(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニアモータによってピストンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装置であって、
前記リニアモータに駆動電力を供給するための出力電圧の制御が可能な交流電源、
前記交流電源の出力電圧を検出するための電圧検出手段、
前記交流電源から前記リニアモータに流れる電流を検出するための電流検出手段、
前記電圧検出手段によって検出された出力電圧と前記電流検出手段によって検出された電流との位相差を検出する位相検出手段、および
前記位相検出手段によって検出された位相差に応じた値だけ前記交流電源の出力電圧を補正し、前記ピストンの中立位置を予め定められた位置に保持する制御手段を備える、リニアコンプレッサの駆動装置。
【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駆動装置に関し、特に、リニアモータによってピストンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷蔵庫のような冷却装置において膨張した冷媒ガスを圧縮する機構としてリニアコンプレッサの開発が進められている。
【０００３】
図１０は、従来のリニアコンプレッサ３０の構成を示す断面図である。図１０において、このリニアコンプレッサ３０は、シリンダ３１と、シリンダ３１内に往復動自在に嵌挿されたピストン３２と、ピストン３２のヘッドに面して形成された圧縮室３３と、圧縮室３３内のガス圧に応じて開閉する吸込バルブ３４および吐出バルブ３５とを備える。
【０００４】
また、このリニアコンプレッサ３０は、ピストン３２を往復動させるためのリニアモータ３６と、ピストン３２を往復動自在に支持するためのピストンばね４１とを備える。リニアモータ３６は、円筒状の継鉄部３７と、巻回されたコイルを有する固定子３８，３９と、円筒状の永久磁石を有する可動体４０とを含む。継鉄部３７は、シリンダ３１と同心に設けられ、その一端はシリンダ３１の一端に接合される。固定子３８はシリンダ３１の外周壁に設けられ、固定子３９は継鉄部３７の内周壁に設けられる。可動体４０は、固定子３８と３９の間に往復動自在に挿入され、その一端はピストン３２の一端に接合される。ピストンばね４１の周辺部は継鉄部３７の他端面に固定され、その中央部４１ａはピストン３２の一端に固定される。
【０００５】
ピストン３２は、ピストン３２および可動体４０の重量、圧縮室３３内のガスの圧力変動に基づくガスばねのばね定数、ピストンばね４１のばね定数などから定まる共振周波数Ｆｃを有する。共振周波数Ｆｃは、ピストンばね４１のばね定数を調整することによりたとえば商用電力の周波数に設定される。リニアモータ３６の固定子３８，３９のコイルには、図示しない交流電源より共振周波数Ｆｃの一定の交流電圧が印加される。
【０００６】
なお、これらの部品３１〜４１は、防音・防振のためマウントばね４２を介してケーシング４３内に収容される。
【０００７】
次に、このリニアコンプレッサ３０の動作について説明する。前記交流電源によってリニアモータ３６の固定子３８，３９のコイルに交流電圧を印加して電流を流すと、その電流の方向に応じた方向の電磁力が可動体４０の永久磁石に作用し、可動体４０およびピストン３２が往復動する。このピストン３２の往復動により、膨張ガスが吸込バルブ３４を介して圧縮室３３内に吸込まれ、圧縮室３３内で生成された圧縮ガスが吐出バルブ３５を介して吐出される。
【０００８】
圧縮ガスは、冷却装置の熱交換器から熱を吸収して膨張し、熱交換器を介して被冷却物を冷却させる。
【０００９】
このように、リニアコンプレッサ３０では、リニアモータ３６によってピストン３２が直接駆動されるので、動力源の回転運動がクランク機構などによってピストンの往復運動に変換される回転式のコンプレッサに比べて、エネルギ損失が少なくて済み、装置の小型化が可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のリニアコンプレッサ３０には以下のような問題があった。すなわち、冷却装置の熱負荷が定格よりも高くなって膨張ガスおよび圧縮ガスの圧力が上昇した場合、図１１に示すように、ピストン３２の中立位置（ヘッドの振幅中心）が下降して出力が低下し、かえって冷却能力が低下してしまう。逆に、冷却装置の熱負荷が定格よりも低くなって膨張ガスおよび圧縮ガスの圧力がともに低下した場合、ピストン３２の中立位置が上昇して出力が上昇し、かえって冷却能力が上昇してしまう。
【００１１】
この対策として、位置検出用センサをピストン３２の近傍に設けてピストン３２の中立位置を直接または間接的に検出し、その検出値が一定になるようにリニアモータ３６の駆動電力を制御する方法も考えられるが、リニアコンプレッサの構成が複雑になる。
【００１２】
それゆえに、この発明の主たる目的は、負荷が変動してもピストンの中立位置を一定に保持することが可能で、かつリニアコンプレッサの構成を複雑にすることがないリニアコンプレッサの駆動装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明に係るリニアコンプレッサの駆動装置は、リニアモータによってピストンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装置であって、前記リニアモータに駆動電力を供給するための出力電圧の制御が可能な交流電源、前記交流電源の出力電圧を検出するための電圧検出手段、前記交流電源から前記リニアモータに流れる電流を検出するための電流検出手段、前記電圧検出手段によって検出された出力電圧と前記電流検出手段によって検出された電流との位相差を検出する位相検出手段、および前記位相検出手段によって検出された位相差に応じた値だけ前記交流電源の出力電圧を補正し、前記ピストンの中立位置を予め定められた位置に保持する制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１６】
このリニアコンプレッサの駆動装置では、交流電源の出力電圧と交流電源からリニアモータに流れる電流との位相差が検出され、その検出値に応じた値だけ交流電源の出力電圧が制御されてピストンの中立位置が一定に保持される。したがって、負荷が変動してもピストンの中立位置を一定に保つことができる。しかも、ピストンの中立位置を検出するための位置検出用センサをピストンの近傍に設ける必要がないので、リニアコンプレッサの構成が複雑になることはない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
［参考の形態］
図１は、参考の形態によるリニアコンプレッサの駆動装置の原理を説明するための図である。
【００１８】
図１を参照して、リニアコンプレッサ３０においては、交流電源の出力電圧Ｖをある値に設定した場合、リニアモータ３６の駆動電力（消費電力）Ｗは負荷に応じて一義的に決まる。したがって、従来は交流電源の出力電圧Ｖが一定に保持されていたので、負荷に応じてリニアモータ３６の駆動電力Ｗが変動していた。本発明では、各負荷状態においてピストン３２の中立位置が同一位置となる電圧Ｖと電力Ｗの関係（動作線）が予め求められ、電圧Ｖと電力Ｗの関係が常にこの動作線に最も近い状態になるように制御される。
【００１９】
図２は、図１で説明した原理に基づくリニアコンプレッサの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図２において、このリニアコンプレッサの駆動装置は、交流電源１、電圧検出装置２、電流検出装置３およびコンピュータ４を備え、コンピュータ４は電力検出部５および演算・制御部６を含む。
【００２１】
交流電源１は、コンピュータ４の演算・制御部６から与えられた電圧値制御信号に応じた値の電圧Ｖをリニアコンプレッサ３０に出力する。電圧検出装置２は、交流電源１の出力電圧Ｖを検出し、検出値Ｖをデジタル信号に変換してコンピュータ４の電力検出部５および演算・制御部６に与える。電流検出装置３は、交流電源１からリニアコンプレッサ３０に流れる電流Ｉを検出し、検出値Ｉをデジタル信号に変換してコンピュータ４の電力検出部５に与える。
【００２２】
コンピュータ４の電力検出部５は、電圧検出装置２および電流検出装置３から与えられたデジタル信号に基づいて、交流電源１からリニアコンプレッサ３０に供給される駆動電力Ｗを検出する。コンピュータ４の演算・制御部６には、図３に示すように、ピストン３２の中立位置を一定に保持するために必要な電圧Ｖと電力Ｗｓの関係が計算式またはデータテーブルとして格納されている。演算・制御部６は、電圧検出装置２によって検出された電圧Ｖと電力検出部５によって検出された電力Ｗとの関係が、自らが記憶している電圧Ｖと電力Ｗｓの関係に一致するように電圧値制御信号を出力して交流電源１の出力電圧Ｖを制御する。
【００２３】
図４は、コンピュータ４の動作を示すフローチャートである。このフローチャートに従って、このリニアコンプレッサの駆動装置の動作について説明する。交流電源１からリニアコンプレッサ３０に駆動電力Ｗが供給されてリニアコンプレッサ３０が駆動される。交流電源１の出力電圧Ｖが電圧検出装置２によって検出され、交流電源１からリニアコンプレッサ３０に流れる電流Ｉが電流検出装置３によって検出される。
【００２４】
コンピュータ４の電力検出部５は、ステップＳ１において電圧検出装置２および電流検出装置３から電圧値Ｖおよび電流値Ｉを読込み、ステップＳ２において駆動電力Ｗ＝Ｖ×Ｉを算出する。
【００２５】
コンピュータ４の演算・制御部６は、ステップＳ３において電圧検出装置２から電圧値Ｖを読込み、その電圧値Ｖに対応した目標電力Ｗｓを算出する。次に演算・制御部６は、ステップＳ４において電力検出部５から電力Ｗを読込み、目標電力Ｗｓに対する電力Ｗの誤差Ｄ＝Ｗ−Ｗｓを算出する。次いで演算・制御部６は、ステップＳ５において誤差Ｄに応じた電圧値制御量Ｖｆを算出し、ステップＳ６において電圧値制御量Ｖｆに応じた電圧値制御信号を交流電源１に出力する。
【００２６】
コンピュータ４は、ステップＳ７において制御処理が終了したか否かを判別し、制御処理が終了していない場合は再びステップＳ１に戻る。
【００２７】
したがって、この参考の形態においては、図５に示すように、負荷が変動してもリニアコンプレッサ３０のピストン３２の中立位置は一定に保持されて、高負荷時ほど大きな駆動電力Ｗが供給され、適切な冷却特性が得られる。しかも、リニアコンプレッサ３０には位置検出用センサなどを何ら設ける必要がないので、リニアコンプレッサ３０の構成が複雑になることはない。
【００２８】
［実施の形態］
図６は、この発明の実施の形態によるリニアコンプレッサの駆動装置の原理を説明するための図である。
【００２９】
図６を参照して、リニアコンプレッサ３０においては、負荷が変動すると交流電源の出力電圧Ｖに対する交流電源からリニアモータ３６に流れる電流Ｉの位相が変動する。すなわち、低負荷時には電圧Ｖに対する電流Ｉの位相が進み、高負荷時には電圧Ｖに対する電流Ｉの位相が遅れる。したがって、この位相差から負荷状態を検出し、低負荷時には交流電源の出力電圧Ｖを減少させ、高負荷時には出力電圧Ｖを増加させることにより、ピストン３２の中立位置を一定に保持することができる。
【００３０】
図７は、図６で説明した原理に基づくリニアコンプレッサの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【００３１】
図７において、このリニアコンプレッサの駆動装置は、交流電源１、電圧検出装置２、電流検出装置３およびコンピュータ７を備え、コンピュータ７は位相検出部８および演算・制御部９を含む。
【００３２】
交流電源１は、コンピュータ７の演算・制御部９から与えられた電圧値制御信号に応じた値の電圧Ｖをリニアコンプレッサ３０に出力する。電圧検出装置２は、交流電源１の出力電圧Ｖを検出し、検出値Ｖをデジタル信号に変換してコンピュータ７の位相検出部８に与える。電流検出装置３は、交流電源１からリニアコンプレッサ３０に流れる電流Ｉを検出し、検出値Ｉをデジタル信号に変換してコンピュータ７の位相検出部８に与える。
【００３３】
コンピュータ７の位相検出部８は、電圧検出装置２および電流検出装置３から与えられたデジタル信号に基づいて、交流電源１の出力電圧Ｖに対する電流Ｉの位相差Ｄｐを算出する。コンピュータ７の演算・制御部９には、図８に示すように、ピストン３２の中立位置を一定に保持するために必要な位相差Ｄｐと電圧値制御量の関係が計算式またはデータテーブルとして格納されている。演算・制御部９は、位相検出部８で検出された位相差Ｄｐに応じた電圧値制御量Ｖｆを算出し、算出結果に基づいた電圧値制御信号を交流電源１に与えれる。
【００３４】
図９は、コンピュータ７の動作を示すフローチャートである。このフローチャートに従って、このリニアコンプレッサの駆動装置の動作について説明する。交流電源１からリニアコンプレッサ３０に駆動電力Ｗが供給されてリニアコンプレッサ３０が駆動される。交流電源１の出力電圧Ｖが電圧検出装置２によって検出され、交流電源１からリニアコンプレッサ３０に流れる電流Ｉが電流検出装置３によって検出される。
【００３５】
コンピュータ７の位相検出部８は、ステップＳ１１において電圧検出装置２および電流検出装置３から電圧値Ｖおよび電流値Ｉを読込む。次に、位相検出部８は、ステップＳ１２において電圧Ｖおよび電流Ｉの波形の立上がりタイミングなどを算出し、その算出結果に基づきステップＳ１３において電圧Ｖに対する電流Ｉの位相差Ｄｐを算出する。演算・制御部９は、ステップＳ１４において位相差Ｄｐに応じた電圧値制御量Ｖｆを算出し、ステップＳ１５において電圧値制御量Ｖｆに応じた電圧値制御信号を交流電源１に出力する。
【００３６】
コンピュータ４は、ステップＳ１６において制御処理が終了したか否かを判別し、制御処理が終了していない場合は再びステップＳ１１に戻る。
【００３７】
この実施の形態においても、参考の形態と同じ効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
【００３９】
この発明のリニアコンプレッサの駆動装置では、交流電源の出力電圧と交流電源からリニアモータに流れる電流との位相差が検出され、その検出値に応じた値だけ交流電源の出力電圧が制御されてピストンの中立位置が一定に保持される。したがって、負荷が変動してもピストンの中立位置が一定に保持され、高負荷時ほど大きな駆動電力が供給され、低負荷時ほど小さな駆動電力が供給される。しかも、ピストンの中立位置を検出するための位置検出用センサをピストンの近傍に設ける必要がないので、リニアコンプレッサの構成が複雑になることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考の形態によるリニアコンプレッサの駆動装置の原理を説明するための図である。
【図２】  図１で説明した原理に基づくリニアコンプレッサの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図３】  ピストンの中立位置を一定に保つために必要な出力電圧Ｖと目標電力Ｗｓの関係を示す図である。
【図４】  図２に示したリニアコンプレッサの駆動装置のコンピュータの動作を示すフローチャートである。
【図５】  図２に示したリニアコンプレッサの駆動装置の効果を説明するための図である。
【図６】  この発明の実施の形態によるリニアコンプレッサの駆動装置の原理を説明するための図である。
【図７】  図６で説明した原理に基づくリニアコンプレッサの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図８】  ピストンの中立位置を一定に保つために必要な位相差と電圧値制御量の関係を示す図である。
【図９】  図７に示したリニアコンプレッサの駆動装置のコンピュータの動作を示すフローチャートである。
【図１０】  従来のリニアコンプレッサの構成を示す断面図である。
【図１１】  図１０に示したリニアコンプレッサの問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１  交流電源
２  電圧検出装置
３  電流検出装置
４，７  コンピュータ
５  電力検出部
６，９  演算・制御部
８  位相検出部
３０  リニアコンプレッサ
３２  ピストン
３６  リニアモータ
４１  ピストンばね
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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