(57)【要約】【課題】リニアモータのコイル断線，モータロックなどの異常を電気的に検出し、ピストンが暴走してケーシングに衝突するのを回避できるようにした振動圧縮機の運転制御装置を提供する。【解決手段】ケーシング内に作動ガス圧縮／膨張空間を挟んでその両側に配したピストン４Ａ，４Ｂ、および２組のリニアモータ６Ａ，６Ｂを装備し、インバータ（電源）１２の出力をリニアモータに給電してピストンを往復動させる振動圧縮機において、給電回路２２で各リニアモータのコイル電流ＩＡ，ＩＢ　を検出する電流検出器２５、その電流差を求める電流差演算器２５、インバータ出力調整回路２６を備え、圧縮機の運転中に各リニアモータに流れるコイル電流の差分に対応した検出値があらかじめ設定した閾値を超えた場合に異常発生と判断し、リニアモータへの給電を止めて圧縮機を停止する、あるいはインバータの出力電圧を下げて圧縮機を低出力で継続運転するようにする。【選択図】　　　図１
2004100640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機のケーシング内部に作動ガスの圧縮／膨張空間を挟んでシリンダの両端側に向かい合わせに嵌入した一対のピストン，および各ピストンを個別に駆動する２組のリニアモータを装備した構成になり、電源装置の交流出力を各リニアモータに給電し、前記ピストンを互いに逆方向へ往復駆動して作動ガスに圧力振動を発生させるようにした振動圧縮機の運転制御装置であって、
前記リニアモータの給電回路で各リニアモータに流れるコイル電流の電流検出手段、その電流差を求める演算手段、および電源装置の出力調整手段を備え、圧縮機の運転中に各リニアモータに流れるコイル電流の差分に対応した検出値があらかじめ設定した閾値を超えた場合にピストンに異常振幅が発生したと判断し、リニアモータへの給電を止めて圧縮機の運転を停止することを特徴とする振動圧縮機の運転制御装置。
【請求項２】
圧縮機のケーシング内部に作動ガスの圧縮／膨張空間を挟んでシリンダの両端側に向かい合わせに嵌入した一対のピストン，および各ピストンを個別に駆動する２組のリニアモータを装備した構成になり、電源装置の交流出力を各リニアモータに給電し、前記ピストンを互いに逆方向へ往復駆動して作動ガスに圧力振動を発生させるようにした振動圧縮機の運転制御装置であって、
前記リニアモータの給電回路で各リニアモータに流れるコイル電流の電流検出手段、その電流差を求める演算手段、および電源装置の出力調整手段を備え、圧縮機の運転中に各リニアモータに流れるコイル電流の差分に対応した検出値があらかじめ設定した閾値を超えた場合にピストンに異常振幅が発生したと判断し、リニアモータに給電する電源装置の出力電圧を下げて圧縮機を継続運転するようにしたことを特徴とする振動圧縮機の運転制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の運転制御装置において、定常運転時におけるピストンの最大振幅をＬＭＡＸ、最大振幅ＬＭＡＸのピストン位置とケーシングとの間の余裕寸法をＬＯ、ピストンの振幅を前記最大振幅ＬＭＡＸを超えて余裕寸法Ｌ０まで拡大させるリニアモータのコイル電流増加分に相応して電流検出手段で得た検出電圧の増分をＶ０〔Ｖ０＝ｆ（ＬＭＡＸ＋Ｌ０）−ｆ（ＬＭＡＸ）〕として、閾値をＶ０以下に設定して圧縮機を運転制御することを特徴とする振動圧縮機の運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機，パルスチューブ冷凍機などのガスサイクル機関の冷凍機に適用する振動圧縮機の運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
頭記のスターリング冷凍機，パルスチューブ冷凍機において、その圧力振動の発生機構である圧縮機として、ピストンを可動コイル形リニアモータで往復駆動するようように構成したものが公知である。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、両端を開放したシリンダに、作動ガス（ヘリウムなどの冷媒）の圧縮／膨張空間を挟んで一対のピストンを向かい合わせに配置し、リニアモータの駆動により各ピストンを同期して互いに逆方向に往復動させるようにしたスプリットタイプのリニア駆動式圧縮機も知られている。（例えば、特許文献２）。
【０００４】
次に、前記したスプリットタイプのリニア駆動式圧縮機の詳細構造を図２に示す。
【０００５】
図２において、１は圧縮機、２は作動ガスの保圧容器を構成する密閉形ケーシング、３は後記するリニアモータの継鉄を兼ねた円筒形のシリンダ、４Ａ，４Ｂは作動ガスの圧縮空間３ａを挟んで向かい合わせにシリンダ３の両端に嵌入した左右一対のピストン、５は前記ピストン４Ａ，４Ｂを軸方向へ移動可能に支持した円板形のサスペンションばね、６Ａ．６Ｂはピストン４Ａ，４Ｂを個別に駆動する可動コイル形リニアモータである。
【０００６】
このリニアモータ６Ａ，６Ｂは、前記シリンダ３の外周側に一体化して磁気回路を形成する継鉄７と、半径方向に着磁して継鉄７の内周面に装着したリング状の永久磁石８と、永久磁石８に対峙する可動コイル９と、可動コイル９を支持してピストン４Ａ，４Ｂに連結したボビン１０とで構成した単相コイルモータである。なお、３ｂはシリンダ３を半径方向に貫通して前記ガス圧縮空間３ａに通じる作動ガス通路、１１は前記ガス通路３ｂと冷凍機のコールドヘッド（図示せず）に内蔵したディスプレーサとの間に配管したキャピラリチューブである。
【０００７】
なお、図示してないが、リニアモータ６Ａ，６Ｂの可動コイル９に接続したリード線は、ケーシング２を気密に貫通して外部に引出した上で後記する電源部に接続して給電するようにしている。
【０００８】
かかる構成になる振動圧縮機の動作は周知であり、可動コイル９に交流電圧を印加すると、可動コイル９に流れる電流と該コイルに鎖交する永久磁石８の磁束との間に働く電磁力により、リニアモータ６Ａ，６Ｂの可動コイル９が同期して互いに逆方向に往復動作する。これにより、サスペンションばね５で支持されたピストン４Ａと４Ｂがシリンダ３内で圧縮方向，膨張方向に交互に往復動し、左右のピストンで挟まれたシリンダ３内のガス圧縮空間３ａに封入した作動ガスが圧縮，膨張して圧力振動を発生する。なお、円板形のサスペンションばね５は可動コイル９の電流ゼロの状態でピストン３を図示の中立位置に保持している。
【０００９】
次に、前記圧縮機１に用いる従来の電源，制御回路を図３に示す。図３において、１２はスイッチング素子Ｑ１　〜Ｑ４　で構成した単相インバータ（電源装置）であり、該インバータ１２の交流出力を圧縮機１のリニアモータ６Ａ，６Ｂの可動コイル９に給電してピストン４Ａ，４Ｂを往復駆動する。
【００１０】
ここで、圧縮機１の運転時におけるピストン４Ａ，４Ｂの振幅（往復動のストローク），往復動周期を外部から与えた指令値に対応して制御するために、圧縮機１の内部には一方のピストン４Ａに対応する位置センサ１３を備え、該位置センサ１３で得たピストンの位置情報を基に、次記のようにインバータ１２の出力調整を行うようにしている。
【００１１】
すなわち、インバータ出力の周波数指令を正弦波発生器１４に与えて所望周波数の制御信号（正弦波信号）を得る。そして、前記の正弦波信号とピストンの振幅指令の積を掛け算器１５で求め、それぞれに係数を乗じて出力電圧指令を得る。また、この出力電圧指令を比較器１７によりキャリア発生器１６で発生した三角波と比較してＰＷＭ波形に変換し、さらにデットタイム生成回路１８によりデットタイムを付加した後、ゲートドライバ１９によりインバータ１２のスイッチング素子Ｑ１　〜Ｑ４　をＯＮ，ＯＦＦ制御し、インバータ１２から所望周波数，電圧値の出力電圧を得る。
【００１２】
一方、圧縮機１のピストン位置制御は、前記位置センサ１３で得た位置情報を基に直流分検出器２０で検出したピストン位置と位置指令を比較して位置調整器（比例制御器あるいは比例積分制御器）２１に入力し、その出力（直流電圧）を前記した出力電圧指令に重畳して行うようにしている。この場合に、出力電圧指令に正の直流電圧を重畳すると、リニアモータ６Ａ，６Ｂで駆動するピストン４Ａ．４Ｂが外方向に向かって移動するものとする。
【００１３】
【特許文献１】
特開平５−２８８４１９号公報（ｐ３〜４，図１４）
【特許文献２】
特開平６−２５７８７１号公報（ｐ３，図１）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した振動圧縮機に対する従来の運転制御方式では、圧縮機の運転中に左右２組のリニアモータ６Ａ，６Ｂのうち、片方のリニアモータにコイル断線，あるいは該リニアモータで駆動するピストンとシリンダの齧りなどに起因してモータロックするなどの異常事態が発生すると、他方のリニアモータで駆動するピストンの振幅が異常に大きくなってピストンが圧縮機のケーシングに衝突し、最悪な場合には破損する重大事故に進展するおそれがある。
【００１５】
すなわち、図３で述べた運転制御系では、圧縮機１のリニアモータ６Ａ，６Ｂに対し、位置センサ１３の位置情報を基にインバータ１２からの出力電圧を調整しているが、位置センサ１３でピストン位置を検出しているリニアモータ６Ａがコイル断線，あるいは該リニアモータ６Ａで駆動するピストン４Ａの齧りなどが原因でモータロックしたりすると、この場合にはピストン４Ａが往復動作のストローク途中で停止，もしくは拘束されるために位置センサ１３では正常にピストン位置情報が得られなくなる。しかも、この場合には前記の位置指令と拘束状態にあるピストン４Ａの位置情報との関係から、インバータ１２の出力電圧を高めるようにフィードバックが働く。そのために、高い出力電圧の給電を受けて動作する他方のリニアモータ６Ｂで駆動するピストン６Ｂの振幅が異常に増大し、その結果としてピストン４Ｂが圧縮機のシリンダ２に衝突する、あるいはリニアモータ６Ｂのボビン１０がシリンダ３の端面に衝突し、最悪な場合には破損して圧縮機１が運転不能となる。
【００１６】
そこで、あらかじめインバータ１２の出力電圧の上限を制限してピストンの暴走を防ぐようにすることが考えられるが、この方式でもピストンの異常振幅を抑えることが困難である。
【００１７】
すなわち、インバータ１２の出力電圧を制限した場合に、前記と同様にリニアモータ６Ａがモータロックするなどの異常が生じると、ピストン４Ａが拘束されたまま、インバータ１２の出力電圧の制限から他方のピストン４Ｂを駆動するリニアモータ６Ｂの推力も制約されるため、圧縮機の圧縮行程で図２のガス圧縮空間３ａにおける作動ガスの圧縮圧力が低下するようになる。一方、圧縮機の圧縮行程でのピストンの振幅は、リニアモータの推力のほか、ガス圧縮空間３ａのガス圧力とピストンを支えるサスペンションばね５との釣り合い条件で決まる。
【００１８】
このために、前記のように圧縮行程で圧縮されるガス圧縮空間３ａのガス圧が低くなると、ピストンに働くガス圧の抗力も弱まることから、結果としてガス圧の低下分だけピストン４Ｂはリニアモータ６Ｂの推力を受けてさらに圧縮方向に進み、定常運転時と比べてピストン４Ｂの振幅が大きくなる。しかも、圧縮機のピストンは、消費電力を低く抑えるためにその振動系の共振周波数で振幅するよう設計されていることから、前記のようにインバータ１２の出力電圧の上限を制限したとしても、前記の状況になるとピストン４Ｂの振幅は自励的に増加してピストン４Ｂがケーシングに衝突し、最悪時には破壊する危険がある。
【００１９】
また、圧縮機１に装備した左右一対のピストン４Ａ．４Ｂのうち、前記とは逆に位置センサ１３で位置検出を行ってない右側のピストン４Ｂがコイル断線，ピストンの齧りなどが原因でピストンの往復動が拘束，停止した場合には、左側のピストン４Ａは位置センサ１３で検出した位置情報を基にしたインバータ１２の出力電圧により定常運転時と同様な振幅で往復動するが、右側のピストン４Ｂはモータロックにより往復動のストローク途中で拘束，停止しているために、圧縮機から吐き出す作動ガス圧が下がって冷凍機の能力が低下するようになる。
【００２０】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、圧縮機の運転中にリニアモータの異常が原因でピストンの振幅が増大した場合にこれを電気的にいち早く検出し、ピストンが暴走してケーシングに衝突するのを回避できるようにした振動圧縮機の運転制御装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、圧縮機のケーシング内部に作動ガスの圧縮／膨張空間を挟んでシリンダの両端側に向かい合わせに嵌入した一対のピストン，および各ピストンを個別に駆動する２組のリニアモータを装備した構成になり、電源装置の交流出力を各リニアモータに給電し、前記ピストンを互いに逆方向へ往復駆動して作動ガスに圧力振動を発生させるようにした振動圧縮機の運転制御装置として、
第１の発明では、前記リニアモータの給電回路で各リニアモータに流れるコイル電流の電流検出手段、その電流差を求める演算手段、および電源装置の出力調整手段を装備し、圧縮機の運転中に各リニアモータに流れるコイル電流の差分に対応した検出値があらかじめ設定した閾値を超えた場合に、ピストンに異常振幅が発生したと判断して演算手段から電源装置の出力調整手段に異常信号を出力し、この異常信号を基にリニアモータへの給電を止めて圧縮機の運転を停止させるようにする（請求項１）。
【００２２】
また、第２の発明では、圧縮機の運転中に各リニアモータに流れるコイル電流の差分に対応した検出値があらかじめ設定した閾値を超えた場合には、異常信号を基にリニアモータに給電する電源装置の出力電圧を定常運転時よりも下げてピストンの振幅をケーシングに衝突しないように縮小し、圧縮機の出力を低めた状態で継続運転するようにする（請求項２）。
【００２３】
そして、前記の閾値は次のように設定するものとする。すなわち、定常運転時におけるピストンの最大振幅をＬＭＡＸ、最大振幅ＬＭＡＸのピストン位置とケーシングとの間の余裕寸法をＬ０、ピストンの振幅を前記の最大振幅ＬＭＡＸを超えて余裕寸法Ｌ０まで拡大させるリニアモータのコイル電流増加分に相応して電流検出手段で得た検出電圧の増分をＶ０〔Ｖ０＝ｆ（ＬＭＡＸ＋Ｌ０）−ｆ（ＬＭＡＸ）〕として、前記の閾値をＶ０以下に設定して圧縮機を運転制御するようにする（請求項３）。
【００２４】
上記において、圧縮機の運転中に２組のリニアモータのうち、片方のリニアモータに断線，モータロックなどの異常が発生すると、そのリニアモータに流れるコイル電流と他方のリニアモータに流れるコイル電流との間に大きな電流差が生じるようになる。そこで、この電流差を検出し、その電流差に対応した検出値（絶対値）が前記した閾値を超えた際にはピストンに異常振幅が発生したと判断して、圧縮機の運転を強制的に停止する、あるいは電源装置の出力電圧を定常運転時よりも下げてピストンの振幅を抑えた状態で圧縮機を運転することにより、ピストンがケーシングに衝突して破損する非常事態を回避して、圧縮機を安全に運転制御することかできる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図３に対応する部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００２６】
図１の電源，制御回路は図３と基本的に同じであるが、図３と比べて電流検出器２４，電流差演算器２５，およびインバータ出力調整回路２６が新たに追加装備されている。
【００２７】
すなわち、インバータ（電源装置）１２の出力端と圧縮機１との間に配線した給電回路２２に対し、圧縮機１に装備した２組のリニアモータ６Ａ，６Ｂに対応する分岐給電回路２２Ａ，２２ＢにはＣＴ２３を設けてリニアモータ６Ａ，６Ｂに流れるコイル電流ＩＡ，ＩＢを計測する。また、電流検出器２４はＣＴ２３で計測した電流ＩＡ，ＩＢを電圧ＶＡ，ＶＢ　に変換して後段の電流差演算器２５に出力する。一方、電流差演算器２５は、各電流検出器２４の出力電圧ＶＡ，ＶＢの差を演算し、その差の絶対値が後記する閾値を超えた際に異常信号をインバータ出力調整回路２６に出力する。さらに、インバータ出力調整回路２６は、電流差演算器２５から出力する異常信号を受けた場合に、インバータ１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＯＦＦにして圧縮機１への給電を完全に停止するか、もしくはインバータ１２の出力電圧を下げて圧縮機１を低出力運転させるとともに、同時にアラーム信号を出して異常発生を外部に知らせる。
【００２８】
次に、前記した閾値の設定について説明する。すなわち、圧縮機１に内蔵したピストン４Ａ，４Ｂの振幅（往復動ストローク）は、各ピストンを個別に駆動するリニアモータ６Ａ，６Ｂの可動コイルに流れる電流ＩＡ，ＩＢの大きさに応じて変化することから、定常運転におけるピストン４Ａ，４Ｂの最大振幅をＬＭＡＸ、そのときにリニアモータ６Ａ，６Ｂに流すコイル電流をＩＭＡＸとしてこの電流を電流検出器２４で検出した検出電圧をＶＭＡＸ、最大振幅ＬＭＡＸのピストン位置と圧縮機１のケーシング２（図２参照）との間に残る余裕寸法をＬ０、ピストンを前記の最大振幅ＬＭＡＸを超えて余裕寸法ＬＯ　まで拡大させた場合にリニアモータに流すコイル電流の増加分に対応する前記検出電圧の増分をＶ０とすると、Ｖ０は次の（１）式で得られる。
【００２９】
Ｖ０＝ｆ（ＬＭＡＸ＋Ｌ０）−ｆ（ＬＭＡＸ）　　　　・・・（１）
したがって、上記のＶ０を閾値として、圧縮機の運転中に図１の電流検出器２５，電流差演算器２５で検出した出力電圧ＶＡ，ＶＢの差（絶対値）が閾値Ｖ０を超えた際に、前記のように圧縮機１の運転を強制的に停止すれば、ピストンが異常振幅してケーシングに衝突する事態を未然に回避できる。
【００３０】
また、この圧縮機を適用する冷凍機の環境によっては、圧縮機の運転を強制的に停止せずに、圧縮機を低出力の状態にして継続運転させることも可能である。この場合には、閾値を例えば前記Ｖ０値の８０％程度に設定しておき、圧縮機の運転中に前記した出力電圧ＶＡ，ＶＢの差（絶対値）が閾値（０．８Ｖ０）を超えた際に、インバータ１２の出力電圧を定常運転時の９０％に下げるように調整して運転すれば、圧縮機の出力は定常運転時に比べて低下するが、ピストンの衝突を避けた状態で継続運転を行うことが可能である。
【００３１】
なお、リニアモータ６Ａ，６Ｂのいずれか一方に異常が発生した場合のケースとして、リニアモータ６Ａの可動コイルが断線するとコイル電流ＩＡはゼロとなるのでＩＡ＜ＩＢとなり、リニアモータ６Ａがモータロックした場合にはコイル電流ＩＡが増大するのでＩＡ＞ＩＢとなる。また、リニアモータ６Ｂに異常が発生した場合にはコイル電流ＩＡ，ＩＢの大小関係は前記と逆になるが、いずれの場合でもコイル電流ＩＡ，ＩＢを監視することにより、ピストンの振幅異常をいち早く電気的に検知し、これを基にインバータ（電源装置）１２の出力調整を行うことで圧縮機のピストンがケーシングに衝突する危険を回避できる。
【００３２】
また、リニアモータ６Ａ，６Ｂのコイル電流ＩＡ，ＩＢの検出方法として、図示実施例では給電回路２２の給電分岐回路２２Ａ，２２ＢにＣＴ２３，電流検出器２４を装備してコイル電流ＩＡ，ＩＢを検出しているが、これとは別にリニアモータ６Ａと６Ｂのコイル電流ＩＡとＩＢとの合計電流ＩＡ＋Ｂが流れる給電回路２２と、一方の給電分岐回路，例えば２２ＡにＣＴ２３，電流検出器２４を配備し、リニアモータ６Ｂのコイル電流ＩＢを演算（ＩＢ＝ＩＡ＋Ｂ−ＩＡ）によって求めることもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、圧縮機のケーシング内部に作動ガスの圧縮／膨張空間を挟んでシリンダの両端側に向かい合わせに嵌入した一対のピストン，および各ピストンを個別に駆動する２組のリニアモータを装備した構成になり、電源装置の交流出力を各リニアモータに給電し、前記ピストンを互いに逆方向へ往復駆動して作動ガスに圧力振動を発生させるようにした振動圧縮機において、前記リニアモータの給電回路で各リニアモータに流れるコイル電流の電流検出手段、その電流差を求める演算手段、および電源装置の出力調整手段を備え、圧縮機の運転中に各リニアモータに流れるコイル電流の差分に対応した検出値があらかじめ設定した閾値を超えた場合にピストンに異常振幅が発生したと判断し、リニアモータへの給電を止めて圧縮機の運転を停止する、あるいはリニアモータに給電する電源装置の出力電圧を下げて圧縮機を継続運転することにより、
圧縮機の運転中に、２組のリニアモータのうち、一方のリニアモータにコイル断線，モータロックなどの異常が発生した場合でも、この異常を電気的にいち早く検出し、ピストンがケーシングに衝突して破損する非常事態を回避して、圧縮機を安全に運転制御することかでき、これにより振動圧縮機の事故予防への対応が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様に係る振動圧縮機の電源，制御回路図
【図２】図１における圧縮機の詳細構造を表す構成断面図
【図３】従来における振動圧縮機の電源，制御回路図
【符号の説明】
１　　　　　圧縮機
２　　　　　ケーシング
３　　　　　シリンダ
３ａ　　　　作動ガスの圧縮空間
４Ａ，４Ｂ　ピストン
５　　　　　サスペンションばね
６Ａ，６Ｂ　リニアモータ
９　　　　　可動コイル
１２　　　　　インバータ（電源装置）
２２　　　　　給電回路
２３　　　　　電流検出用ＣＴ
２４　　　　　電流検出器
２５　　　　　電流差演算器
２６　　　　　インバータ出力調整回路
ＩＡ，ＩＢ　　　リニアモータのコイル電流
ＶＡ，ＶＢ　　　コイル電流に対応した検出電圧
【図１】
2004100640.tif 000003
【図２】
2004100640.tif 000004
【図３】
2004100640.tif 000005