂ＊ｓｉｎωｔの角周波数ωと速度制御部３５
で用いられる数式Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ＊（Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏ
ｗ）の制御ゲインＧｉを調整する。
成された速度現在値Ｖｎｏｗと速度制御部３５で生成さ
れた電流指令値Ｉｒｅｆとの位相差を検出し、その位相
差がなくなるように位置指令部３１で用いられる数式Ｐ
ｒｅｆ＝Ｂ＊ｓｉｎωｔの角周波数ωと速度制御部３５
で用いられる数式Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ＊（Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏ
ｗ）の制御ゲインＧｉを調整する。
【００３８】図５は、図４で示した制御装置２５の動作
を示すフローチャートである。このフローチャートに従
って、図１〜図４で示したリニアコンプレッサ１および
その駆動装置２０の動作について簡単に説明する。
を示すフローチャートである。このフローチャートに従
って、図１〜図４で示したリニアコンプレッサ１および
その駆動装置２０の動作について簡単に説明する。
【００３９】まずステップＳ１において、位置指令部３
１で位置指令値Ｐｒｅｆが生成され、位置制御部３３で
速度指令値Ｖｒｅｆが生成され、速度制御部３５で電流
指令値Ｉｒｅｆが生成される。リニアモータ１３のコイ
ル１５に電流が供給されると、リニアモータ１３の可動
部が往復運動を開始し、これによって圧縮ガスの生成が
開始される。
１で位置指令値Ｐｒｅｆが生成され、位置制御部３３で
速度指令値Ｖｒｅｆが生成され、速度制御部３５で電流
指令値Ｉｒｅｆが生成される。リニアモータ１３のコイ
ル１５に電流が供給されると、リニアモータ１３の可動
部が往復運動を開始し、これによって圧縮ガスの生成が
開始される。
【００４０】ステップＳ２において、位置センサ２４に
よって位置現在値Ｐｎｏｗが検出され、検出された位置
現在値Ｐｎｏｗは減算器３２およびＰ−Ｖ変換部３０に
与えられる。ステップＳ３において、位置制御部３３に
よって速度指令値Ｖｒｅｆ＝Ｇｖ＊（Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏ
ｗ）が演算され、ステップＳ４において、Ｐ−Ｖ変換部
３０によって位置現在値Ｐｎｏｗが速度現在値Ｖｎｏｗ
に変換される。速度現在値Ｖｎｏｗは減算器３４および
位相制御部３８に与えられる。
よって位置現在値Ｐｎｏｗが検出され、検出された位置
現在値Ｐｎｏｗは減算器３２およびＰ−Ｖ変換部３０に
与えられる。ステップＳ３において、位置制御部３３に
よって速度指令値Ｖｒｅｆ＝Ｇｖ＊（Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏ
ｗ）が演算され、ステップＳ４において、Ｐ−Ｖ変換部
３０によって位置現在値Ｐｎｏｗが速度現在値Ｖｎｏｗ
に変換される。速度現在値Ｖｎｏｗは減算器３４および
位相制御部３８に与えられる。
【００４１】ステップＳ５において、速度制御部３５に
よって電流指令値Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ＊（Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏ
ｗ）が演算され、この演算値Ｉｒｅｆは減算器３６およ
び位相制御部３８に与えられる。電流制御部３７は、電
流現在値Ｉｎｏｗが電流指令値Ｉｒｅｆに一致するよう
に電源２１を制御する。
よって電流指令値Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ＊（Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏ
ｗ）が演算され、この演算値Ｉｒｅｆは減算器３６およ
び位相制御部３８に与えられる。電流制御部３７は、電
流現在値Ｉｎｏｗが電流指令値Ｉｒｅｆに一致するよう
に電源２１を制御する。
【００４２】ステップＳ６において、位相制御部３８に
よって速度現在値Ｖｎｏｗと電流指令値Ｉｒｅｆの位相
差が検出される。ステップＳ７において、位相制御部３
８は、速度現在値Ｖｎｏｗと電流指令値Ｉｒｅｆの位相
差がなくなるように、位置指令値Ｐｒｅｆの角周波数ω
および制御ゲインＧｉを調整する。
よって速度現在値Ｖｎｏｗと電流指令値Ｉｒｅｆの位相
差が検出される。ステップＳ７において、位相制御部３
８は、速度現在値Ｖｎｏｗと電流指令値Ｉｒｅｆの位相
差がなくなるように、位置指令値Ｐｒｅｆの角周波数ω
および制御ゲインＧｉを調整する。
【００４３】以後、ステップＳ１〜Ｓ７が繰返されて、
リニアコンプレッサ１の運転状態は急速に安定する。ま
た、起動後に負荷変動があった場合でも、それに合せて
リニアモータ１３の推力すなわち駆動電流Ｉが直接かつ
適切に制御され、高い効率が得られる。
リニアコンプレッサ１の運転状態は急速に安定する。ま
た、起動後に負荷変動があった場合でも、それに合せて
リニアモータ１３の推力すなわち駆動電流Ｉが直接かつ
適切に制御され、高い効率が得られる。
【００４４】図６は、上述したリニアコンプレッサ１が
上述した駆動装置２０によって共振状態で駆動されてい
るときの駆動電圧Ｅ、電流指令値Ｉｒｅｆ、速度現在値
Ｖｎｏｗおよび位置現在値Ｐｎｏｗの関係を示す波形
図、図７は、そのときの慣性力ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 、復
元力ｋ・ｘ、ガス圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）およ
びモータ推力Ａ・Ｉｒｅｆの関係を示す波形図である。
ただし、図７においてモータ推力Ａ・Ｉｒｅｆの振幅は
他の力に対して８倍されている。
上述した駆動装置２０によって共振状態で駆動されてい
るときの駆動電圧Ｅ、電流指令値Ｉｒｅｆ、速度現在値
Ｖｎｏｗおよび位置現在値Ｐｎｏｗの関係を示す波形
図、図７は、そのときの慣性力ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 、復
元力ｋ・ｘ、ガス圧縮に関する力Ｓ（Ｐｗ−Ｐｂ）およ
びモータ推力Ａ・Ｉｒｅｆの関係を示す波形図である。
ただし、図７においてモータ推力Ａ・Ｉｒｅｆの振幅は
他の力に対して８倍されている。
【００４５】共振状態においては、駆動電圧Ｅと電流指
令値Ｉｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗの位相が一致し、モ
ータ推力Ａ・Ｉｒｅｆが小さくかつ正弦波になっている
ことが確認された。このときの力率は０．９９、モータ
効率は９１．２％であった。
令値Ｉｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗの位相が一致し、モ
ータ推力Ａ・Ｉｒｅｆが小さくかつ正弦波になっている
ことが確認された。このときの力率は０．９９、モータ
効率は９１．２％であった。
【００４６】図８は、従来の１ピストン型リニアコンプ
レッサの定常運転時における慣性力、復元力、ガス圧縮
に関する力およびモータ推力の関係を示す波形図であ
る。ただし、図８においてモータ推力の振幅は他の力に
対して２倍されている。
レッサの定常運転時における慣性力、復元力、ガス圧縮
に関する力およびモータ推力の関係を示す波形図であ
る。ただし、図８においてモータ推力の振幅は他の力に
対して２倍されている。
【００４７】図７で示した本発明のリニアコンプレッサ
１に比べ、モータ推力が大きくなり、かつその波形に大
きな歪が生じた。
１に比べ、モータ推力が大きくなり、かつその波形に大
きな歪が生じた。
【００４８】
【発明の効果】以上のように、請求項１に係る発明で
は、シャフトの両端の各々にピストンが設けられるとと
もに、ピストンを中立点に復帰させるための弾性部材が
シャフトに結合され、シャフトがリニアモータによって
往復運動されて圧縮ガスが生成される。したがって、圧
縮ガスがピストンに作用する非線形な力を２分化・逆位
相化させることができる。よって、ピストンが１つだけ
設けられていた従来に比べ、モータ推力を小さくしかつ
線形化させて高効率化を図ることができ、ひいては装置
の小型化、振動・騒音の低減化を図ることができる。ま
た、負荷変動が生じてもピストンの中立点の位置は変動
しないので、リニアモータの駆動電流を制御するだけで
ピストンのストロークを容易に制御できる。
は、シャフトの両端の各々にピストンが設けられるとと
もに、ピストンを中立点に復帰させるための弾性部材が
シャフトに結合され、シャフトがリニアモータによって
往復運動されて圧縮ガスが生成される。したがって、圧
縮ガスがピストンに作用する非線形な力を２分化・逆位
相化させることができる。よって、ピストンが１つだけ
設けられていた従来に比べ、モータ推力を小さくしかつ
線形化させて高効率化を図ることができ、ひいては装置
の小型化、振動・騒音の低減化を図ることができる。ま
た、負荷変動が生じてもピストンの中立点の位置は変動
しないので、リニアモータの駆動電流を制御するだけで
ピストンのストロークを容易に制御できる。
【００４９】また、請求項２に係る発明では、リニアモ
ータは振動部の共振周波数でシャフトを往復運動させる
ので、一層の高効率化が図られる。
ータは振動部の共振周波数でシャフトを往復運動させる
ので、一層の高効率化が図られる。
【００５０】また、請求項３に係る発明では、ピストン
を中立点に復帰させる弾性部材の復元力は、圧縮ガスが
ピストンに作用する力よりも大きく設定される。したが
って、圧縮ガスがピストンに作用する非線形な力の影響
を小さく抑えることができ、モータ推力の線形性をさら
に向上させることができる。
を中立点に復帰させる弾性部材の復元力は、圧縮ガスが
ピストンに作用する力よりも大きく設定される。したが
って、圧縮ガスがピストンに作用する非線形な力の影響
を小さく抑えることができ、モータ推力の線形性をさら
に向上させることができる。
【図１】この発明に係るリニアコンプレッサの原理を説
明するための波形図である。
明するための波形図である。
【図２】この発明の一実施の形態によるリニアコンプレ
ッサの構成を示す断面図である。
ッサの構成を示す断面図である。
【図３】図２に示したリニアコンプレッサの駆動装置の
構成を示すブロック図である。
構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示した制御装置２５の構成を示すブロッ
ク図である。
ク図である。
【図５】図３に示した制御装置２５の動作を示すフロー
チャートである。
チャートである。
【図６】図１〜図５で示したリニアコンプレッサおよび
その駆動装置の効果を説明するための波形図である。
その駆動装置の効果を説明するための波形図である。
【図７】図１〜図５で示したリニアコンプレッサおよび
その駆動装置の効果を説明するための他の波形図であ
る。
その駆動装置の効果を説明するための他の波形図であ
る。
【図８】図１〜図５で示したリニアコンプレッサおよび
その駆動装置の効果を説明するためのさらに他の波形図
である。
その駆動装置の効果を説明するためのさらに他の波形図
である。
１ リニアコンプレッサ ３ シャフト ４ａ，４ｂ リニアボールベアリング ５ａ，５ｂ コイルばね ７ａ，７ｂ シリンダ ８ａ，８ｂ ピストン ９ａ，９ｂ 吸込バルブ １０ａ，１０ｂ 吐出バルブ １１ａ，１１ｂ 圧縮室 １３ リニアモータ １４ 永久磁石 １５ コイル ２０ 駆動装置 ２１ 電源 ２２ 電流センサ ２４ 位置センサ ２５ 制御装置
Claims (3)
- 【請求項１】 圧縮ガスを生成するためのリニアコンプ
レッサであって、 互いに反対方向を向いて同軸状に設けられた２組のピス
トンおよびシリンダ、 その両端の各々に前記ピストンが設けられたシャフト、 前記シャフトに結合され、中立点から離れた前記ピスト
ンを前記中立点に復帰させるための弾性部材、および前
記シャフトを軸方向に往復運動させて、前記圧縮ガスを
前記２組のピストンおよびシリンダで交互に生成するた
めのリニアモータを備える、リニアコンプレッサ。 - 【請求項２】 前記２つのピストン、前記シャフトおよ
び前記弾性部材を含む振動部は予め定める共振周波数を
有し、 前記リニアモータは前記共振周波数で前記シャフトを往
復運動させる、請求項１に記載のリニアコンプレッサ。 - 【請求項３】 前記中立点から離れた前記ピストンを前
記中立点に復帰させる前記弾性部材の復元力は、前記圧
縮ガスが前記ピストンに作用する力よりも大きく設定さ
れている、請求項１または２に記載のリニアコンプレッ
サ。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17949296A JPH1026076A (ja) | 1996-07-09 | 1996-07-09 | リニアコンプレッサ |
| US09/029,636 US6231310B1 (en) | 1996-07-09 | 1997-07-08 | Linear compressor |
| PCT/JP1997/002360 WO1998001675A1 (fr) | 1996-07-09 | 1997-07-08 | Compresseur lineaire |
| EP97929557A EP0864750A4 (en) | 1996-07-09 | 1997-07-08 | LINEAR COMPRESSOR |
| CN97191217A CN1083939C (zh) | 1996-07-09 | 1997-07-08 | 线性压缩机 |
| KR10-1998-0701745A KR100504319B1 (ko) | 1996-07-09 | 1997-07-08 | 선형압축기 |
| US09/677,773 US6379125B1 (en) | 1996-07-09 | 2000-10-03 | Linear compressor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17949296A JPH1026076A (ja) | 1996-07-09 | 1996-07-09 | リニアコンプレッサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1026076A true JPH1026076A (ja) | 1998-01-27 |
Family
ID=16066779
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17949296A Pending JPH1026076A (ja) | 1996-07-09 | 1996-07-09 | リニアコンプレッサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1026076A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002013484A (ja) * | 2000-06-30 | 2002-01-18 | Sanyo Electric Co Ltd | リニアコンプレッサの駆動制御装置 |
| JP2003314919A (ja) * | 2002-01-08 | 2003-11-06 | Sharp Corp | スターリング冷凍機 |
| JP2006097626A (ja) * | 2004-09-30 | 2006-04-13 | Hitachi Housetec Co Ltd | 電磁振動式ダイアフラムポンプ |
| KR100624820B1 (ko) * | 2004-11-05 | 2006-09-18 | 엘지전자 주식회사 | 대칭형 압축부를 갖는 리니어 압축기 |
| KR100724394B1 (ko) | 2006-03-14 | 2007-06-04 | 엘지전자 주식회사 | 2-실린더 왕복동식 압축기 및 이를 적용한 냉동 장치 |
| KR100826183B1 (ko) * | 2006-12-31 | 2008-04-30 | 엘지전자 주식회사 | 리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어방법 |
| JP2014501354A (ja) * | 2010-12-27 | 2014-01-20 | ワールプール・エシ・ア | リニア圧縮機用の共振機構 |
| CN115182864A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-10-14 | 华中科技大学 | 一种一体化直驱式动态负压发生装置及其装配方法和应用 |
-
1996
- 1996-07-09 JP JP17949296A patent/JPH1026076A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002013484A (ja) * | 2000-06-30 | 2002-01-18 | Sanyo Electric Co Ltd | リニアコンプレッサの駆動制御装置 |
| JP2003314919A (ja) * | 2002-01-08 | 2003-11-06 | Sharp Corp | スターリング冷凍機 |
| JP2006097626A (ja) * | 2004-09-30 | 2006-04-13 | Hitachi Housetec Co Ltd | 電磁振動式ダイアフラムポンプ |
| KR100624820B1 (ko) * | 2004-11-05 | 2006-09-18 | 엘지전자 주식회사 | 대칭형 압축부를 갖는 리니어 압축기 |
| KR100724394B1 (ko) | 2006-03-14 | 2007-06-04 | 엘지전자 주식회사 | 2-실린더 왕복동식 압축기 및 이를 적용한 냉동 장치 |
| KR100826183B1 (ko) * | 2006-12-31 | 2008-04-30 | 엘지전자 주식회사 | 리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어방법 |
| JP2014501354A (ja) * | 2010-12-27 | 2014-01-20 | ワールプール・エシ・ア | リニア圧縮機用の共振機構 |
| CN115182864A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-10-14 | 华中科技大学 | 一种一体化直驱式动态负压发生装置及其装配方法和应用 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20030121 |