(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周波数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の周波数を補正し、該周波数を前記ピストンの共振周波数に一致させる駆動手段を備える、リニアコンプレッサの駆動装置。
【請求項２】
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周波数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、
前記電圧検出手段と前記電流検出手段の検出結果に基づいて前記ピストンの速度を検出する速度検出手段、
前記電流検出手段によって検出された電流と前記速度検出手段によって検出された速度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の周波数を補正し、該周波数を前記ピストンの共振周波数に一致させる制御手段を備える、リニアコンプレッサの駆動装置。
【請求項３】
前記交流電源は、出力電圧の電圧値の制御も可能であり、
前記制御手段は、前記交流電源の出力電圧の周波数に応じた値だけ前記交流電源の出力電圧の電圧値を補正し、前記ピストンのストロークを一定に保持する、請求項１または２に記載の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１１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１１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。
【０００５】
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。
【０００６】
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リニアモータ３６の入力エネルギーに対する出力エネルギーの比率（以下、効率という）Ｅが最大になるように共振周波数Ｆｃの一定の交流電圧Ｖが印加される。
【０００７】
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。
【０００８】
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Ｖを印加して電流Ｉを流すと、その電流Ｉ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。
【０００９】
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。
【００１０】
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すみ、装置の小型化が可能となる。
【００１１】
【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にあっては、リニアモータ３６のコイルにピストン３２の共振周波数Ｆｃの一定の交流電圧Ｖが印加されていたので、図１２に示すように、負荷が定格値から外れてガスばねのばね定数が変化し共振周波数Ｆｃが変化すると、効率Ｅが低下するという問題があった。
【００１２】
それゆえに、この発明の主たる目的は、負荷が変動しても高い効率を維持することができる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】
この発明に係る第１の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周波数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の周波数を補正し、該周波数を前記ピストンの共振周波数に一致させる制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１４】
この第１のリニアモータの駆動装置では、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の周波数が補正されて該周波数がピストンの共振周波数に保持される。したがって、負荷が変動しても効率が低下することはない。
【００１５】
また、この発明に係る第２のリニアモータの駆動装置は、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周波数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、前記電圧検出手段と前記電流検出手段の検出結果に基づいて前記ピストンの速度を検出する速度検出手段、前記電流検出手段によって検出された電流と前記速度検出手段によって検出された速度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の周波数を補正し、該周波数を前記ピストンの共振周波数に一致させる制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１６】
この第２のリニアモータの駆動装置では、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が検出され、これらの検出結果に基づいてピストンの速度が検出される。そして、その電流とピストンの速度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の周波数が補正されて該周波数がピストンの共振周波数に保持される。したがって、負荷が変動しても効率が低下することがない。
【００１７】
また、好ましくは第１または第２のリニアコンプレッサの駆動装置において、前記交流電源は出力電圧の電圧値の制御も可能であり、前記制御手段は前記交流電源の出力電圧の周波数に応じた値だけ前記交流電源の出力電圧の電圧値を補正し、前記ピストンのストロークを一定に保持する。これにより、高負荷時ほど大きな電力が供給されることとなり、適切な冷却特性が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１および図２は、この発明の実施の形態１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。
【００１９】
図１を参照して、交流電源の出力電圧Ｖの周波数Ｆを共振周波数Ｆｃに一定に保った状態で、負荷を高くすると、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の位相が遅れ、負荷を低くすると電圧Ｖに対する電流Ｉの位相が進む。したがって、電圧Ｖに対する電流Ｉの位相差Ｄｐを検出することにより負荷を検出することができる。
【００２０】
また、図２を参照して、負荷を定格に保った状態で、周波数Ｆを共振周波数Ｆｃよりも高くすると位相差Ｄｐが正側に大きくなり、周波数Ｆを共振周波数Ｆｃよりも低くすると位相差Ｄｐが負側に大きくなる。したがって、周波数Ｆを調整することにより、位相差Ｄｐを０度にすることができる。
【００２１】
以上より、電圧Ｖと電流Ｉの位相差Ｄｐを検出し、その位相差Ｄｐが０度になるように交流電源の周波数Ｆを調整することにより、負荷変動に伴って変動した共振周波数Ｆｃに交流電源の周波数Ｆを一致させることができ、効率Ｅを高レベルに維持することができる。
【００２２】
図３は、図１および図２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。
【００２３】
図３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は位相検出部５および演算・制御部６を含む。
【００２４】
交流電源１は、コンピュータ４の演算・制御部６から与えられた周波数制御信号に応じた周波数ｆ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の位相検出部５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の位相検出部５に与える。
【００２５】
コンピュータ４の位相検出部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４の演算・制御部６には、図４に示すように、交流電源１の出力電圧Ｖの周波数Ｆをピストン３２の共振周波数Ｆｃに一致させるために必要な、位相差Ｄｐと周波数補正量ΔＦ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、位相検出部５で検出された位相差Ｄｐに応じた周波数補正量ΔＦを算出し、算出結果に基づいた周波数制御信号を交流電源１に与える。
【００２６】
図５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に駆動電力が供給され、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。
【００２７】
コンピュータ４の位相検出部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を読込む。次に、位相検出部５は、ステップＳ２において電圧値Ｖおよび電流値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Ｓ３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６は、ステップＳ４において位相差Ｄｐに応じた周波数補正量ΔＦを算出し、ステップＳ５において周波数制御量Ｆｆ＝Ｆｆ＋ΔＦを算出し、ステップＳ６において周波数制御量Ｆｆに応じた周波数制御信号を交流電源１に出力する。
【００２８】
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。
【００２９】
したがって、この実施の形態１においては、図６に示すように、負荷の変動に伴ってピストン３２の共振周波数Ｆｃが変動しても交流電源１の出力電圧Ｖの周波数Ｆは常に共振周波数Ｆｃに一致するように制御され、効率Ｅが常に高レベルに維持される。
【００３０】
なお、図７に示すように、駆動周波数Ｆが高くなるに従ってピストン３２のストロークが小さくなる傾向があるので、駆動周波数Ｆの補正量に応じた値だけ駆動電圧Ｖを制御することによりピストン３２のストロークを最適値に保持する構成としてもよい。
【００３１】
［実施の形態２］
図８は、この発明の実施の形態２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って、特に、図８（ａ）は、交流電源の出力電圧Ｖに対する電流ＩのゲインＧｉｅと、電圧Ｖに対するピストン３２の速度ｖのゲインＧｖｅとの周波数特性を示す図、図８（ｂ）は、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の位相差Ｄｐｉｅと、電圧Ｖに対するピストン３２の速度ｖの位相差Ｄｐｖｅとの周波数特性を示す図である。
【００３２】
図８において、位相差ＤｐｉｅとＤｐｖｅは、共振周波数Ｆｃにおいて一致しかつ０度（図では−３６０度）になっている。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よりも位相が進み、駆動周波数Ｆが共振周波数Ｆｃよりも低い範囲では電流Ｉが速度ｖよりも位相が遅れる。したがって、電流Ｉが速度Ｖよりも位相が進んでいる場合は駆動周波数Ｆを下げ、電流Ｉが速度ｖよりも位相が遅れている場合は駆動周波数Ｆを上げるように制御することによって共振周波数Ｆｃで駆動することができ、効率Ｅを高レベルに維持することができる。
【００３３】
図９は、図８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。
【００３４】
図９において、このリニアコンプレッサの駆動装置は、直流電源１１、インバータ１２およびコンピュータ１３を備え、コンピュータ１３は速度推定部１４および周波数調整部１５を含む。
【００３５】
直流電源１１は、所定の直流電圧をインバータ１２に出力する。インバータ１２は、直流電源１１から入力された直流電圧を、コンピュータ１３の周波数調整部１５から与えられた周波数制御信号に応じた周波数Ｆの交流電圧Ｖに変換する。インバータ１２の出力電圧Ｖはリニアコンプレッサ３０のリニアモータ３６のコイルに印加される。
【００３６】
コンピュータ１３の速度推定部１４は、インバータ１２の出力電圧Ｖと、インバータ１２からリニアコンプレッサ３０に流れる電流Ｉとに基づいてリニアコンプレッサ３０のピストン３２の速度ｖを推定する。コンピュータ１３の周波数調整部１５は、電流Ｉと速度ｖの位相差Ｄｐを検出し、その位相差Ｄｐが０度になるようにインバータ１２に周波数制御信号を与える。
【００３７】
図１０は、図９に示したリニアコンプレッサの駆動装置の動作を示すブロック線図である。このブロック線図に従って、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。
【００３８】
インバータ１２からリニアコンプレッサ３０に電圧Ｖが印加されると、リニアコンプレッサ３０のリニアモータ３６のコイルが有するインダクタンスＬ、容量値Ｃおよび抵抗値Ｒに応じた電流Ｉがインバータ１２からリニアコンプレッサ３０に流れ、電流Ｉに比例した力ｋｆＩが発生する。この力ｋｆＩと、ピストン３２および可動体４０の質量と、圧縮室３３内のガス圧に基づくガスばねおよびピストンばね４１のばね定数とによりピストン３２の速度ｖが決まり、速度ｖに比例した電圧ｋｆｖがリニアモータ３６のコイルに負帰還される。したがって、リニアモータ３６のコイルに流れる電流Ｉは、ピストン３２の速度ｖが大きくなって負帰還される誘起電圧ｋｆｖが大きくなると小さくなる。
【００３９】
インバータ１２の出力電圧Ｖとリニアモータ３６のコイルに流れる電流Ｉとがコンピュータ１４の速度推定部１４に与えられ、これらの値Ｖ，Ｉと予め測定されているリニアモータ３６のコイルのインピーダンスとからピストン３２の速度ｖが次式に基づいて算出される。
【００４０】
【数１】
0003738062.tif 000002
【００４１】
速度の算出値ｖと電流Ｉがコンピュータ１３の周波数調整部１５に与えられ、これらの位相差Ｄｐに応じた値だけインバータ１２の周波数Ｆが周波数調整部１５によって補正される。これにより、インバータ１２の周波数Ｆがピストン３２の共振周波数Ｆｃに一致することとなる。
【００４２】
この実施の形態２でも、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、この発明の第１のリニアモータの駆動装置では、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の周波数が補正されて該周波数がピストンの共振周波数に保持される。したがって、負荷が変動しても効率が低下することはない。
【００４４】
また、この発明の第２のリニアモータの駆動装置では、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が検出され、これらの検出結果に基づいてピストンの速度が検出される。そして、その電流とピストンの速度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の周波数が補正されて該周波数がピストンの共振周波数に保持される。したがって、負荷が変動しても効率が低下することがない。
【００４５】
また、第１または第２のリニアコンプレッサの駆動装置において、交流電源の出力電圧の周波数に応じた値だけ交流電源の出力電圧の電圧値を補正してピストンのストロークを一定に保持すれば、高負荷時ほど大きな電力が供給され低負荷時ほど小さな電力が供給されることとなり、適切な冷却特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１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】この発明の実施の形態１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他の図である。
【図３】図１および図２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４】図３に示したコンピュータ４の演算・制御部６に格納されている電圧Ｖに対する電流Ｉの位相差Ｄｐと周波数補正量ΔＦとの関係を示す図である。
【図５】図３に示したコンピュータ４の動作を示すフローチャートである。
【図６】図１ないし図５で説明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７】図１ないし図６で説明したリニアコンプレッサの駆動装置の改良例を説明するための図である。
【図８】この発明の実施の形態２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９】図８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１０】図９に示したリニアコンプレッサの駆動装置の動作を示すブロック線図である。
【図１１】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１２】図１１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
４，１３  コンピュータ
５  位相検出部
６  演算・制御部
１１  直流電源
１２  インバータ
１４  速度推定部
１５  周波数調整部
３０  リニアコンプレッサ
３１  シリンダ
３２  ピストン
３３  圧縮室
３６  リニアモータ
４１  ピストンばね
【図１】
0003738062.tif 000003
【図２】
0003738062.tif 000004
【図３】
0003738062.tif 000005
【図４】
0003738062.tif 000006
【図５】
0003738062.tif 000007
【図６】
0003738062.tif 000008
【図７】
0003738062.tif 000009
【図８】
0003738062.tif 000010
【図９】
0003738062.tif 000011
【図１０】
0003738062.tif 000012
【図１１】
0003738062.tif 000013
【図１２】
0003738062.tif 000014