(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に圧縮室が設けられたシリンダブロックと、前記圧縮室を往復動するピストンと、前記ピストンを駆動させるための駆動装置とを備えた圧縮機において、
前記駆動装置は、前記シリンダブロックに対して縁部が位置決めされ上下方向に振動が可能でありかつここに前記ピストンが装着された弾性部材と、前記弾性部材上に配置され電源印加により変形が反復的になされて前記弾性部材に加振力を加える圧電アクチュエータと、を備え、
前記圧電アクチュエータは、前記弾性部材上に一定間隔でかつ長手方向に複数個配置されていることを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
内部に圧縮室が設けられたシリンダブロックと、前記圧縮室を往復動するピストンと、前記ピストンを駆動させるための駆動装置とを備えた圧縮機において、
前記駆動装置は、前記シリンダブロックに対して縁部が位置決めされ上下方向に振動が可能でありかつここに前記ピストンが装着された弾性部材と、前記弾性部材上に配置され電源印加により変形が反復的になされて前記弾性部材に加振力を加える圧電アクチュエータと、を備え、
前記圧電アクチュエータは、軸方向に伸縮可能とされかつ前記ピストンと前記弾性部材との間に積層形に装着されていることを特徴とする圧縮機。
【請求項３】
前記シリンダブロックには、前記弾性部材の縁部を固定するための固定部材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧縮機。
【請求項４】
前記圧電アクチュエータは、圧電素子よりなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮機。
【請求項５】
前記圧電アクチュエータは、圧電セラミックスよりなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮機を制御する方法であって、前記圧電アクチュエータを通して前記弾性部材の変位を感知し、前記圧電アクチュエータに印加される電圧の大きさまたは周波数を変化させて前記弾性部材の変位を調節することを特徴とする圧縮機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮機に係り、さらに詳しくはピストンを線形的に往復動させるための駆動装置を備えた圧縮機及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、圧縮機は冷蔵庫や空気調和機などの冷却サイクルが適用された製品において冷媒を吸込んで圧縮吐出させる機器であって、往復動型圧縮機と回転圧縮機、リニア圧縮機などがある。リニア圧縮機は、駆動装置がリニアモータよりなっているが、駆動装置においてエネルギー損失が少なくて相対的に効率が高くなる。図１はこのような従来のリニア圧縮機の内部構造を示す。
【０００３】
図１を参照すれば、従来のリニア圧縮機は、密閉容器１内で動力を発生させる駆動装置３と、該駆動装置３の動力を伝達され冷媒を吸込み圧縮する圧縮装置２と、を備える。
【０００４】
圧縮装置２は、内部に圧縮室２ａが設けられたシリンダブロック２ｂと、冷媒の吸込と吐出とを案内するようシリンダブロック２ｂの上部に結合されたシリンダヘッド２ｃと、を備える。また、圧縮室２ａには駆動装置３の作用により線形的に往復動するピストン２ｄが設けられる。
【０００５】
この駆動装置３はリニアモータの一種であって、シリンダブロック２ｂの外側に配置される筒状のバックアイアン３ｄと、該バックアイアン３ｄと一定間隔が維持されるよう配置され、電源印加時磁場を形成するようコイル３ａが巻線されたコア３ｂと、該コア３ｂとバックアイアン３ｄとの間に上下動自在に設けられたマグネット３ｃと、を備えている。
【０００６】
コア３ｂは多数の電気鋼板が積層されたもので、この上下部分は、シリンダブロック２ｂの上部で外向きに延びた第１フレーム２ｅと、ここにボルト４を通して締め付けられる第２フレーム２ｆとにより支持される。そして、マグネット３ｃはコア３ｂで形成された磁場と相互作用して直線往復動するもので、これは連接棒５を通して作動体であるピストン２ｄと連結されている。これによりマグネット３ｃの往復動と共にピストン２ｄが圧縮室２ａを往復動する。
【０００７】
このような圧縮装置２と駆動装置３は、密閉容器１の底部でシリンダブロック２ｂを弾持するコイルバネ６と共振バネ７により支えられている。すなわち、ピストン２ｄを位置決めするために第２フレーム２ｆの下端に設けられたスぺ─サ８には、密閉容器１の底部でシリンダブロック２ｂを弾持するコイルバネ６が配置されている。
【０００８】
そして、共振バネ７は一種の板バネであって、その中心部にはピストン２ｄが締結され、縁部はスぺ─サ８に固定される。これにより共振バネ７がピストン２ｄと共に上下方向（矢印方向）に共振してその往復動力を倍加させる。
【０００９】
しかし、このような従来のリニア圧縮機では、作動体であるピストン２ｄを直線往復動させるための駆動装置３がリニアモータよりなっており、所望の出力を出すためには適切な大きさのコア３ｂとマグネット３ｃが要求され、その構造も複雑になされている。
【００１０】
これにより従来のリニア圧縮機では全体的なサイズが大きくなって、冷蔵庫などに直接に装着する場合、制約条件として働く。また、駆動装置の製造工程が極めて複雑であり、その性能は、その製造工程により大きく相違するという短所があった。
【００１１】
また、従来のリニア圧縮機では、リニアモータである駆動装置３を位相制御して所望の変位でピストン２ｄを駆動させるが、このためにマグネット３ｃとピストン２ｄの変位を感知するための変位センサ（図示せず）が要求される。従って、密閉容器１内に配置される変位センサにより他の部品の装着位置が制約され、また変位センサは温度による定数変化が発生してその制御もややこしくなる問題点があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、ピストンを線形的に駆動させるための駆動装置を改善して一層コンパクトに構成すると共に、作製を容易にすることができる圧縮機を提供するところにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、ピストンを線形的に駆動させる駆動装置を改善してその駆動制御をさらに簡単に行える圧縮機の制御方法を提供するところにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するための本発明に係る圧縮機によれば、内部に圧縮室が設けられたシリンダブロックと、圧縮室を往復動するピストンと、ピストンを駆動させるための駆動装置を備えた圧縮機において、駆動装置はシリンダブロックに対して縁部が位置決めされ上下方向に振動が可能でありかつここにピストンが装着された弾性部材と、弾性部材に配置され電源印加により変形が反復的になされて弾性部材に加振力を加える圧電アクチュエータと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る圧縮機の制御方法は、内部に圧縮室が設けられたシリンダブロックと、圧縮室を往復動するピストンと、圧縮室に対して縁部が位置決めされ上下方向に振動が可能でありかつここにピストンが装着された弾性部材と、弾性部材に配置され電源印加により変形が反復的になされて弾性部材に加振力を加える圧電アクチュエータを備えた圧縮機の制御方法において、圧電アクチュエータを通して弾性部材の変位を感知し、圧電アクチュエータに印加される電圧の大きさまたは周波数を変化させて弾性部材の変位を調節することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明に係る望ましい実施形態を詳述する。
【００１７】
本発明が適用された圧縮機は、図２に示した通り、閉回路よりなる冷凍サイクルで蒸発作用を終えた冷媒を吸込んで圧縮吐出する圧縮装置２０と、該圧縮装置２０を駆動させるために外部から電源を印加され動力を発生させる駆動装置３０と、駆動装置３０及び圧縮装置２０が内蔵される密閉容器１０と、を備えている。
【００１８】
圧縮装置２０は密閉容器１０の上側空間に配置されるが、内部に圧縮室２１ａが形成されたシリンダブロック２１と、シリンダブロック２１の上部に装着され、冷媒の吸込と吐出を案内するシリンダヘッド２２と、を含む。圧縮室２１ａはシリンダブロック２１内に軸方向に加工され、ここには駆動装置３０により上下に往復動するピストン２３が設けられる。シリンダヘッド２２には圧縮室２１ａに冷媒の吸込みを案内するための吸込室２２ａと、圧縮室２１ａで圧縮された冷媒が吐出される吐出室２２ｂが形成されている。また、シリンダヘッド２２とシリンダブロック２１との間には吸込孔２４ａと吐出孔２４ｂがせん孔された弁プレート２４と、ピストン２３の上下動により吸込孔２４ａと吐出孔２４ｂとを開閉する吸込弁２５及び吐出弁２６が設けられている。従って、ピストン２３が下死点に移動すれば吸込弁２５が開放され、吸込室２２ａ内の冷媒は吸込孔２４ａを介して圧縮室２１ａに吸込まれ、一方ピストン２３が上死点に移動すれば吐出弁２６が開放され、圧縮室２１ａの冷媒は圧縮され吐出孔２４ｂを介して吐出室２２ｂに吐出される。
【００１９】
そして、駆動装置３０はピストン２３を一定周期で上下往復動させるためのもので、これはシリンダブロック２１に対して縁部が位置決めされ中心部にピストン２３が装着された弾性部材３１と、該弾性部材３１を上下方向に共振させるための複数個の圧電アクチュエータ３２を備えてコンパクトに形成されているが、図２及び図３を参照してその詳細な構造を説明すれば次の通りである。
【００２０】
まず、弾性部材３１は弾性復元力を有する一種の板バネ（ｌｅａｆ  ｓｐｒｉｎｇ）から形成されており、この縁部３１ａ、３１ｂ、すなわち両端は、シリンダブロック２１の両側から下側に延びた一対の固定部材２７にボルト３３を介して固定される。また、弾性部材３１の中心部３１ｃにはピストン２３の下端がボルト３３で締結されていて、圧電アクチュエータ３２の駆動時、ピストン２３と共に上下方向に共振する。未説明符号“３１ｄ”は、ボルト３３による締結のために弾性部材３１の縁部３１ａ、３１ｂと中心部３１ｃにせん孔された固定ホールである。
【００２１】
複数の圧電アクチュエータ３２は、（＋）電圧と（−）電圧の印加により変形が反復的になされて弾性部材３１に加振力を加えて上下方向に振動させるよう働くが、このためピストン２３が装着された弾性部材３１の中心３１ｃを起点にして縁部３１ａ、３１ｂの上面に対応するよう取付けられている。
【００２２】
このような圧電アクチュエータ３２は弾性部材３１を振動させると共に、その位置をセンシングできる知能型素子でなされているが、圧電（Ｐｉｅｚｏ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ）素子、圧電セラミックス（Ｐｉｅｚｏ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｅｒａｍｉｃ）、形状記憶合金などで構成される。このようなものは、電気量を印加すれば印加した電気量を力または変形量などの物理量に変え、逆に力または変形量などの物理量が加わればこれを電気量、すなわち電気的なエネルギー量に変える素子である。
【００２３】
本発明の実施形態では圧電アクチュエータ３２を圧電素子で構成し、後述する制御部４０は圧電素子の変位を通して弾性部材３１の変位を同時にセンシングできるようなされている。
【００２４】
そして、圧縮機駆動を制御するための制御部４０には、圧電アクチュエータ３２と電気接続されこの変形量を通して弾性部材３１の変位を感知する検出部４１と、該検出部４１で感知された変位値と設定された変位値とを比較する比較部４２と、該比較部４２の結果値に基づき圧電アクチュエータ３２に印加される電気量を制御する加振部４３と、を備えている。
【００２５】
次に、このように構成された本発明に係る圧縮機の作動及びこれによる作用効果を説明する。
【００２６】
まず、電源が印加されない状態では圧電アクチュエータ３２に変形が発生されないため、図２に示した通り、弾性部材３１は水平に維持される。
【００２７】
このような状態で複数の圧電アクチュエータ３２に（＋）電圧が印加されれば、図４に示した通り、圧電アクチュエータ３２は下向きに変形される。これにより、弾性部材３１の中心部３２ｃは下向きに変形がなされ、かつピストン２３は下死点（矢印Ａ方向）に移動される。このような現象は、固定状態に保たれる弾性部材３１の縁部３１ａ、３１ｂに圧電アクチュエータ３２が対応するよう取付けられていて、圧電アクチュエータ３２の変形方向が弾性部材３１の中心３１ｃ側に向くことにより生じる。
【００２８】
一方、複数の圧電アクチュエータ３２に（−）電圧が印加されれば、図５に示した通り、圧電アクチュエータ３２は上側方向に変形される。これにより、弾性部材３１の中心部３１ｃもやはり上側方向に変形され、ピストン２３は上死点（矢印Ｂ方向）に移動される。この際、制御部４０では圧電アクチュエータ３２の変形量を通してピストン２３の運動を感知し、所望の出力になるまで圧電アクチュエータ３２に電源を印加してピストン２３を上下動させる。
【００２９】
従って、ピストン２３の自重及び弾性部材３１の加振力によりピストン２３は圧縮室２１ａ内を線形的に上下動し、これにより、吸込室２２ａの冷媒は吸込孔２４ａを介して圧縮室２１ａに吸込圧縮され、再び吐出孔２４ｂを介して吐出室２２ｂに吐出され冷却サイクルに再供給される。
【００３０】
このようにピストン２３の往復動は、電源印加により変形が反復的になされて弾性部材３１を上下方向に振動させる複数の圧電アクチュエータ３２により行われるため、圧電アクチュエータ３２に印加される電気信号（電圧）の大きさを調節すれば、弾性部材３１の変形量を制御することができる。
【００３１】
すなわち、圧電アクチュエータ３２に印加される電気信号（電圧）に応じて弾性部材３１の変形量が相違になるため、ピストン２３の変位を容易に制御することができる。また、印加される電気信号を動的に変化させるように周波数を変化させることにより、ピストン２３を多様な周波数で駆動制御することができる。
【００３２】
一方、このような技術的な思想は、圧電アクチュエータ３２を弾性部材３１の縁部３１ａ、３１ｂの上面に取付けた例をもとに説明したが、これに限らず、さらに大きな加振力を加えるよう圧電アクチュエータ３２を弾性部材３１の縁部の上下面に対応して取付けたり、弾性部材３１の全域にわたって一定間隔で複数個設けたりしてもよい。そして、図６に示した通り、圧電アクチュエータ３２′を所定厚さよりなる弾性部材３１′の内部にインサートして設けることもできる。
【００３３】
また、図７に示した通り、圧電アクチュエータ３２″をピストン２３と弾性部材３１との間に上下方向に伸縮されうるよう積層形に装着しても本発明の所期の目的を達成できることは勿論である。すなわち、圧電アクチュエータ３２″に電圧が繰り返して印加されれば軸方向に圧縮と引張とを繰り返し、これによりピストン２３が直線往復動する。この際、ピストン２３の往復動は弾性部材３１によりさらに倍加される。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明に係る圧縮機及びその制御方法によれば、ピストンを駆動させるための駆動装置の縁部がシリンダブロックに対して位置決めされ上下方向に振動でき、ここにピストンが装着された弾性部材と、弾性部材に配置され電源印加により変形が反復的になされて弾性部材に加振力を加える圧電アクチュエータとからなっている。これにより、ピストン駆動装置がコンパクに構成され全体的な製品サイズが縮小されることは勿論、圧電アクチュエータを通してピストン変位を感知し、ここに印加される電圧制御を通して所望の出力をさらに容易に調節することができる。また、ピストン及び弾性部材の変位を感知するための別の変位センサが要求されなく、適用製品により圧縮機の能力を所望の形態に多様に変化させうる能力可変型圧縮機が具現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のリニア圧縮機の内部構造を示した断面図である。
【図２】本発明に係る圧縮機の内部構造を示した断面図である。
【図３】本発明に係る弾性部材を抜粋して示した平面図である。
【図４】本発明に係る圧縮機の駆動状態を概略的に示した図である。
【図５】本発明に係る圧縮機の駆動状態を概略的に示した図である。
【図６】本発明に係る弾性部材の他の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係るさらに他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
２０  圧縮装置
２１  シリンダブロック
２１ａ  圧縮室
２３  ピストン
２７  固定部材
３０  駆動装置
３１  弾性部材
３２  圧電アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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