(57)【要約】本発明は、ピストンのストロークの矩形波と圧縮機に供給される電流の矩形波との間の位相差の情報によってトップクリアランスが最小となるようにシリンダ内のピストンの位置を安価でかつ正確に制御することができる往復動式圧縮機の制御装置及び方法を開示する。本発明の制御装置は、制御信号によって点弧角を変えて往復動式圧縮機を駆動する駆動部と、圧縮機に供給される電流に相当した矩形波を出力する電流位相検出部と、圧縮機のストロークに相当する矩形波を出力するストローク位相検出部と、上記の電流位相検出部から生成された矩形波と上記のストローク位相検出部から生成された矩形波との間の位相差によって上記の駆動部の点弧角を制御する制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。
2004522063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御信号によって点弧角を変えることによって往復動式圧縮機を駆動する駆動部と、
前記圧縮機に供給される電流に相当する矩形波を出力する電流位相検出部と、
前記圧縮機のストロークに相当する矩形波を出力するストローク位相検出部と、
前記電流位相検出部から生成された矩形波と前記ストローク位相検出部から生成された矩形波との間の位相差によって前記駆動部の点弧角を制御する制御部と、を含んでなることを特徴とする往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項２】
前記電流位相検出部は前記圧縮機に供給される電流を検出し、該検出された電流の値を出力する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流に相当する第１の矩形波を出力する第１矩形波発生部と、を含んでなることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項３】
前記電流位相検出部は前記電流検出部で検出された電流を積分して、該積分された電流を前記第１矩形波発生部に出力する積分部を更に含んでなることを特徴とする請求項２に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項４】
前記ストローク位相検出部は、前記圧縮機に供給される電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出された電圧と前記電流位相検出部で検出された電流とに基づいて前記ストロークを演算するストローク演算部と、
前記ストローク演算部で演算したストロークに相当する第２矩形波を発生して、該第２矩形波を前記制御部に出力する第２矩形波発生部と、を含んでなることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記電流位相検出部から出力される電流波形と前記ストローク位相検出部から出力されるストローク波形との間の位相差を測定する位相差測定部と、
前記位相差測定部で測定した位相差の大きさによって目標出力電圧を決定する出力電圧指令部と、を含んでなることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項６】
前記出力電圧指令部は、前記位相差測定部で測定した位相差を格納する位相差格納部と、
前記位相差測定部で測定した位相差を前記位相差格納部に格納された位相差と比較する位相差比較部と、
前記位相差比較部での前記比較の結果によって、前記圧縮機に供給されるべき電圧を決定し、前記位相差格納部のライトイネーブル信号を出力する決定部と、を具備して構成されることを特徴とする請求項５に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項７】
前記決定部は前記位相差が最小になるときピストンのトップクリアランスがゼロであると判断することを特徴とする請求項６に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項８】
前記決定部は前記位相差測定部で測定された位相差が前記位相差格納部に格納された位相差より小さいとき前記位相差測定部で測定した位相差を前記位相差格納部が格納するようにライトイネーブル信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項９】
前記駆動部は制御信号によって前記圧縮機に電源を供給するトライアックを具備し、
前記制御部から出力された制御信号に従って、前記圧縮機のストロークを調節するための点弧角を制御する信号を前記トライアックに出力する位相制御部を更に含んでなることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項１０】
前記トライアックは前記位相制御部から出力される点弧角に従って前記電源をスイッチングすることを特徴とする請求項９に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項１１】
前記駆動部から供給される電源電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を更に含んでなることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項１２】
ａ）点弧角を変えて圧縮機を駆動し、前記点弧角が変えられるときに前記圧縮機に供給される電流の位相と前記圧縮機のストロークの位相との間の位相差を測定する段階と、
ｂ）複数の前記測定した位相差を互いに比較して前記位相差の変曲点に相当する点弧角で前記圧縮機を駆動する段階と、を含んでなることを特徴とする往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項１３】
前記変曲点は前記位相差の最小点であることを特徴とする請求項１２に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項１４】
前記電流の位相は、前記圧縮機に供給される電流を検出し、該検出された電流を積分して生成されることを特徴とする請求項１２に記載の往復動式圧縮機の制御装置。
【請求項１５】
前記ストロークの位相は、前記圧縮機に供給される電圧と電流を検出し、前記検出された電圧と電流を用いてストロークを推定した後、推定値に相当するパルスとして出力されることを特徴とする請求項１２に記載の往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項１６】
前記ａの段階は、初期点弧角で圧縮機を駆動するときに測定した前記位相差を格納する段階と、
前記点弧角を所望の方向に変えることによって前記位相差を測定する段階と、
前記測定した位相差と既に格納されている位相差とを比較する段階と、
前記測定した位相差が前記既に格納されている位相差より小さいと前記格納されている位相差を前記測定した位相差に置換する段階と、
同一方向に点弧角を変えて前記測定、比較及び置換する段階を反復する段階と、を含むことを特徴とする請求項１２に記載の往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項１７】
前記測定した位相差が初期に格納された位相差より大きいとその前に変えた方向と反対方向に前記点弧角を変える段階を更に含んでなることを特徴とする請求項１６に記載の往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項１８】
前記方向と同一方向に点弧角を変えて測定した位相差が既に格納されている位相差より大きいとその前段階の点を変曲点として認識して前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項１６に記載の往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項１９】
前記段階ａで、初期に十分に小さい値の電流が前記圧縮機に供給されるように点弧角を設定し、次第に大きい電流が前記圧縮機に供給されるように点弧角を変えて前記位相差を測定し、
前記段階ｂで前記測定した位相差が前記既に格納されている位相差より大きくなるとき、その前段階の点弧角を前記変曲点として認識することによって前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項１２に記載の往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項２０】
ａ）所望の点弧角で圧縮機を駆動して、前記圧縮機に供給される電流に相当する第１矩形波と前記圧縮機の推定ストロークに相当する第２矩形波との間の位相差を測定して格納する段階と、
ｂ）前記点弧角を所望の方向に変えて前記圧縮機を駆動して、前記圧縮機に供給される電流に相当する第１矩形波と前記圧縮機の推定ストロークに相応する第２矩形波との間の位相差を測定する段階と、
ｃ）前記の格納した位相差と測定した位相差を比較して、前記測定した位相差が、前記格納した位相差より大きいと反対方向に前記点弧角を変化させ、前記測定した位相差が前記格納した位相差より小さいと、前記格納した位相差を前記測定した位相差に置換して格納し、同一方向に前記点弧角を変化させる段階と、
ｄ）前記段階ｂとｃを反復して前記位相差が変曲する点で前記圧縮機を駆動する段階と、を含んでなることを特徴とする往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項２１】
ａ）初期点弧角で圧縮機を駆動して前記圧縮機に供給される電流に相当する第１矩形波と前記圧縮機のストロークに相当する第２矩形波との間の位相差を測定して格納する段階と、
ｂ）前記点弧角を変えて前記圧縮機を駆動して、前記第１矩形波と第２矩形波との間の位相差を測定する段階と、
ｃ）前記の格納した位相差と測定した位相差とを比較して、前記測定した位相差が格納した位相差より小さくなるように前記点弧角を変えて前記位相差が最小になる点弧角で前記圧縮機を制御する段階と、を含んでなることを特徴とする往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項２２】
ａ）特定の点弧角で圧縮機を駆動して前記圧縮機に供給される電流に相当する第１矩形波を発生する段階と、
ｂ）前記圧縮機のストロークに相当する第２矩形波を発生する段階と、
ｃ）前記発生した第１及び第２矩形波間の位相差によって前記点弧角を調節して前記圧縮機の駆動を制御する段階と、を含んでなることを特徴とする往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項２３】
前記段階ｃで、
前記第１矩形波と第２矩形波との間の位相差によってトップクリアランスが最小になるようにピストンを制御するための制御信号が出力されることを特徴とする請求項２２に記載の往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項２４】
ａ）負荷に相当する電流とストロークとの間の位相差をテーブル化して格納する段階と、
ｂ）現在の負荷を測定して、該測定した負荷に相当する前記位相差を前記テーブルから読み出す段階と、
ｃ）初期点弧角で圧縮機を駆動して該圧縮機に供給される電流と前記圧縮機のストロークとの間の位相差を測定する段階と、
ｄ）前記測定した位相差と前記読み出された位相差とを比較して前記測定した位相差が前記読み出された位相差に近づくように前記点弧角を変える段階と、を含んでなることを特徴とする往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項２５】
前記段階ｃは、前記圧縮機に供給される電流を検出して該電流に相当する第１矩形波を発生する段階と、
前記圧縮機に印加される電圧を検出する段階と、
前記検出された電圧と電流を用いて前記圧縮機のストロークを演算する段階と、
前記演算されたストロークに相当する第２矩形波を発生する段階と、
前記第１矩形波と第２矩形波との間の位相差を測定する段階と、を含んでなることを特徴とする請求項２４に記載の往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項２６】
前記検出された電流を積分して前記第１矩形波を発生することを特徴とする請求項２５に記載の往復動式圧縮機の制御方法。
【請求項２７】
前記段階ｃで前記圧縮機に供給される電流と前記圧縮機のストロークとの間の位相差が前記読み出された位相差より十分に大きくなるように前記初期点弧角を設定し、
前記段階ｄで、前記圧縮機に供給される電流と前記圧縮機のストロークとの間の位相差が次第に小さくなるように前記点弧角を制御して、前記測定した位相差を前記読み出された位相差と比較して、前記測定した位相差が読み出された位相差より小さくなる瞬間に、以前の段階の点弧角で前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項２４に記載の往復動式圧縮機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、往復動式圧縮機に関するもので、特に、往復動式圧縮機のピストンストロークの波形と電流波形との間の位相差によって出力電圧を制御する往復動式圧縮機の制御装置及び方法に関する。
（背景技術）
最近、冷蔵庫などにおいて冷媒ガスを圧縮するための往復動式圧縮機が開発されている。
【０００２】
そのうち、直線運動モータを用いた往復動式圧縮機と、この往復動式圧縮機のピストンストロークを制御する方法がアメリカ特許第５，３４２，１７６号に開示されている。これを添付図面を参照して簡略に説明する。
【０００３】
図１はアメリカ特許第５，３４２，１７６号に開示されている往復動式圧縮機の構造を示す断面図であり、図２は図１の圧縮機のピストンストロークを制御する圧縮機制御装置を示すブロック図である。
【０００４】
従来の往復動式圧縮機は、図１に示すように、往復動式モータに巻かれたコイル５に供給される電流によって生ずる磁界によって磁石４に力が発生し、ピストンの運動はピストン１をリンクするヨークによってスプリング常数Ｋを有するスプリング６に伝達されるので、ヨーク３によって連結されたピストン１に作用する上記の磁石の力に応答してピストン１はシリンダ２内で往復運動を行う。ピストン１の下方への運動中には周囲の空間９の圧力であり、また圧縮機の内部空間１０の下側部分の圧力でもある吸入圧でガスあるいは蒸気がチェックバルブ７を通じてシリンダ内に吸入され、ピストンの上方向への運動中にはシリンダのガスあるいは蒸気はシリンダの圧力がその排気圧、即ちその圧力でチェックバルブ８が開く排気パイプ１１内の圧力を越えるまで最初は圧縮され、このピストンの上方向の運動を継続することによってガスあるいは蒸気は上記の排気パイプ内に押込まれる。
【０００５】
上述のような従来の往復動式圧縮機の制御装置を説明すると次の通りである。
【０００６】
図２に示すように、往復動式圧縮機は、モータのコイル５の入力端に接続されてモータのコイルに印加される電圧を時間の関数として検出するための電圧検出部１３と、モータのコイル５に接続されてこのコイルを通る電流を時間の関数として検出するための電流検出部１２と、電圧検出部１３及び電流検出部１２で検出した電圧及び電流値を用いてピストンの速度を計算し、このピストンの速度からピストンのストロークを演算するコンピュータ１４と、コンピュータ１４で演算したストローク値と予め設定した電圧値と比較し、そのストローク値と予め設定した電圧値の間の差を補償するように目標出力電圧を決定して、それを駆動部１６に指令する指令部１５と、を具備して構成される。
【０００７】
このような従来の往復動式圧縮機の制御方法を以下に説明する。
【０００８】
まず、予め設定された終端変位値（ｅｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ）（上死点（ｔｏｐ ｄｅａｄ ｐｏｉｎｔ）と下死点（ｂｏｔｔｏｍ ｄｅａｄ ｐｏｉｎｔ）の値）を入力する。
【０００９】
また、ある特定の値に圧縮機のモータに電力を供給して往復動式圧縮機のコイルに供給される電圧と電流を時間関数として夫々検出する。
【００１０】
上記の検出した電圧と電流値を用いてピストンの変位値を測定する。
【００１１】
上記の測定された変位値を予め設定された変位値とを比較し、この比較によるエラー信号を出力する。
【００１２】
上記のエラー信号を最小化するようにこのエラー信号に応じてモータのコイルに供給する電圧を変化させる。
【００１３】
上記のエラー信号を出力するために上記の予め設定した変位値と上記のピストン変位測定値を比較する方法は次の通りである。
【００１４】
ｖ＝ （１／α）（Ｖ−Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）−ＩＲ）          ――――――――（式１）
ここで、αは伝達常数、Ｖはコイルに印加された電圧、Ｉはコイルから検出した電流、Ｒはコイル抵抗、Ｌはコイルのインダクタンス、ｔは時間である。
【００１５】
上記の式１により、時間関数で検出された上記の電圧と電流から往復動ピストンの速度（ｖ）を計算し、この計算したピストンの速度を時間の関数として積分して上記のピストンの往復変位（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ）を計算し、この計算されたピストンの速度を時間の関数として微分して上記のピストンの加速度を計算する。
【００１６】
また、上記の方法で計算されたピストンの速度が“０”である時、ピストンの往復変位が検出される。
【００１７】
同時に、吸入状態（下死点方向に運動）の間、上記の往復変位と加速度及び電流を検出し、次の「式２」によりピストンの往復運動の終点で往復動ピストンの終端変位（ｅｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）（Ｘｃ）を計算する。
【００１８】
Ｘｃ ＝ｘｉ − ｘｏ ＋ （αａ／Ｋ）Ｉｏ − （Ｍ／Ｋ）Ａｏ        ―――――――（式２）
ここで、ｘｉはピストンの速度が“０”であるときの往復変位、ｘｏは吸入状態で検出した往復変位、Ａｏは吸入状態でのピストンの加速度、Ｉｏは吸入状態で検出した電流値、Ｍは往復動体の質量（ｍａｓｓ）、Ｋはスプリングのスプリング常数である。
【００１９】
上記の計算された終端変位値（Ｘｃ）と前記の予め設定された終端変位値とを比較してエラー信号を出力する。
【００２０】
しかしながら、このような変位―電圧フィードバックを用いる従来の往復動式圧縮機の制御装置及び制御方法においては次のような問題があった。
第一に、ピストンの死点（ｄｅａｄ ｐｏｉｎｔ）の変位値のクリティカルな値を正確に計算せねばならないが故に、死点の変位値の計算が複雑であると誤差が発生する。即ち、前記（式１）と（式２）のような複雑な演算を行わねばならないため計算誤差が発生する。
【００２１】
第二に、このように複雑な演算を行うためには高価な装置（コンピュータなど）を使用する必要があるのでコストが増加することになる。
【００２２】
第三に、前記のアメリカ特許では、制御しようとする理想的な死点の変位値を予め設定した後、この予め設定した変位に近づくように電圧を制御するので、圧縮機を連続的に用いることになると機械的な摩耗などによって理想的な変位値が変化するにもかかわらず、圧縮機は予め設定した変位値を用いて制御されるので圧縮機の正確な制御が不可能である。
【００２３】
最近、特開平９−１１２４３８には、負荷の変動によりガスのスプリング常数が変化して共振周波数が変化しても効率が低下しないように共振周波数の変動によって運転周波数を調整する往復動式圧縮機の制御装置及び制御方法が開示されている。
【００２４】
図３は上記の特開平９−１１２４３８号に開示された従来の往復動式圧縮機の１つの制御装置ブロック図であり、図４は特開平９−１１２４３８で開示された従来の往復動式圧縮機の別の制御装置ブロック図である。
【００２５】
図３に示すように従来の往復動式圧縮機の制御装置は、圧縮機２７の駆動電源を供給するための出力電圧の周波数制御が可能な交流電源部２１と、この交流電源部２１から圧縮機２７に出力される出力電圧を検出するための電圧検出部２２と、交流電源部２１から圧縮機２７に流れる電流を検出するための電流検出部２３と、電圧検出部２２から検出された出力電圧と電流検出部２３から検出された電流との間の位相差を検出する位相検出部２４と、位相検出部２４から検出された位相差に応じて交流電源部２１の出力電圧の周波数を補正し、この周波数を圧縮機のピストン共振周波数に一致させる制御部２５と、を備えて構成される。
【００２６】
このような従来の往復動式圧縮機の制御方法は次の通りである。
【００２７】
交流電源部２１から往復動式圧縮機２７に駆動電力が供給されると往復動式圧縮機２７は駆動される。このとき、電圧検出部２２及び電流検出部２３が夫々圧縮機２７に印加される電圧及び電流を検出する。
【００２８】
位相検出部２４は上記の検出された電圧値（Ｖ）及び電流値（Ｉ）の波形の位相に基づいてタイミングを計算し、計算結果によって電圧Ｖに対する電流１の位相差（Ｄｐ）を計算する。
【００２９】
制御部２５は上記の位相差（Ｄｐ）に相当する周波数補正量（ΔＦ）を計算し、周波数制御量Ｆｆ（Ｆｆ＝Ｆｆ＋ΔＦ）に相当する周波数制御信号を交流電源部２１に出力する。
【００３０】
このようにして負荷の変動によってピストンの共振周波数（Ｆｃ）が変動しても交流電源部２１の出力電圧（Ｖ）の周波数（Ｆ）はいつも共振周波数（Ｆｃ）に一致するように制御される。
【００３１】
また、図４に示すような従来の往復動式圧縮機の制御装置は、圧縮機２７に駆動電源を供給するための出力電圧の周波数制御が可能な交流電源部２１と、交流電源部２１から圧縮機２７へ出力される出力電圧を検出する電圧検出部２２と、交流電源部２１から圧縮機２７に流れる電流を検出する電流検出部２３と、電圧検出部２２及び電流検出部２３の検出結果によって圧縮機２７のピストン速度を検出する速度検出部２６と、電流検出部２３で検出された電流と速度検出部２６で検出された速度との間の位相差を検出して、この検出した位相差に応じて交流電源部２１の出力電圧の周波数を補正し、この周波数を圧縮機のピストンの共振周波数に一致させる周波数調整部２８と、を備えて構成される。交流電源部２１は、ＤＣ電力を供給する直流電源部２１ａと、周波数調整部２８の制御信号によって直流電源部２１ａから出力される電圧の周波数を調整するためのインバータ２１ｂと、を備えている。
【００３２】
このような従来の往復動式圧縮機の制御方法は次のようである。
【００３３】
交流電源部２１から圧縮機に流れる電流Ｉの位相差（Ｄｐｉｅ）と電圧に対するピストンの速度の位相差（Ｄｐｖｅ）はピストンの共振周波数（Ｆｃ）に一致して０度となるべきである。また、駆動周波数（Ｆ）が共振周波数（Ｆｃ）よりも高い範囲では電流（Ｉ）が速度（ｖ）より位相が進み、駆動周波数（Ｆ）が共振周波数（Ｆｃ）より低い範囲では電流（Ｉ）が速度（ｖ）より位相が遅れる。従って、電流（Ｉ）が速度（ｖ）より位相が早い場合には駆動周波数が低くなるように、一方電流（Ｉ）が速度（ｖ）より位相が遅い場合には駆動周波数（Ｆ）が高くなるように、負荷によって変りうる共振周波数（Ｆｃ）を用いて圧縮機を制御する。
【００３４】
しかしながら、上記の日本の特許公開公報に開示された従来の往復動式圧縮機の制御装置及び方法においても次のような問題があった。
【００３５】
即ち、圧縮機に供給される電圧の周波数を調節するために高価な装置（インバータ）が必ず要求される。従って、部品価格が高くなるので安価な制御装置を提供できなかった。
（発明の開示）
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためのもので、安価で正確な圧縮機のピストンストローク制御の可能な往復動式圧縮機の制御装置及び制御方法を提供することが目的である。
【００３６】
上記目的を達成するための本発明による往復動式圧縮機の制御装置及び制御方法は、圧縮機のピストンストロークの波形と前記圧縮機に供給される電流波形との間の位相差によって圧縮機に印加される出力電圧を制御することを特徴とする。
【００３７】
本発明では往復動式圧縮機のピストンストロークのトップクリアランス（ｔｏｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ）はストロークと電流との間の位相差に依存して決定される。前記位相差が一番小さい時前記トップクリアランスがゼロとなる制御特性を有していることを研究を通じて発見した。
【００３８】
また、前記ストロークと電流との間の位相差は、前記ストロークの変化のパターンと電流の変化のパターンだけによって正確に検出できるという長所を見出した。前記ストロ−クの変化だけの検出が要求されるということは正確な装置が不要であるということを示しているもので重要な発見であった。
【００３９】
前記の研究結果は安価で正確にピストンストロークを制御できる往復動式圧縮機の制御装置を提供できる。即ち、出力電圧の大きさを決定するための基準として圧縮機のモータに供給される電流の位相と前記ストロークの位相との間の位相差がその変曲点に設定され、前記設定した位相差を有する時の入力電圧を目標出力電圧として決定して指令するようにする制御装置を達成できる。
【００４０】
上記目的を達成するための本発明の一態様では、往復動式圧縮機の制御装置は、制御信号によって点弧角を変えて往復動式圧縮機を駆動する駆動部と、前記圧縮機に供給される電流に相当する矩形波を出力する電流位相検出部と、前記圧縮機のストロークに相当する矩形波を出力するストローク位相検出部と、前記電流位相検出部から生成された矩形波と前記ストローク位相検出部から生成された矩形波との間の位相差によって前記駆動部の点弧角を制御する制御部と、を含んでなることを特徴とする。
【００４１】
前記電流位相検出部は前記圧縮機に供給される電流を検出し、該検出された電流値を出力する電流検出部と、前記電流検出部で検出された電流に相当する第１矩形波を発生させる第１矩形波発生部と、を含んでなることが望ましい。
【００４２】
前記電流位相検出部は前記電流検出部で検出された電流を積分して該積分された電流を前記第１矩形波発生部に出力する積分部を更に含んでなることが望ましい。
【００４３】
前記ストローク位相検出部は前記圧縮機に印加される電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部で検出された電圧と前記電流検出部で検出された電流とに基づいて前記ストロークを演算するストローク演算部と、前記ストローク演算部で演算した前記ストロークに相当する第２矩形波を発生して該第２矩形波を前記制御部に出力する第２矩形波発生部と、を含んでなることが望ましい。
【００４４】
前記制御部は前記電流位相検出部から出力される電流波形と前記ストローク位相検出部から出力されるストローク波形との間の位相差を測定する位相差測定部と、前記位相差測定部で測定した位相差の大きさによって目標出力電圧を決定する出力電圧指令部と、を含んでなることが望ましい。
【００４５】
前記出力電圧指令部は、前記位相差測定部で測定した位相差を格納する位相差格納部と、前記位相差測定部で測定した位相差を前記位相差格納部に格納された位相差と比較する位相差比較部と、前記位相差比較部での比較結果によって前記圧縮機に供給される電圧を決定し前記位相差格納部のライトイネーブル信号（ｗｒｉｔｅ ｅｎａｂｌｅ ｓｉｇｎａｌ ）を出力する決定部と、を具備して構成されることが望ましい。
【００４６】
前記決定部は前記位相差が一番小さいときピストンのトップクリアランスがゼロであると判断することが望ましい。
【００４７】
前記決定部は前記位相差測定部で測定された位相差が前記位相差格納部に格納された位相差より小さいとき前記位相差測定部で測定した位相差を前記位相差格納部が格納するようにライトイネーブル信号を出力することが望ましい。
【００４８】
前記駆動部は、制御信号によって前記圧縮機に電源を供給するトライアックを具備し、前記制御部から出力された制御信号に従って、前記圧縮機のストロークを調節するために点弧角を制御する信号を前記トライアックに出力する位相制御部を含んでなることが望ましい。
【００４９】
前記トライアックは前記位相制御部から出力される点弧角に従って前記電源をスイチングすることが望ましい。
【００５０】
前記制御装置は、前記駆動部から供給される電源電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を更に含んでなることが望ましい。
【００５１】
また、前記のような目的を達成するための本発明のもう一つの態様では、往復動式圧縮機の制御方法は、ａ）点弧角を変えて圧縮機を駆動し、点弧角が変えられるときに前記圧縮機に供給される電流の位相と前記圧縮機のストロークの位相との間の位相差を測定する段階と、ｂ）前記測定した複数の位相差を互いに比較して前記位相差の変曲点に相当する点弧角で前記圧縮機を駆動する段階と、を含んでなることを特徴とする。
【００５２】
前記変曲点は位相差の最小点であることが望ましい。
【００５３】
前記電流位相は、前記圧縮機に供給される電流を検出し、該検出した電流を積分して生成されることが望ましい。
【００５４】
前記ストローク位相は、前記圧縮機に供給される電圧と電流を検出し、前記検出した電圧と電流を用いて前記ストロークを推定した後該推定された値に相当するパルスとして出力されることが望ましい。
【００５５】
前記段階ａは、初期点弧角で圧縮機を駆動して測定した位相差を格納する段階と、前記点弧角を所望の方向に変えて位相差を測定する段階と、該測定した位相差と既に格納されている位相差とを比較する段階と、前記の測定した位相差が既に格納されている位相差より小さければ前記格納されている位相差を測定した位相差に置換する段階とを含み、前記方向と同一方向に点弧角を変えて前記測定、比較及び置換する段階を反復することが望ましい。
【００５６】
前記制御方法は、前記測定した位相差が、前記初期に格納された位相差より大きいとその前に変化させた方向と反対方向に点弧角を変える段階を更に含んでなることが望ましい。
【００５７】
前記圧縮機は、前記測定された位相差が既に格納されている位相差より大きいとその前段階の点を変曲点として認識して制御されることが望ましい。
【００５８】
前記段階ａで、初期に十分に小さい値の電流が前記圧縮機に供給されるように点弧角を設定し、次第に大きな値の電流が前記圧縮機に供給されるように点弧角を変化させて位相差を測定し、前記段階ｂで、前記測定した位相差が既に格納されている位相差より大きい時、その前段階の点弧角を前記変曲点として認識して圧縮機を制御することが望ましい。
【００５９】
また、前記のような目的を達成するための本発明の更に別の態様では、往復動式圧縮機の制御方法は、ａ）所望の点弧角で圧縮機を駆動して、前記圧縮機に供給される電流に相当する第１矩形波と前記圧縮機の推定されたストロークに相当する第２矩形波との間の位相差を測定して格納する段階と、ｂ）前記点弧角を所望の方向に変えて前記圧縮機を駆動し、前記圧縮機に供給される電流に相当する第１矩形波と前記圧縮機の推定されたストロークに相当する第２矩形波との間の位相差を測定する段階と、ｃ）前記格納された位相差と測定された位相差とを比較して、前記測定された位相差が、既に格納されている位相差より大きいと反対方向に点弧角を変化させ、前記測定された位相差が既に格納されている位相差より小さいと、前記既に格納されている位相差を前記測定された位相差に置換して格納し、同一方向に前記点弧角を変化させる段階と、ｄ）前記の段階ｂとｃを反復して前記位相差が変曲する点で前記圧縮機を駆動する段階と、を含んでなることを特徴とする。
【００６０】
また、前記のような目的を達成するための本発明の更に別の態様では、往復動式圧縮機の制御方法は、ａ）初期点弧角で圧縮機を駆動して、前記圧縮機に供給される電流に相当する第１矩形波と前記圧縮機のストロークに相当する第２矩形波との間の位相差を測定して格納する段階と、ｂ）前記点弧角を変えて前記圧縮機を駆動して、前記第１矩形波と第２矩形波との間の位相差を測定する段階と、ｃ）前記格納された位相差と測定した位相差とを比較して前記測定した位相差が格納された位相差より小さくなるように点弧角を変化させて該位相差が最小になる点弧角で前記圧縮機を制御する段階と、を含んでなることを特徴とする。
【００６１】
また、前記のような目的を達成するための本発明の更に別の態様では、往復動式圧縮機の制御方法は、ａ）ある特定の点弧角で前記圧縮機を駆動して前記圧縮機に供給される電流に相当する第１矩形波を発生する段階と、ｂ）前記圧縮機のストロークに相当する第２矩形波を発生する段階と、ｃ）前記第１と第２矩形波の間の位相差によって前記点弧角を調節して圧縮機の駆動を制御する段階と、を含んでなることを特徴とする。
【００６２】
ここで、前記段階ｃでは、前記第１矩形波と第２矩形波との間の位相差によってトップクリアランスが最小になるようにピストンの位置を制御するための制御信号が出力されることが望ましい。
【００６３】
また、前記のような目的を達成するための本発明の更に別の態様では、往復動式圧縮機の制御方法は、ａ）負荷に相当する電流とストロークとの間の位相差をテーブル化して格納する段階と、ｂ）現在の負荷を測定し、測定した負荷に相当する位相差を前記テーブルで読み出す段階と、ｃ）初期点弧角で前記圧縮機を駆動して該圧縮機に供給される電流と圧縮機のストロークとの間の位相差を測定する段階と、ｄ）前記測定した位相差と前記読み出された位相差とを比較して前記測定した位相差が前記読み出された位相差に近接するように前記点弧角を変える段階と、を含んでなることを特徴とする。
【００６４】
ここで、前記段階ｃは、前記圧縮機に供給される電流を検出して該電流に相当する第１矩形波を発生する段階と、前記圧縮機に印加される電圧を検出する段階と、前記検出された電圧と電流を用いて前記圧縮機のストロークを演算する段階と、前記演算されたストロークに相当する第２矩形波を発生する段階と、前記第１矩形波と第２矩形波との間の位相差を測定する段階と、を含んでなることが望ましい。
【００６５】
前記第１矩形波は前記検出された電流を積分することによって発生される。
【００６６】
前記段階ｃで、前記圧縮機に供給される電流と前記圧縮機のストロークとの間の位相差が前記読み出された位相差より十分に大きくなるように前記初期点弧角を設定し、前記段階ｄは、前記圧縮機に供給される電流と前記圧縮機のストロークとの間の位相差が次第に小さくなるように前記点弧角を制御して、前記測定した位相差を読み出された位相差と比較し、前記測定した位相差が読み出された位相差より小さくなる瞬間に、以前段階の点弧角で圧縮機を制御することが望ましい。
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の前述の目的、その他の特徴や利点は添付図面を参照してその好適実施例を説明することによってより明らかになる。
【００６７】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適実施例を詳細に説明する。
【００６８】
図５は本発明の第１の好適実施例による往復動式圧縮機の制御装置ブロック図であり、図６は図５の制御部の詳細ブロック図である。
【００６９】
本発明の第１実施例による往復動式圧縮機の制御装置は、図５に示すように常用電源（ＡＣ１００〜２００Ｖ）を供給する電源１００と、電源１００から供給される常用電源を制御信号に応じてスイッチングして圧縮機のモータ４０に供給するトライアック（ＴＲＩＡＣ ）１１０と、トライアック１１０を通じて圧縮機に供給される電流を検出し、この検出された電流に相当する第１矩形波を発生する電流位相検出部３０と、トライアック１１０から供給される常用電源によって圧縮機のシリンダ内のピストンを往復運動させるモータ４０と、ピストンの直線運動による位置に相当する第２矩形波を出力するストローク位相検出部５０と、電源１００から供給される常用電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部６０と、電流位相検出部３０から生成された第１矩形波とストローク位相検出部５０から生成された第２矩形波との間の位相差によってピストンの位置を制御するための制御信号を出力する制御部７０と、この制御部７０から出力された制御信号によって圧縮機のストロークを調節するための点弧角を制御する信号をトライアック１１０に出力する位相制御部８０と、を備えて構成される。
【００７０】
ここで、電流位相検出部３０は、トライアック１１０によってスイッチングされて圧縮機のモータ４０に供給される電流を検出する電流検出部３１と、この電流検出部３１から検出された電流を積分する積分部３２と、積分部３２で積分した電流に相当する第１矩形波を発生する第１矩形波発生部３３と、を備えて構成される。
【００７１】
また、ストローク位相検出部５０は、圧縮機のモータに供給されるモータの電圧を検出する電圧検出部５３と、電圧検出部５３で検出された電圧値と電流検出部３１で検出された電流値とからピストンの往復運動によるストロークを演算するストローク演算部５１と、ストローク演算部５１で演算されたストロークに相当する第２矩形波を発生する第２矩形波発生部５２と、を備えて構成される。
【００７２】
また、制御部７０は電流位相検出部３０から出力される第１矩形波とストローク位相検出部５０から出力される第２矩形波との間の位相差を測定する位相差測定部７１と、制御信号によって位相差測定部７１から測定された位相差を格納する位相差格納部７２と、位相差格納部７２に格納された位相差と位相差測定部７１で測定した位相差とを比較する位相差比較部７３と、位相差比較部７３で比較した結果によって点弧角の大きさを決定し、また位相差格納部７２の格納イネーブル信号を出力する決定部７４と、を備えて構成される。
【００７３】
このように構成された本発明による往復動式圧縮機の制御方法を説明する。
【００７４】
図７の（ａ）ないし（ｈ）は図５の各部出力波形を示す図であり、図８の（ａ）、（ｂ）は本発明による電流位相とストローク位相との間の位相差を示す図である。
【００７５】
図９は本発明による電流位相とストローク位相との任意の圧力における変化を示す図である。
【００７６】
図１０は本発明の第１実施例による往復動式圧縮機の制御方法を示すフロー図で、最大効率を得るための制御動作のフロー図である。
【００７７】
先ず、本発明の第１実施例の圧縮機制御方法を説明する。
【００７８】
電源１００から図７（ａ）のように一定周波数を有する常用電源が供給されている状態で、往復動式圧縮機の駆動初期に位相制御部８０により図７（ｂ）に示すようなある特定の点弧角に従ったトリガ信号をトライアック１１０に印加して圧縮機のモータ４０を駆動させる（１Ｓ）。
【００７９】
また、圧縮機のモータ４０に供給される電源の電流及び電圧を電流検出部３１及び電圧検出部５３によって各々検出する（２Ｓ）。このとき、電流検出部３１で検出される電流は図７（ｃ）に示すように検出され、電圧検出部５３で検出される電圧は図７（ｄ）に示すように検出される（モータの逆起電力）。
【００８０】
従って、電流位相検出部３０で検出した上記電流に相当する第１矩形波は制御部７０に出力される（３Ｓ）。
【００８１】
即ち、電流位相検出部３０の積分部３２は電流検出部３１で検出された電流を図７（ｅ）に示すように積分して出力し、第１矩形波発生部３３は上記の積分値に相当する第１矩形波を図７の（ｆ）に示すように発生して制御部７０に出力する。
【００８２】
この時、ストローク位相検出部５０はピストンの往復運動によるストロークを推定して（４Ｓ）、往復動ピストンの位置によって周波数は一定で、振幅が変わる交流電圧波形を発生し、この交流電圧波形に相応する第２矩形波を発生する（５Ｓ）。
【００８３】
即ち、ストローク演算部５１は次の式によってストロークを推定する。
【００８４】
【数１】
2004522063.tif 000003
【００８５】
ここで、Ｖｍはモータの両端電圧、ｉはモータに供給される電流、Ｒはモータコイルの抵抗、Ｌはモータコイルのインダクタンスである。
【００８６】
ストローク位相検出部５０のストローク演算部５１は図７の（ｇ）に示すようにピストンの往復運動による位置によって、周波数は一定に維持され振幅が変化する交流電圧波形を発生し、第２矩形波発生部５２は図７の（ｈ）に示すようにストローク演算部５１で発生した交流電圧波形に相当する第２矩形波を発生する。
【００８７】
また、ゼロクロス検出部６０は電源１００から供給されるＡＣ２２０Ｖのゼロクロスを検出する。
【００８８】
これによって、制御部７０はゼロクロス検出部６０の信号を用いて電流位相検出部３０で出力した第１矩形波とストローク位相検出部５０で出力した第２矩形波との間の位相差を測定し（６Ｓ）、測定した位相差と既に格納されている位相差とを比較して（７Ｓ〜１０Ｓ）、その比較結果によってピストンの位置を制御するための信号を出力する（１１Ｓ〜１５Ｓ）。
【００８９】
即ち、制御部７０の位相差測定部７１は図８の（ａ）に示すような電流位相検出部３０で出力された第１矩形波と、図８の（ｂ）に示すような、ストローク位相検出部５０から出力された第２矩形波との間の位相差Ｄを測定する（６Ｓ）。即ち、第２矩形波の下降エッジと第１矩形波の下降エッジとの間隔（Ｄ１）、第２矩形波の下降エッジと第１矩形波の上昇エッジとの間隔（Ｄ２）、第２矩形波の上昇エッジと第１矩形波の下降エッジとの間隔（Ｄ３）、又は第２矩形波の上昇エッジと第１矩形波の上昇エッジとの間隔（Ｄ４）の中、いずれの位相差を検出してもよい。
【００９０】
このとき、初期には既に格納されている位相差はないので（７Ｓ）測定した位相差を位相差格納部７２に格納し（８Ｓ）、ある特定の方向に点弧角を変えて圧縮機を駆動し（９Ｓ）、上記の過程（２Ｓ−７Ｓ）を反復する。
【００９１】
このような過程の反復により位相差が新しく測定されると（７Ｓ）、制御部７０の位相差比較部７３は現在測定した位相差と既に格納されている位相差とを比較し（１０Ｓ）、制御部７０の決定部７４はこの比較結果によって点弧角の可変方向を制御するための信号を出力すると同時に、位相差格納部７２が現在測定した位相差を格納するか否かを指令するイネーブル信号を出力する。従って、位相制御部８０は制御部７０の決定部７４で出力された制御信号によってトライアック１１０の点弧角を調節する。
【００９２】
即ち、制御部７０は現在測定した位相差と既に格納されている位相差とを比較して（１０Ｓ）現在測定した位相差が既に格納されている位相差より小さいと（１１Ｓ）、現在測定した位相差を新しく格納し（１２Ｓ）、その前に変えた方向に点弧角を変えるように指令する制御信号を位相制御部８０に出力して点弧角を変える（１３Ｓ）。例えば、上記の変えられた点弧角が大きい方向に変えられたものであると、点弧角を更に大きくし、また上記の変えられた点弧角の方向が小さい方向に変えられたものであると点弧角を更に小さくする。
【００９３】
反対に、現在測定した位相差と既に格納されている位相差とを比較して（１０Ｓ）、現在測定した位相差が既に格納されている位相差より大きいと（１１Ｓ）、現在測定した位相差は格納せずに既に格納されている位相差をそのまま維持する。この場合はその前に変えられた方向とは反対の方向に点弧角を変えるように指令する制御信号を位相制御部８０に出力して点弧角を変える（１４Ｓ）。例えば、上記の変えられた点弧角が大きい方向に変えられたものであると点弧角を小さくし、上記の変えられた点弧角が小さい方向に変えられたものであると点弧角を大きくする。
【００９４】
このような過程を継続して繰り返して既に格納されている位相差と現在測定した位相差とが互に同じになるように制御すると（１１Ｓ、１４Ｓ）、最大効率が得られるように圧縮機のストロークが制御される。
【００９５】
図９は位相差が最小となる点（変曲点）を示す。この位相差が最小となる点がピストンのトップクリアランス（ｔｏｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ）がゼロであると判断される。
【００９６】
上記の位相制御において、最初の点弧角が十分に大きい値で圧縮機を駆動する場合には点弧角が次第に小さくなるように点弧角を変化させて制御し、ある時点で位相差が大きくなる場合に、その前段階で制御された点弧角によって圧縮機を制御する。即ち、圧縮機をこの変曲点での点弧角によって制御する。
【００９７】
これによってトライアック１１０は位相制御部８０から出力された点弧角に従って、電源１００から供給される電圧をスイッチングし、上記の過程を反復遂行して制御部７０はトップクリアランスが最小となるように圧縮機のピストンを制御する。
【００９８】
本発明の第２実施例の往復動式圧縮機の制御方法は次の通りである。
【００９９】
図１１は本発明の第２実施例による往復動式圧縮機の制御方法で、負荷に依存してストロークを制御する制御方法のフロー図である。
【０１００】
本発明の第２実施例の往復動式圧縮機の制御方法は、負荷に依存して、圧縮機のピストンストロークを制御するもので、負荷が小さいと圧縮機のピストンストロークが小さくなるように調節し、負荷が大きいとピストンのストロークが大きくなるように調節する方法である。従って、トップクリアランスを最小にするものではなく、負荷に応じたトップクリアランスを有するように圧縮機を制御するものである。
【０１０１】
即ち、数回の実験を通じて圧縮機に作用する負荷に依存するピストンのストロークに相当する電流位相とストローク位相との間の位相差をテーブル化して格納する（２１Ｓ）。
【０１０２】
また、冷蔵庫の負荷を制御部７０が測定する（２２Ｓ）。ここで、圧縮機の負荷を測定する方法は現在公知の方法を用いる。
【０１０３】
即ち、冷蔵庫内の温度を検出したり、熱交換器に通って流れる冷媒の温度を検出したり、あるいは冷蔵庫の周辺温度を検出したりして負荷を測定する。このように測定した負荷に相当する上記の位相差を上記のテーブルから読み出す（２３Ｓ）。
【０１０４】
位相制御部８０が特定の点弧角に相当するトリガ信号をトライアック１１０に印加して圧縮機のモータを駆動する（２４Ｓ）。
【０１０５】
また、圧縮機のモータに供給される電源の電流及び電圧を電流検出部３１及び電圧検出部５３で各々測定する（２５Ｓ）。従って、電流位相検出部３０で検出した電流に相当する第１矩形波が制御部７０に出力される（２６Ｓ）。
【０１０６】
このときストローク位相検出部５０はピストンの往復運動によるストロークを推定して（２７Ｓ）交流電圧波形を発生し、この交流電圧波形に相当する第２矩形波を発生する（２８Ｓ）。
【０１０７】
ストローク演算部５１は次の式によってストローク推定する。
【０１０８】
【数２】
2004522063.tif 000004
【０１０９】
ここでＶｍはモータの両端電圧、ｉは、モータに供給される電流、Ｒはモータコイルの抵抗、Ｌはモータコイルのインダクタンスである。
【０１１０】
また、ゼロクロス検出部６０は電源１００から供給されるＡＣ２２０Ｖのゼロクロスを検出する。
【０１１１】
制御部７０は電流位相検出部３０で出力された第１矩形波とストローク位相検出部５０で出力された第２矩形波の間の位相差βを測定し（２９Ｓ）、測定した位相差βと前記のテーブルから読み出された現在負荷に相当した位相差αとを比較する（３０Ｓ）。
【０１１２】
上記の読み出された位相差αが測定した位相差βより小さい場合（３１Ｓ）には電流位相検出部３０で検出された電流位相とストローク位相検出部５０で検出されたストローク位相の間の位相差が小さくなるようにトライアック１１０の点弧角を変化させる（３２Ｓ）。もし、上記の読み出された位相差αが測定した位相差βより大きい場合（３１Ｓ）には電流位相検出部３０で検出された電流位相とストローク位相検出部５０で検出されたストローク位相の間の位相差が大きくなるようにトライアック１１０の点弧角を変化させる（３３Ｓ）。このとき、点弧角を変える方法は本発明の第１実施例の説明と同様である。
【０１１３】
このような過程を反復して、負荷に相当した位相差と測定した位相差が同じになるように制御すると（２５Ｓ〜３３Ｓ）、負荷に適したストロークで動作するように圧縮機を制御できる。
【０１１４】
以上本発明の好適な実施形態に対して説明したが、このような実施形態のものに限定されるわけではなく、本発明の技術思想に基づいて種々の変形又は変更が可能である。
（産業上の利用可能性）
以上の説明から明らかなように、本発明の往復動式圧縮機の制御装置及び方法によると、次のような効果がある。
【０１１５】
第一に、位相制御によって生ずる電流の矩形波とストロークの矩形波との間の位相差の情報に従ってトップクリアランスが最小となるようにシリンダ内のピストンの位置を制御するようにすることによって、複雑な演算が不要となるので、安価で最大の効率を有するように往復動式圧縮機を制御できるだけではなくその信頼性を向上させることができる。
【０１１６】
第二に、負荷に応じたストロークによって圧縮機を制御するので圧縮機を一定時間の間駆動、停止する必要がないので圧縮機の寿命を延長できるだけではなく圧縮機の駆動による騒音を最小化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
アメリカ特許第５３４２１７６号に開示された往復動式圧縮機の構造を示す断面図である。
【図２】
図１の圧縮機のピストンストロークを制御する圧縮機制御装置を示すブロック図である。
【図３】
日本の特開平第９−１１２４３８号に開示された従来の往復動式圧縮機の制御装置のブロック図である。
【図４】
日本の特開平第９−１１２４３８号に開示された従来の往復動式圧縮機の別の制御装置のブロック図である。
【図５】
本発明の第１実施例による往復動式圧縮機の制御装置のブロック図である。
【図６】
図５の本発明の第１実施例による制御部の詳細ブロック図である。
【図７】
（ａ）〜（ｈ）は、本発明による図５の各部出力波形を示す図である。
【図８】
（ａ）、（ｂ）は本発明による電流位相とストローク位相との間の位相差を示す図である。
【図９】
本発明による電流位相とストローク位相との任意の圧力における変化を示す図である。
【図１０】
本発明の第１実施例による往復動式圧縮機の制御方法を示すフロー図である。
【図１１】
本発明の第２の好適実施例による往復動式圧縮機の制御方法を示すフロー図で、ストロークを負荷に依存して制御する場合を示す図である。
【図２】
2004522063.tif 000005
【図３】
2004522063.tif 000006
【図４】
2004522063.tif 000007
【図５】
2004522063.tif 000008
【図６】
2004522063.tif 000009
【図８】
2004522063.tif 000010
【図９】
2004522063.tif 000011
【図１０】
2004522063.tif 000012
【図１１】
2004522063.tif 000013
【国際公開パンフレット】
2004522063.tif 000014
2004522063.tif 000015
2004522063.tif 000016
2004522063.tif 000017
2004522063.tif 000018
2004522063.tif 000019
2004522063.tif 000020
2004522063.tif 000021
2004522063.tif 000022
2004522063.tif 000023
2004522063.tif 000024
2004522063.tif 000025
2004522063.tif 000026
2004522063.tif 000027
2004522063.tif 000028
2004522063.tif 000029
2004522063.tif 000030
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【国際調査報告】
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