(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁コイルによって惹起される電磁吸引力をオン、オフすることによってピストンを往復動させ、空気の吸入および圧縮を行うリニアコンプレッサの励磁コイル給電装置であって、
前記励磁コイルの印加電圧をオフにした時に発生する逆起電圧によって該励磁コイル内に得られるエネルギをコンデンサに蓄電し、該励磁コイルの印加電圧をオンにした時に該コンデンサに蓄電したエネルギを該励磁コイルに放出することにより、該励磁コイルの励磁電流の立ち上げを急峻にしたことを特徴とするリニアコンプレッサの励磁コイル給電装置。
【請求項２】
励磁コイルによって惹起される電磁吸引力をオン、オフすることによってピストンを往復動させ、空気の吸入および圧縮を行うリニアコンプレッサの励磁コイル給電装置であって、
前記励磁コイルの印加電圧をオン、オフするチョッパ手段と、該チョッパ手段をオフにした時に、該励磁コイルに発生する逆起電圧を印加されるコンデンサと、前記チョッパ手段をオンにした時に該コンデンサの放電電流を前記励磁コイルに重畳する手段とを具備したことを特徴とするリニアコンプレッサの励磁コイル給電装置。
【請求項３】
励磁コイルによって惹起される電磁吸引力をオン、オフすることによってピストンを往復動させ、空気の吸入および圧縮を行うリニアコンプレッサの励磁コイル給電装置であって、
前記励磁コイルに接続され該励磁コイルの印加電圧をオン、オフするチョッパ手段と、
該チョッパ手段をオフにした時に、該励磁コイルに発生する逆起電圧を一方向通電素子を介して印加されるコンデンサと、
前記チョッパ手段をオンにした時に該コンデンサの放電電流をスイッチング素子を介して前記励磁コイルに重畳する手段と、
前記チョッパ手段をオンにした時に該スイッチング素子をトリガする手段とを具備したことを特徴とするリニアコンプレッサの励磁コイル給電装置。
【発明の詳細な説明】
【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の励磁コイル給電装置に関し、特に、圧縮機、真空コンプレッサ等に使用するリニアコンプレッサのピストンを駆動する励磁コイルの給電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフリーピストン式のリニアコンプレッサの一例を、図８を参照して説明する。図８は、従来のリニアコンプレッサ（以下、単に「コンプレッサ」という）の断面図を示している。
電磁吸引作用によってピストン機構を往復動させる形式のコンプレッサは、磁気発生部、ピストン機構、流体の吸入・吐出方向を制御するための弁機構、ならびにこれらを覆うケーシング等の要素から構成されている。同図において、前部ケーシング１および後部ケーシング２ならびにこれらの間に配置された励磁鉄心３は、ねじ部品等の適当な締結要素で一体的に組付けられている。前記励磁鉄心３は図示しない磁極を有していて、該磁極には励磁コイル４が巻回されている。前記前部ケーシング１はヘッドカバー５によって密閉されている。なお、前記前部および後部ケーシング１，２には脚１ａ，２ａが取り付けられている。
【０００３】
前記前部ケーシング１の内方に張出している部材６の前方（図面上で左方向）にはシリンダ７が嵌合され、後方にはボルト８によって固定されたサポート９が配置されている。コンプレッサの中心部分にはピストン１０が配置され、該ピストン１０は、その中央部分に可動鉄心１１を有するとともに、その一端にはフランジ１２が形成され、該フランジ１２の外周は前記シリンダ７の内面に対して摺動自在になっている。一方、ピストン１０の他端は前記サポート９の内面に嵌挿された円筒ガイド１３に対して摺動自在に支持されている。また、ピストン１０の前記他端に形成された凹部１４にはコイルばね１５が収容され、該コイルばね１５の一端は該凹部１４の底部に当接し、他端はばね受１６を介して前記サポート９に嵌挿された球１７によって支持されている。
【０００４】
前記フランジ１２はカップ状に形成されており、該カップ底部には流体の通孔１８が形成され、該通孔１８には前記カップの内側方向に開く吸入弁１９が設けられている。一方、前記シリンダ７に、フランジ１２の外周面つまり摺動面と対向する適宜の位置に流体の通孔２０が形成され、該通孔２０にはシリンダ７の外方向に開く吐出弁２１が設けられている。
【０００５】
前記ヘッドカバー５には環状の凹部２２が形成されている。該凹部２２はキャップ２３で覆われ、内部には環状のフィルタ２４が充填されている。前記凹部２２には、フィルタ２４と対向する位置に流体の吸入孔となる横孔２５が設けられている。一方、図示しない流体の吐出孔は、ヘッドカバー５に設けられ、前記シリンダ７の外周に形成された空間２６とつながるように配置される。なお、該空間２６と流体の吸入経路の一部となる空間２７とは、図示しない隔壁によって仕切られる。
【０００６】
また、前記前部ケーシング１には、前記励磁コイル４に電流を供給するコード２８を該前部ケーシング１に固定するためのコードブッシュ２９が嵌挿されている。該コードブッシュ２９はその一部に形成された溝で前部ケーシング１の端面を挟み込み、他の一部が励磁鉄心３に押圧された状態で固定されている。
【０００７】
以上の構成により、該コンプレッサは、以下のように動作する。励磁コイル４に給電されて励磁鉄心３が励磁されると、可動鉄心１１に働く電磁吸引力により、コイルばね１５の弾発力に抗してピストン１０は図面右方に動く。このピストン１０の動作によって前記フランジ１２で形成されるカップ状空間の圧力が下がり、吸入弁１９が開いて流体が通孔１８から該カップ状空間に流入する。なお、流体は吸入孔２５からフィルタ２４を通って空間２７に流入し、該コンプレッサの内部を満たしている。
【０００８】
また、励磁コイル４に対する給電が絶たれると、ピストン１０はコイルばね１５の弾発力で押し戻され、前記カップ状空間の圧力が上昇して吐出弁２１が開き、通孔２０を通って空間２６に流体が排出され、前記図示しない吐出孔から外部の該流体の消費機器に吐出される。
【０００９】
以上の動作を繰り返すことにより、流体が空気であって、かつ前記吐出孔が閉塞された空間に接続されている場合は、該コンプレッサはその空間の圧力を上昇させる圧縮機として機能する。一方、吸入孔２５が閉塞空間に接続されていれば、該コンプレッサはその空間を真空にひく真空コンプレッサとなる。
【００１０】
次に、図９の回路図を参照して、前記コード２８を介して前記励磁コイル４に電流を供給する給電装置の一例を説明する。直流電源５１には、励磁コイル４とチョッパ回路５５が接続されており、励磁コイル４には、チョッパ回路５５がオフになった時に励磁コイル４に発生する逆起電圧を吸収するためのスナバ回路が接続されている。このスナバ回路は、抵抗５２、コンデンサ５３およびダイオード５４から構成されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記スナバ回路を用いた給電装置では、チョッパ回路５５がオフになった時に励磁コイル４に発生する逆起電圧により、図示のａ方向に電流が流れ、逆起電圧を吸収することができる。しかしながら、励磁コイル４内のエネルギは、全て抵抗５２の発熱により消費されるので、消費電力の効率が悪いという問題があった。また、この発熱により、他の部品が悪影響を受けるという問題があった。さらに、該スナバ回路はチョッパ回路５５がオンになった時には、励磁コイル４の励磁に何らの寄与をしないという問題があった。
【００１２】
この発明の目的は、前記した従来技術の問題点を除去し、消費電力の効率が良好で、発熱の少ない励磁コイルの給電装置を提供することにある。また、他の目的は、チョッパ回路がオンになった時にも、励磁コイルの励磁に寄与し、もってリニアコンプレッサの性能を向上させることのできる励磁コイル給電装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、励磁コイルによって惹起される電磁吸引力をオン、オフすることによってピストンを往復動させ、空気の吸入および圧縮を行うリニアコンプレッサの励磁コイル給電装置であって、前記励磁コイルの印加電圧をオフにした時に発生する逆起電圧によって該励磁コイル内に得られるエネルギをコンデンサに蓄電し、該励磁コイルの印加電圧をオンにした時に該コンデンサに蓄電したエネルギを該励磁コイルに放出することにより、該励磁コイルの励磁電流の立ち上げを急峻にした点に特徴がある。
【００１４】
本発明によれば、励磁コイルの逆起電圧によって励磁コイル内に発生したエネルギは、従来のように抵抗で消費されることなくコンデンサに蓄電されかつ励磁コイルの励磁電流に重畳されるので、高効率でかつ発熱の少ない励磁コイルの給電装置を提供することができる。また、該給電装置により、リニアコンプレッサの励磁コイルを励磁させると、リニアコンプレッサのピストンのストロークを大きくさせることができ、性能の良いリニアコンプレッサを提供することができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は本発明のリニアコンプレッサの励磁コイル給電装置の一実施形態を示す回路図である。直流電源３１は電圧Ｅの電源であり、該直流電源３１には、ダイオード３２とコンデンサ３３が直列に接続されている。また、該コンデンサ３３の両端には、ダイオード３４、３７、チョッパ回路３５、３６、および励磁コイル４からなるブリッジ型の励磁回路が接続されている。
【００１６】
次に、上記のような構成の励磁コイル給電装置の動作を、図２を参照して説明する。図２は、図１の要部の電圧または電流波形のタイミングチャートを示す。時間ｔ1 に、チョッパ回路３５、３６が同時にオンされたとすると、励磁コイル４には直流電源３１およびコンデンサ３３からの電流が重畳して、矢印ｂ方向に流れる。この結果、励磁コイル４に流れる電流波形は、実線ｄで示されているように、時間ｔ1 〜ｔ2 で急峻に立ち上がり、時間ｔ2 〜ｔ3 で直流電源３１によって決定される電流まで増加する。なお、図中の点線ｅは従来の励磁コイル給電装置（図９参照）の励磁コイル４に流れる電流波形を示している。
【００１７】
次に、時間ｔ3 において、チョッパ回路３５、３６が同時にオフされたとすると、励磁コイル４に逆起電圧が発生して、ダイオード３４→コンデンサ３３→ダイオード３７→励磁コイル４の経路で電流が流れ、励磁コイル４内のエネルギは、全てコンデンサ３３に蓄えられる。この結果、コンデンサ３３の両端電圧は、時間ｔ3 〜ｔ4 の間、Ｅ´に上昇する。次いで、時間ｔ4 で、再びチョッパ回路３５、３６が同時にオンされると、コンデンサ３３からの電流が直流電源３１からの電流に重畳して励磁コイル４に流れ込み、該励磁コイル４の電流は、時間ｔ4 〜ｔ5 で急峻に立ち上がる。以後は、前記と同様の動作が繰り返される。
【００１８】
したがって、本実施の形態によれば、チョッパ回路３５、３６をオフにした時に励磁コイル４に発生するエネルギは、抵抗により消費されることなく、コンデンサ３３に蓄えられることになる。また、このコンデンサ３３に蓄えられたエネルギは、チョッパ回路３５、３６がオンにされた時に、励磁コイル４に供給されることになるので、エネルギの無駄がなくなる。この結果、消費電力の効率が良好で、発熱の少ない励磁コイルの給電装置を提供することができるようになる。
【００１９】
また、励磁コイル４によって惹起される電磁吸引力が急激に立ち上がり、かつ空気吸入期間（時間ｔ1 〜ｔ3 、ｔ4 〜ｔ6 、…）に励磁コイル４に流れる電流値は、従来のものに比べて大きくなる。この結果、可動鉄心１１に働く電磁吸引力は従来のものに比べて大きくなり、ピストン１０のストローク、すなわち、図８においてピストン１０がコイルばね１５の弾発力に抗して右方に動く距離は、従来の場合に比べて大きくなる。このため、シリンダとピストンにより形成される閉塞空間は大きくなり、該コンプレッサを流れる空気の流量は多くなり、高効率のコンプレッサを提供することができるようになる。
【００２０】
ちなみに、本発明者が、同一のリニアコンプレッサ用い、給電装置のみを図５の従来のものと、図１の本発明のものとに交換して実験したところ、図３のような結果が得られた。この実験値から、コンプレッサを流れる空気の流量は従来のものに比べて増大し、かつ消費電力は低減したことがわかる。
【００２１】
次に、本発明の励磁コイル給電装置の第２の実施形態を、図４および図５を参照して説明する。図において、４１、４７はダイオード、４２は光信号でトリガされるサイリスタ（ＳＣＲ）、４３、４５はコンデンサ、４４は抵抗、４６は発光ダイオードであり、他の符号は図１の同符号と同一または同等物を示す。なお、前記抵抗４４とコンデンサ４５は微分回路を形成している。
【００２２】
次に、上記のような構成の励磁コイル給電装置の動作を説明する。チョッパ回路３６がオフの時、例えば図５の時間ｔ1 以前においては、ＳＣＲ４２はオフになっているので、直流電源３１→ダイオード３２→励磁コイル４→ダイオード４１→コンデンサ４３→直流電源３１の閉回路が成立し、コンデンサ４３に後述する励磁コイル４のエネルギが重畳されて、該コンデンサ４３はＥ´に上昇する。
【００２３】
さて、時間ｔ1 において、チョッパ回路３６がオンにされると、直流電源３１→ダイオード３２→励磁コイル４→チョッパ回路３６→直流電源３１の経路で電流が流れ始めて励磁コイル４の励磁が開始されると共に、抵抗４４→コンデンサ４５→発光ダイオード４６→ダイオード４７にも電流が流れ始める。該抵抗４４およびコンデンサ４５からなる微分回路に電流が流れると、発光ダイオード４６にはチョッパ回路３６がオンになった時だけ電流が流れ、該発光ダイオード４６は図５に示されているような光信号ＶG を出力する。この光信号ＶG はＳＣＲ４２をトリガし、該ＳＣＲ４２はオンになる。この結果、コンデンサ４３はＳＣＲ４２→励磁コイル４→チョッパ回路３６→コンデンサ４３の経路で放電し、励磁コイル４には直流電源３１から供給される電流にコンデンサ４３の放電電流が加算される。この結果、コンデンサ４３の電圧がＥになるまでの時間ｔ1 〜ｔ2 の間は、図５の実線ｄに示されているように急峻に立ち上がる。ＳＣＲ４２はコンデンサ４３の放電が進み該コンデンサ４３の電圧がＥになると逆バイアスになり、オフになる。時間ｔ2 を過ぎると、励磁コイル４には直流電源３１からのみの電流が供給されるようになり、図５の実線ｄに示されているように緩やかに増加する。
【００２４】
さて、時間ｔ3 となりチョッパ回路３６がオフにされると、励磁コイル４に逆起電圧が発生して、直流電源３１→ダイオード３２→励磁コイル４→ダイオード４１→コンデンサ４３→直流電源３１の経路で電流が流れ、励磁コイル４内のエネルギは、全てコンデンサ４３に蓄えられる。この結果、コンデンサ４３の両端電圧は、時間ｔ3 〜ｔ4 の間、Ｅ´に上昇する。次いで、時間ｔ4 で、再びチョッパ回路３６がオンされると、前記のようにしてＳＣＲ４２はオンとなり、コンデンサ４３からの電流が直流電源３１からの電流に重畳して励磁コイル４に流れ込み、該励磁コイル４の電流は、時間ｔ4 〜ｔ5 で急峻に立ち上がる。以後は、前記と同様の動作が繰り返される。
【００２５】
したがって、本実施の形態によれば、前記第１の実施形態と同様に、チョッパ回路３６をオフにした時に励磁コイル４に発生するエネルギは、抵抗により消費されることなく、コンデンサ４３に蓄えられることになる。また、このコンデンサ４３に蓄えられたエネルギは、チョッパ回路３６がオンにされた時に、励磁コイル４に供給されることになるので、エネルギの無駄がなくなる。この結果、消費電力の効率が良好で、発熱の少ない励磁コイルの給電装置を提供することができるようになる。
【００２６】
また、励磁コイル４によって惹起される電磁吸引力が急激に立ち上がり、かつ空気吸入期間（時間ｔ1 〜ｔ3 、ｔ4 〜ｔ6 、…）に励磁コイル４に流れる電流値は、従来のものに比べて大きくなる。この結果、可動鉄心１１に働く電磁吸引力は従来のものに比べて大きくなり、ピストン１０のストローク、すなわち、図８においてピストン１０がコイルばね１５の弾発力に抗して右方に動く距離は、従来の場合に比べて大きくなる。このため、シリンダとピストンにより形成される閉塞空間は大きくなり、該コンプレッサを流れる空気の流量は多くなり、高効率のコンプレッサを提供することができるようになる。
【００２７】
また、この実施形態では、高耐圧のチョッパ回路３６を１個だけ使用しているので、これを２個使用している図１のものに比べて、安価に作成することができる。なお、図４では、発光ダイオード４６と光信号でトリガされるＳＣＲ４２を用いたが、本発明はこれに限定されず、例えば発光ダイオードを除去し、コンデンサ４５の一方の電極と電気信号で作動するサイリスタのゲート端子とを接続し、抵抗４４とコンデンサ４５からなる微分回路の出力で該サイリスタをオンにするようにしてもよい。
【００２８】
次に、本発明の励磁コイル給電装置の第３の実施形態を、図６および図７を参照して説明する。図において、６１はトランジスタ、６２は抵抗、６３はダイオードを示し、他の符号は図４と同一または同等物を示す。この実施形態は、図４のサイリスタ４２に代えてトランジスタ６１を用いたものである。
【００２９】
トランジスタ６１は図７に示すように、時間ｔ1 〜ｔ3 ，ｔ4 〜ｔ6 の間オンになり、第１、第２の実施形態と同様に、チョッパ回路３６をオフにした時に励磁コイル４に発生するエネルギは、抵抗により消費されることなく、コンデンサ４３に蓄えられることになる。また、このコンデンサ４３に蓄えられたエネルギは、チョッパ回路３６がオンにされた時に、励磁コイル４に供給されることになるので、エネルギの無駄がなくなる。また、高耐圧のチョッパ回路３６を１個だけ使用しているので、これを２個使用している図１のものに比べて、安価に作成することができる。
【００３０】
なお、前記第２、第３の実施形態では、サイリスタ４２やトランジスタ６１等のスイッチング素子を用いたが、ＦＥＴ等の他のスイッチング素子を用いても本発明を実現することができるのは明らかである。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、次のような効果がある。
(1) チョッパ回路をオフにした時に励磁コイルに発生するエネルギは、従来装置のように、抵抗によって消費されることなく、コンデンサに蓄えられることになる。また、このコンデンサに蓄えられたエネルギは、チョッパ回路がオンにされた時に、励磁コイルに供給されることになる。この結果、励磁コイル内に発生するエネルギの無駄がなくなり、高効率の、発熱の少ない励磁コイルの給電装置を提供することができるようになる。
【００３２】
(2) 本発明の給電装置を用いてリニアコンプレッサの励磁コイルを励磁すると、コンプレッサの空気吸入期間に、該励磁コイルを流れる電流値は、従来のものに比べて増大するので、該コンプレッサのピストンのストロークは大きくなる。この結果、該コンプレッサの空気の流量は増大し、効率の良いリニアコンプレッサを提供することができるようになる。
【００３３】
(3) 請求項３の発明によれば、高耐圧のチョッパ回路素子が１個で済むので、励磁コイルの給電装置を安価に製造することができ、実用上の効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の給電装置の回路図である。
【図２】  図１の回路の主要部分の電圧、電流の波形を示すタイミングチャートである。
【図３】  実験データの一例を示す図である。
【図４】  本発明の第２の実施形態の給電装置の回路図である。
【図５】  図４の回路の主要部分の電圧、電流の波形を示すタイミングチャートである。
【図６】  本発明の第３の実施形態の給電装置の回路図である。
【図７】  図６の回路の主要部分の電圧、電流の波形を示すタイミングチャートである。
【図８】  リニアコンプレッサ構成を示す断面図である。
【図９】  従来のスナバ回路を用いた給電装置の回路図である。
【符号の説明】
４…励磁コイル、１０…ピストン、１１…可動鉄心、１５…コイルばね、１６…ばね受、１７…球、１８、２０…通孔、１９…吸入弁、２１…吐出弁、２８…コード、２９…コードブッシュ、３１…直流電源、３２、３４、３７…ダイオード、３５、３６…チョッパ回路、３３、４３…コンデンサ、４２…サイリスタ、４６…発光ダイオード、６１…トランジスタ。
【図１】
0003683316.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図９】
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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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【図８】
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