(57)【要約】【課題】コントローラによって高体積効率を達成するよう制御される自由ピストンリニアコンプレッサを提供する。【解決手段】コントローラは、検出アルゴリズム（１１７／１１８）によってピストンとシリンダヘッドの衝突が検出されるまで入力電力を上昇（ランプアップ）させるアルゴリズム（１１６）を含み、衝突が検出されると検出アルゴリズム（１１７／１１８）は、入力電力を減分減させ、次にアルゴリズム（１１６）が入力電力を再び上昇させる。損傷の生じない低エネルギー衝突は、摂動アルゴリズム（１１９）を含むコントローラによって達成され、摂動アルゴリズム（１１９）は、入力電力勾配を電力の周期的な過渡的パルスで摂動させてピストンの衝突が過渡的電力パルス中に引き起こされるようにする。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由ピストンリニアコンプレッサを制御する方法であって、
（ａ）前記コンプレッサへの入力電力を次第に増大させるステップと、
（ｂ）電力の周期的過渡的増加（Ｒb）を重ね合わせることにより前記ステップ（ａ）の電力関数を摂動させるステップと、
（ｃ）ピストン衝突があるかどうかについてモニタするステップと、
（ｄ）ピストン衝突が検出されると、前記入力電力を直ちに減分するステップと、
（ｅ）前記ステップ（ａ）〜ステップ（ｄ）を連続的に繰り返すステップと、を備えている、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
シリンダ（１２）内で往復動し、電気モータによって駆動される自由ピストン（２２）を有するリニアコンプレッサ（１）を制御する方法であって、前記電気モータは、１又は２つ以上の励磁巻線（３３）及び前記ピストンに連結されたアーマチャ（１７）を備えたステータ（５）を有し、前記方法は、
（ａ）交流電流を前記ステータ巻線に流して前記アーマチャ及び前記ピストンが往復動するようにするステップと、
（ｂ）前記ピストンの往復動周期の表示尺度を得るステップと、
（ｃ）前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す前記表示尺度の突然の減少を検出するステップと、
（ｄ）多くの往復動周期にわたり前記ステータ巻線への電力入力を次第に増大させるステップとを有する方法において、前記方法は、
（ｅ）次第に増大するステータ電力を電力の周期的過渡的増加（Ｒb）だけ摂動させるステップと、
（ｆ）ピストン周期の突然の減少を検出すると、前記ステータ巻線への電力入力を減少させるステップと、
（ｇ）前記ステップ（ｄ）〜ステップ（ｆ）を周期的に繰り返すステップとを更に備えている、
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
シリンダ（１２）内で往復動し、電気モータによって駆動される自由ピストン（２２）を有するリニアコンプレッサ（１）を制御する方法であって、前記電気モータは、１又は２つ以上の励磁巻線（３３）及び前記ピストンに連結されたアーマチャ（１７）を備えたステータ（５）を有し、前記方法は、
（ａ）交流電流を前記ステータ巻線に流して前記アーマチャ及び前記ピストンが往復動するようにするステップと、
（ｂ）前記モータの逆ＥＭＦをモニタするステップと、
（ｃ）前記モータの逆ＥＭＦの零交差を検出するステップと、
（ｄ）前記零交差の付近の前記逆ＥＭＦ波形の勾配をモニタするステップと、
（ｅ）前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す前記波形勾配中の不連続部を検出するステップと、
（ｆ）多くの往復動周期にわたり前記ステータ巻線への電力入力を次第に増大させるステップとを有する方法において、前記方法は、
（ｇ）次第に増大するステータ電力を電力の周期的過渡的増加（Ｒb）だけ摂動させるステップと、
（ｈ）逆ＥＭＦ勾配の不連続部の検出時に前記ステータ巻線への電力入力を減少させるステップと、
（ｉ）前記ステップ（ｄ）〜ステップ（ｆ）を周期的に繰り返すステップとを更に備えている、
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
自由ピストンガスコンプレッサであって、
シリンダ（１２）と、
前記シリンダ（１２）内で往復動可能なピストン（１７）と、
前記ピストンに結合され、少なくとも１つの励磁巻線（３３）を有する往復動線形電気モータと、
前記ピストンの往復動周期の表示尺度を得る手段（１０９）と、
前記モータへの電力入力を設定する手段（１０７）と、
前記モータへの前記電力入力を次第に増大させるよう前記電力設定手段を制御する手段（１１６）とを有する自由ピストンガスコンプレッサにおいて、前記自由ピストンガスコンプレッサは、
電力の過渡的増大により前記次第に増大している電力入力を摂動させる手段（１１９）と、
前記摂動信号に起因して、前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す、前記往復動周期の前記表示尺度中の突然の減少を検出する手段（１１７）と、
検出された往復動周期中の突然の変化に応答して、前記励磁巻線への前記電力入力を減少させる手段（１１６）とを、更に備えている、
ことを特徴とする自由ピストンガスコンプレッサ。
【請求項５】
前記モータは、電子転流型永久磁石ＤＣモータである、
請求項４記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
【請求項６】
往復動周期の表示尺度を得る前記手段は、励磁電流が流れていないときに、前記少なくとも１つの励磁巻線（３３）中に誘導される逆ＥＭＦをサンプル採取する逆ＥＭＦ検出手段（９８）と、前記逆ＥＭＦ検出手段の出力に接続された零交差検出手段と、零交差相互間の期間を求め、それにより前記ピストンの前記往復動の各半サイクルの時間を求めるための計時手段（１１２）とを備えている、
請求項４又は５記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
【請求項７】
往復動周期の突然の変化を検出する前記手段は、前記交互往復動半サイクル時間の平均値をもたらす平均化手段と、最新の往復動半サイクル時間の測定値と対応の半サイクルの時間の前記平均値を比較して差値を生じさせる比較手段と、前記差値が所定の期間に関して所定のしきい値よりも大きいかどうかを判定する手段とを備えている、
請求項４ないし６のいずれか１項に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
【請求項８】
前記電力設定手段は、電力切換え装置（１０７）であり、前記制御手段（１１６）は、前記往復動周期中に前記切換え装置のオン時間を制御することにより前記モータへの前記電力入力を求める、
請求項４ないし７のいずれか１項に記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
【請求項９】
前記摂動手段（１１９）は、前記制御手段（１１６）が前記往復動周期の倍数に等しい周期的な間隔で所定の過渡的量だけ前記切換え装置の前記オン時間を増大させる、
請求項８記載の自由ピストンガスコンプレッサ。
【請求項１０】
請求項６ないし９のいずれか１項に記載の自由ピストンガスコンプレッサと、蒸発器（１０２）とを有する冷蔵庫であって、前記コンプレッサは、前記計時手段と関連した往復動頻度測定手段（１１２）と、前記蒸発器のところの温度を検出する温度センサ（９７）とを含み、最大コンプレッサ入力電力は、振動数及び蒸発器温度の関数として求められる、
ことを特徴とする冷蔵庫。
【請求項１１】
零交差の付近の前記逆ＥＭＦ波形の勾配をモニタする手段（１１８）と、前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す前記波形勾配中の不連続部を検出する手段とを有し、前記励磁巻線への電力を減少させる前記手段（１１６）は、逆ＥＭＦ勾配不連続部の検出にも応答する、
請求項１０に記載の冷蔵庫。
【請求項１２】
自由ピストンガスコンプレッサであって、
シリンダ（１２）と、
前記シリンダ（１２）内で往復動可能なピストン（１７）と、
前記ピストンに結合され、少なくとも１つの励磁巻線（３３）を有する往復動線形電気モータと、
前記モータの逆ＥＭＦをモニタする手段（９８）と、
前記モータの逆ＥＭＦの零交差を検出する手段（９９）と、
前記零交差の付近の前記逆ＥＭＦの勾配をモニタする手段（１１８）と、
前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す前記波形勾配中の不連続部を検出する手段（１１８）と、
前記モータへの電力入力を設定する手段（１０７）と、
前記モータへの前記電力入力を次第に増大させるよう前記電力設定手段を制御する手段（１１６）とを有する自由ピストンガスコンプレッサにおいて、前記自由ピストンガスコンプレッサは、
電力の過渡的増大により前記次第に増大している電力入力を摂動させる手段（１１９）と、
前記摂動信号により前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す前記不連続部を検出する手段と、
検出された逆ＥＭＦ勾配不連続部に応答して前記励磁巻線への前記電力入力を減少させる手段（１１６）と、を備えている、
ことを特徴とする自由ピストンガスコンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自由ピストンリニアコンプレッサ、特に冷蔵庫用コンプレッサ（これには限られない）の制御システムに関する。制御システムにより、ピストン行程が最長化され、衝突が計画的に生じるハイパワーモードを可能にする。
【背景技術】
【０００２】
リニアコンプレッサは、自由ピストンを利用して動作し、行程振幅の厳密な制御を必要とする。というのは、クランクシャフトを用いた従来のロータリコンプレッサとは異なり、行程振幅が一定ではないからである。圧縮されている流体の状態に対して過大なモータ電力を印加すると、その結果、ピストンは、その中を往復動しているシリンダヘッドの歯車装置と衝突する場合がある。
【０００３】
米国特許第６，８０９，４３４号明細書は、コンプレッサに流入する冷媒の性質の関数としてモータ電力を制限する自由ピストンコンプレッサ用制御システムを開示している。しかしながら、リニアコンプレッサでは、実際のピストン衝突を検出し、これに応答してモータ電力を減少させることができるようにするのが効果的である。かかる方式を単に用いただけで過剰モータ電力が何らかの理由で生じても、コンプレッサ損傷を阻止することができ、又は、かかる方式を衝突が生じるまで電力を次第に増大させ、次に電力を減分し、その後、電力を再び次第に増大させることにより、高い体積効率を確保する手段として用いることができる。この動作モードに付きものの周期的な軽いピストン衝突により生じる損傷は無視できるほどのものであり、かかる衝突を楽に許容することができる。
【０００４】
米国特許第６，５３６，３２６号明細書は、振動検出器、例えばマイクロホンを用いるリニアコンプレッサのピストン衝突を検出するシステムを開示している。
【０００５】
米国特許第６，８１２，５９７号明細書は、線形モータの逆ＥＭＦ（起電力）に基づき、したがって、センサ及びこれらと関連の費用を必要としないで、ピストン衝突を検出する方法及びシステムを開示している。これは、ピストン衝突時に生じることが分かっている周期中の突然の変化を利用する。往復動周期及び（又は）半周期は、モータステータ巻線中に誘導される逆ＥＭＦの零交差相互間の時間を測定することにより得ることができる。逆ＥＭＦは、モータのアーマチャ速度及びかくしてピストン速度の関数であり、零交差により、ピストンがその往復動サイクル中に方向を変える時点が分かる。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，８０９，４３４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５３６，３２６号明細書
【特許文献３】米国特許第６，８１２，５９７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
計画的にコンプレッサを最大電力及び高い体積効率で動作させることが望ましい場合、衝突検出システムが衝突の開始を見落とさないようにすることが非常に重要である。というのは、衝突は、この動作モードでは規則的であって予測される出来事であり、電力が増大している状態での連続衝突は、損傷を引き起こすことになる。
【０００８】
本発明の目的は、衝突によるピストンの損傷を回避しながら高電力作動を可能にする自由ピストンリニアコンプレッサ用の制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、本発明の第１の特徴は、自由ピストンリニアコンプレッサを制御する方法であって、
（ａ）前記コンプレッサへの入力電力を次第に増大させるステップと、
（ｂ）電力の周期的過渡的増加（Ｒb）を重ね合わせることにより前記ステップ（ａ）の電力関数を摂動させるステップと、
（ｃ）ピストン衝突があるかどうかについてモニタするステップと、
（ｄ）ピストン衝突が検出されると、前記入力電力を直ちに減分するステップと、
（ｅ）前記ステップ（ａ）〜ステップ（ｄ）を連続的に繰り返すステップとを有する、方法にある。
【００１０】
本発明の別の特徴は、シリンダ内で往復動し、電気モータによって駆動される自由ピストンを有するリニアコンプレッサを制御する方法であって、前記電気モータは、１又は２つ以上の励磁巻線及び前記ピストンに連結されたアーマチャを備えたステータを有し、前記方法は、
（ａ）交流電流を前記ステータ巻線に流して前記アーマチャ及び前記ピストンが往復動するようにするステップと、
（ｂ）前記ピストンの往復動周期の表示尺度を得るステップと、
（ｃ）前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す前記表示尺度の突然の減少を検出するステップと、
（ｄ）多くの往復動周期にわたり前記ステータ巻線への電力入力を次第に増大させるステップとを有する方法において、前記方法は、
（ｅ）次第に増大するステータ電力を電力の周期的過渡的増加（Ｒb）だけ摂動させるステップと、
（ｆ）ピストン周期の突然の減少を検出すると、前記ステータ巻線への電力入力を減少させるステップと、
（ｇ）前記ステップ（ｄ）〜ステップ（ｆ）を周期的に繰り返すステップとを更に有する、方法にある。
【００１１】
本発明の更に別の特徴は、シリンダ内で往復動し、電気モータによって駆動される自由ピストンを有するリニアコンプレッサを制御する方法であって、前記電気モータは、１又は２つ以上の励磁巻線及び前記ピストンに連結されたアーマチャを備えたステータを有し、前記方法は、
（ａ）交流電流を前記ステータ巻線に流して前記アーマチャ及び前記ピストンが往復動するようにするステップと、
（ｂ）前記モータの逆ＥＭＦをモニタするステップと、
（ｃ）前記モータの逆ＥＭＦの零交差を検出するステップと、
（ｄ）前記零交差の付近の前記逆ＥＭＦ波形の勾配をモニタするステップと、
（ｅ）前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す前記波形勾配中の不連続部を検出するステップと、
（ｆ）多くの往復動周期にわたり前記ステータ巻線への電力入力を次第に増大させるステップとを有する方法において、前記方法は、
（ｇ）次第に増大するステータ電力を電力の周期的過渡的増加（Ｒb）だけ摂動させるステップと、
（ｈ）逆ＥＭＦ勾配の不連続部の検出時に前記ステータ巻線への電力入力を減少させるステップと、
（ｉ）前記ステップ（ｄ）〜ステップ（ｆ）を周期的に繰り返すステップとを更に有する、方法にある。
【００１２】
本発明の更に別の特徴は、自由ピストンガスコンプレッサであって、
シリンダと、
前記シリンダ内で往復動可能なピストンと、
前記ピストンに結合され、少なくとも１つの励磁巻線を有する往復動線形電気モータと、
前記ピストンの往復動周期の表示尺度を得る手段と、
前記モータへの電力入力を設定する手段と、
前記モータへの前記電力入力を次第に増大させるよう前記電力設定手段を制御する手段とを有する自由ピストンガスコンプレッサにおいて、前記自由ピストンガスコンプレッサは、
電力の過渡的増大により前記次第に増大している電力入力を摂動させる手段と、
前記摂動信号に起因して、前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す、前記往復動周期の前記表示尺度中の突然の減少を検出する手段と、
検出された往復動周期中の突然の変化に応答して、前記励磁巻線への前記電力入力を減少させる手段とを更に有する、自由ピストンガスコンプレッサにある。
【００１３】
本発明の更に別の特徴によれば、自由ピストンガスコンプレッサであって、
シリンダと、
前記シリンダ内で往復動可能なピストンと、
前記ピストンに結合され、少なくとも１つの励磁巻線を有する往復動線形電気モータと、
前記モータの逆ＥＭＦをモニタする手段と、
前記モータの逆ＥＭＦの零交差を検出する手段と、
前記零交差の付近の前記逆ＥＭＦの勾配をモニタする手段と、
前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す前記波形勾配中の不連続部を検出する手段と、
前記モータへの電力入力を設定する手段と、
前記モータへの前記電力入力を次第に増大させるよう前記電力設定手段を制御する手段とを有する自由ピストンガスコンプレッサにおいて、前記自由ピストンガスコンプレッサは、
電力の過渡的増大により前記次第に増大している電力入力を摂動させる手段と、
前記摂動信号により前記ピストンと前記シリンダヘッドの衝突を表す前記不連続部を検出する手段と、
逆ＥＭＦ勾配不連続部に応答して前記励磁巻線への前記電力入力を減少させる手段とを有する、自由ピストンガスコンプレッサにある。
【００１４】
本発明に関連した当業者であれば、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の構成の多くの変更並びに多種多様な実施形態及び用途を想到できよう。本発明書における開示内容及び説明は、単なる例示であり、いかなる意味においても本発明を限定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の好ましい一形態を添付の図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明は、線形電気モータにより給電される自由ピストン往復動コンプレッサの制御に関する。代表的な用途は、冷蔵庫であるが、これには限定されない。
【００１７】
一例として挙げるに過ぎず、技術背景を提供するために、本発明に従って制御できる自由ピストンリニアコンプレッサが、図１に示されている。上記圧縮冷凍システム用のコンプレッサは、シェル２の内部に支持されたリニアコンプレッサ１を含む。典型的には、ハウジング２は、気密封止され、このハウジングは、ガス入口ポート３及び圧縮ガス出口ポート４を有している。未圧縮ガスは、コンプレッサ１の周りのハウジングの内部内を流れる。これら未圧縮ガスは、吸気行程中にコンプレッサ中へ吸い込まれ、圧縮行程でピストンクラウン１４と弁板５との間で圧縮され、そして吐出弁６を介して圧縮ガスマニホルド７内へ追い出される。圧縮ガスは、マニホルド７を出て、可撓性管８を通ってシェルに設けられた出口ポート４に至る。吐出管８の剛性効果を軽減するため、この管は好ましくは、コンプレッサの往復動軸線に対して横方向に位置するループ又は螺旋として配置されている。圧縮空間への吸気は、ヘッド、吸引マニホルド１３及び吸引弁２９を介して行われる。
【００１８】
図示のリニアコンプレッサ１は、大ざっぱに言って、主ばねにより互いに連結されたシリンダ部とピストン部を有する。シリンダ部は、シリンダハウジング１０、シリンダヘッド１１、弁板５及びシリンダ１２を有する。ヘッド１１から見て遠くに位置するシリンダ部の端部分１８は、主ばねをシリンダ部に対して取り付けている。主ばねは、図１に示すようにコイルばね１９と板ばね２０の組み合わせとして形成されたものであるのがよい。ピストン部は、側壁２４及びクラウン１４を備えた中空ピストン２２を有している。
【００１９】
コンプレッサ用電気モータは、コンプレッサ構造体と一体に形成されている。シリンダ部は、モータステータ１５を含む。同時作動式線形モータアーマチャ１７が、ロッド２６及び支持本体３０によりピストンに連結されている。線形モータアーマチャ１７は、シリンダライナ内におけるピストンの往復動軸線に対して横方向に差し向けられた１又は２つ以上の極をもたらすよう磁化された永久磁石材料（例えば、フェライト又はネオジム）の塊状体から成る。ピストン２２から見て遠くに位置するアーマチャ支持体３０の端部分３２は、主ばねに連結されている。
【００２０】
リニアコンプレッサ１は、シェル２内で複数個の懸架ばねに取り付けられていて、これら懸架ばねは、リニアコンプレッサをシェルから隔離している。使用にあたり、リニアコンプレッサシリンダ部は、振動するが、ピストン部がシリンダ部と比較して非常に軽量に作られているので、シリンダ部の振動は、ピストン部とシリンダ部の相対往復動と比較して僅かである。
【００２１】
必ずしも正弦波ではないステータ巻線３３中の交流電流は、アーマチャ磁石１７に加わる振動力を生じさせ、アーマチャとステータを実質的に相対運動させる。ただし、振動数が機械システムの固有振動数に近いことを条件とする。この固有振動数は、ばね１９の剛性とシリンダ１０及びステータ１５の質量によって定まる。
【００２２】
しかしながら、ばね１９だけではなく、固有のガスばねが設けられ、その有効ばね定数は、冷凍コンプレッサの場合、蒸発器か凝縮器の圧力（及び温度）が変動すると変化する。このことを考慮に入れるためにステータ巻線電流及びかくしてピストン力を設定する制御システムが、米国特許第６，８０９，４３４号明細書に記載されており、この米国特許を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。米国特許第６，８０９，４３４号明細書も又、最大モータ電力を制限して周波数及び蒸発器温度に基づいてピストンとシリンダヘッドの衝突を最小限に抑えるためのシステムを記載している。
【００２３】
好ましくは、本発明の制御システムは、米国特許第６，８０９，４３４号明細書に開示された制御システムと関連して動作するが、必ずしもそうである必要はない。
【００２４】
本発明のリニアコンプレッサ制御システムの技術背景を提供するため、冷蔵庫用の基本的な制御システムが、図２に示されている。蒸発器１０２及びコンプレッサ１０３を有する冷蔵庫１０１は、所望のキャビネット温度で作動するよう、信号１０４を発生させる制御装置を介してユーザによって設定される。これにより、コンプレッサ１０３は、温度センサ１０５によってモニタされる冷蔵庫キャビネット温度により、所望の温度設定値が達成され、制御増幅器１０７を駆動する誤差信号１０６が所与のしきい値を下回ったことが分かるまで動作する。この時点で、コンプレッサ１０３をオフに切り換える。キャビネット温度が所定のしきい値よりも高くなると、誤差信号１００の振幅が、所定値を超え、コンプレッサが再びオンにされる。これは、冷蔵庫に用いられている従来型非線形フィードバックシステムである。
【００２５】
本発明の制御システムは、図２を参照して説明した従来型ループ内に位置する。この制御システムは、入力として増幅器１０７からの出力信号を受け取って、本発明においては自由ピストンリニアコンプレッサであるコンプレッサ１０３を制御する。
【００２６】
本発明の制御システムは、図３の基本的モータ制御システム及び好ましくは（必ずしもそうである必要はない）図４のシステムと関連して動作する。図３を参照すると、図１を参照して既に説明した形式のものであるのがよいリニアコンプレッサ１０３Ａは、電力切換え回路１０７から送られる交流電圧によって付勢されるそのステータ巻線を有し、この電力切換え回路１０７は、図７に示すブリッジ回路の形態をしているのがよく、このブリッジ回路は、逆の極性の電流をコンプレッサステータ巻線３３中へ転流するよう切換え装置１１１，１１２を用いている。ステータ巻線の他端は、２つの直列に接続されたキャパシタの接合部に接続されており、これらキャパシタも又、ＤＣは電力源の両端に接続されている。図７に示す「ハーフ」ブリッジに代えて、４つの切換え装置を用いるフルブリッジを用いてもよい。制御システムは好ましくは、電力切換え回路１０７の動作を制御するプログラムドマイクロプロセッサとして具体化される。かくして、切換え回路１０７は、制御システムのマイクロプロセッサによって実行される切換えアルゴリズム１０８によって制御される。マイクロプロセッサは、種々の機能を実行し又は説明の目的上、図３〜図５のブロック図にブロックとして表された説明されるべき表を用いるようプログラムされている。
【００２７】
コンプレッサピストンの往復動及びその振動数又は周期は、運動検出器１０９によって検出され、この運動検出器は、往復動中のコンプレッサアーマチャによりコンプレッサステータ巻線中に誘導される逆ＥＭＦをモニタし、その逆ＥＭＦ信号の零交差を検出するプロセスを含む。電力スイッチ１０７を制御するためのマイクロプロセッサ出力信号を生じさせる切換えアルゴリズム１０８は、逆起電力零交差信号１１０中の論理遷移から開始されるその切換え時間を有している。これにより、往復動コンプレッサは、最大出力又は電力効率に達するようになる。コンプレッサ入力電力を求めるには、電力スイッチ１０７によってステータ巻線に印加される電流の大きさか電流の持続時間かのいずれかを制御するのがよい。また、電力スイッチのパルス幅変調を利用してもよい。
【００２８】
図４は、米国特許第６，８０９，４３４号明細書に開示され、ピストン振動数及び蒸発器温度に基づいて最大電力を設定することにより通常の作動中にピストンとシリンダの衝突を最小限に抑える制御法により改良した図３の基本的コンプレッサ制御システムを示している。蒸発器温度センサからの出力１１１をマイクロプロセッサ入力のうちの１つに印可し、逆ＥＭＦ信号１１０中の零交差相互間の時間を計時する振動数ルーチン１１２によってピストン振動数を求める。求めた振動数と測定した蒸発器温度の両方を用いて最大電力ルックアップテーブル１１３から最大電力を選択し、このルックアップテーブルは、比較器又は比較ルーチン１１４について最大許容電力Ｐtを設定する。比較器ルーチン１１４は、比較器ルーチン１１４は、第２の入力値１０６として、冷蔵庫制御全体から必要とされる電力需要（Ｐr）を表す入力値を受け取る。比較器ルーチン１１４を切換えアルゴリズム１１８によって用いて切換え電流の大きさ又は持続時間を制御する。比較器ルーチン１１４は、出力値１１５を生じさせ、この出力値は、冷蔵庫により必要とされる電力Ｐrと最大電力表１１３から見て許容される電力Ｐtのうちの最小値である。
【００２９】
まさしく図４を参照して説明した制御概念を用いると、その結果として、リニアコンプレッサ１０３Ａ（稼働状態にあるとき）は、通常の作動中、ピストン衝突が全く無く又は最小限に抑えられた状態で動作することになる。しかしながら、米国特許第６，８１２，５９７号明細書に開示されているように、リニアコンプレッサ１０３Ａを、図４の制御システムで達成される出力よりも高い出力を達成できるが、或る程度のピストン衝突は避けられない「最大パワーモード」で動作させることができる。次に、このモードを容易にする本発明の制御システムについて説明する。
【００３０】
図５を参照すると、電力アルゴリズム１１８が用いられ、この電力アルゴリズムは、比較ルーチン１１４に別の入力としての値を与える。電力アルゴリズム１１６は、連続的に増加する値を比較器ルーチン１１４に与えることによりコンプレッサ入力電力をゆっくりと上昇させ、それにより、切換えアルゴリズム１０８が電力スイッチ１０７の電流の大きさ又は好ましくはオン（ＯＮ）持続時間を増加させる。電力をｎサイクル目毎又はｎ回のピストン往復動毎にＰa＋Ｒまで増大させ、Ｐaは、衝突分析器（以下に示す）により許容される電力であり、Ｒは、増加率を定める電力増分である。実際問題として、通常ｎ＝１である。この増加は、ピストン衝突が検出されるまで続く、衝突検出プロセス１１７は好ましくは、コンプレッサ巻線中に誘導される逆ＥＭＦの分析から決定され、用いられる技術は、ピストン周期中の突然の減少を見つける米国特許第６，８１２，５９７号明細書に開示されている技術（図８ａ及び図８ｂ）は、上述したようにピストンの半周期と時間の関係を表すグラフ図である（又はアナログ逆ＥＭＦ信号の勾配上の不連続部を見つける米国特許出願第１０／８８０，３８９号明細書に開示されている技術かのいずれかであるのがよい。
【００３１】
衝突の検出時、電力アルゴリズム１１８により、減分値を比較器ルーチン１１４に入力して電力の減少を達成する。次に、電力アルゴリズム１１６は、次に衝突が検出されるまでコンプレッサ入力電力をゆっくりと上昇させ、このプロセスを繰り返す。
【００３２】
ピークピストンエクスカーションの増大に起因する最初の衝突を検出する確率を最大にするため（電力の増大が起こる衝突が続くことにより損傷が生じる場合があるので）、電力アルゴリズム１１６によりもたらされる有効電力ランプ（ramping)信号は、非常に短い持続時間の間に電力の増大（Ｒb）をもたらす摂動アルゴリズム１１９（図６参照）によってｍサイクル目毎に定期的にパルス化される。ｍの代表的な値は、１００である。一実施形態では、これは、電力スイッチ１０７のオン時間を１秒毎に１００μｓだけ増加させることにより達成される（図８ｃ参照）。用いられる衝突検出システムに応じてオン時間のこれよりも短い増加、例えば、５０μｓが用いられる場合がある。これは、図８ｃに示すように、ランプ信号のインパルス関数摂動Ｒbの周期的適用にあたる。ただし、これは、電力スイッチ１０７のオン時間のグラフであって、したがって電力のグラフではないことは理解されるべきである。ｍサイクル目毎に、電力を、一サイクルについて、即ち、一往復動についてＰa＋Ｒpに増大させてコンプレッサ電力が、結果的にシリンダ弁歯車装置との衝突を生じさせるピークピストン変位をほぼ引き起こすようなものである場合に衝突を誘発させる。この低エネルギー衝突を検出し、コンプレッサ入力電力をすぐにｓ．Ｒpだけ減少させ、この場合、ｓは、代表的には２０であり、かくして、確認した減分を摂動インパルス電力の２０倍にする。ランプ関数は、再開してコンプレッサ電力を再び次第に増大させる。
【００３３】
上述の摂動法を用いると、電力漸増時に衝突が続くことが回避されることが確実な状態で損傷を生じさせない低エネルギーのピストン衝突が生じる状態で、リニアコンプレッサを必要な場合に最大電力及び最大体積効率で作動させることができる。
【００３４】
望ましくは、説明した高出力制御方法を、衝突回避が図４を参照して説明したように行われる場合、通常の作動のための制御と関連して用いられるが、必ずしもそうである必要はない。両方の方法を用いる制御システムが、図９に示されている。この場合、比較ルーチン１１４は、３つの入力Ｐr，Ｐt，Ｐaを受け取る。図９のシステムでは、電力アルゴリズム１１６からの入力Ｐaを、２つの衝突検出プロセス１１７，１１８のうちの一方又は両方によって減分するのがよい。上述したように、プロセス１１７は、周期的変化を見つけ、プロセス１１８は、逆ＥＭＦ勾配変化を見つける。
【００３５】
かかる包括的な制御システムでは、作動は、以下に示す表１及び表２に概要が記載されている。
【００３６】
【表１】
2006300066.tif 000003
【００３７】
【表２】
2006300066.tif 000004
【００３８】
好ましくは、衝突検出アルゴリズムは、米国特許第６，８１２，５９７号明細書に開示されたピストン周期中の突然の減少の確認から引き出されたアルゴリズムである。次に、この方法から導き出される改良法について説明する。
【００３９】
振動ピストン２２の周期は、下死点と上死点との間のそれぞれの２つの半周期で構成されているが、対称な連続又は交互の半周期は無い。ピストンがヘッド（弁板５）から遠ざかるときの半周期膨張行程は、ピストンがヘッドに近づく際の半周期圧縮行程よりも長い。さらに、リニアコンプレッサは連続サイクルにおいて互いに異なる周期で動作する場合が多い（これは、吐出弁が漏れを生じ始める場合に非常に重要になる）、周期を奇数サイクルと偶数サイクルに分離するのが有用である。かくして、好ましいピストン衝突検出方法では、４つの周期、即ち、サイクルについて圧縮及び膨張周期、これに加えて奇数サイクルについて圧縮及び膨張周期をストレージしてモニタする。好ましくは、２つの短い半サイクル（圧縮行程）のうちいずれかの突然の変化は、この方法では、ピストン衝突を示すものと見なされる。図８ｂでは、代表的な偶数の短い繰り返し（サイクル）周期が示され、図８ａは、代表的な偶数膨張行程半周期を示している。
【００４０】
好ましい衝突検出アルゴリズム１１７で用いられるプロセスは、上述した４つの半周期について検出器１０９からの逆ＥＭＦ零交差時間を指数型重みつき移動平均（ｅｗｍａ）としてストアして奇数サイクル及び偶数サイクルの第１及び第２の半周期の各々について平滑化され又は選別された値を与える。好ましくは、無限長インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタを重みづけに用いて半周期の出力された最も新しい推定値が、先の推定値の最後の値多数７／８の１／８であるようにする。これら推定値を最新の対応の半サイクルの検出周期と連続的に比較、比較結果を急な減少があるかどうかについてモニタする。差が量“Ａ”よりも大きければ、アルゴリズム１１７は、衝突があったことを示唆する。しきい差“Ａ”についての値は、２０マイクロ秒である。特に、摂動インパルスエネルギーが１００μｓオン時間に起因して生じるインパルスエネルギーとは異なっている場合に、他のしきい値を用いてもよい。
【００４１】
衝突が検出されると、電力スイッチ１０７のオン時間を或る量（例えば図８ｃに示す移行Ｄを参照）減少させ、それ以上の衝突を停止させる。一実施形態では、オン周期を、５０．２μｓだけ減少させて上述のｓ．Ｒp減分を生じさせる。衝突がいったん停止すると、電力スイッチ１０７のオン時間が或る期間をかけてその先の値までゆっくりと増大するようにする（図８ｃのランプ関数Ｒを参照）。満足のいく作動のための期間に関する値は、約１時間である。当然のことながら、電流の大きさを制御し又はパルス幅変調によって電力制御を達成して上述したのと同じ効果を達成してもよい。
【００４２】
これは、表２の高出力モードである。変形例として、オン時間は、システム変数が著しく変化するまで減少状態のままであろう。一実施形態では、米国特許第６，８０９，４４３４号のシステムが主電流制御アルゴリズムとして用いられる場合、かかるシステム変更は、定められた最大電流の変化によってモニタされる。その場合、これは、振動数又は蒸発器温度の変化に応答する。好ましい実施形態では、このアルゴリズムと衝突検出アルゴリズムの組み合わせは監視役割をもたらし、かかる組み合わせは、先行技術と比べて向上した体積効率をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に従って制御されるリニアコンプレッサの軸方向縦断面図である。
【図２】冷蔵庫用制御システムをブロック図の形態で示す図である。
【図３】コンプレッサモータの逆ＥＭＦから計時された切換えとの電子通信方式を用いる基本的なリニアコンプレッサ制御システムを示す図である。
【図４】ピストン衝突回避手段を備えた図３の制御システムを示す図である。
【図５】コンプレッサの高出力作動のための衝突制御装置を備えた図３の制御システムを示す図である。
【図６】本発明によるコンプレッサ入力電極の摂動を含む図５の制御システムを示す図である。
【図７】電流をコンプレッサ巻線に転流する回路を示す図である。
【図８ａ】コンプレッサ電力入力を表すグラフ図であり、摂動ランプ関数高電力モード（及び対応のピストン衝突）をこれに対応したピストン膨張及び収縮半サイクル期間と共に示す図である。
【図８ｂ】コンプレッサ電力入力を表すグラフ図であり、摂動ランプ関数高電力モード（及び対応のピストン衝突）をこれに対応したピストン膨張及び収縮半サイクル期間と共に示す図である。
【図８ｃ】コンプレッサ電力入力を表すグラフ図であり、摂動ランプ関数高電力モード（及び対応のピストン衝突）をこれに対応したピストン膨張及び収縮半サイクル期間と共に示す図である。
【図９】図３〜図６の制御特徴の全てを含むリニアコンプレッサ制御システムを示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  リニアコンプレッサ
２  ハウジング又はシェル
３  ガス入口ポート
４  ガス出口ポート
６  吐出弁
７，１３  マニホルド
１２  シリンダ
１５  モータステータ
１７  アーマチャ
１９，２０  ばね
２２  中空ピストン
３０  支持本体
３２  エンドピストン
３３  ステータ巻線
【図１】
2006300066.tif 000005
【図２】
2006300066.tif 000006
【図３】
2006300066.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006300066.tif 000010
【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
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