(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、
前記交流電源の出力電圧を指令する電圧指令手段、
前記電流検出手段によって検出された電流を微分し所定の定数を乗算して、前記リニアモータに仮想的に直列接続された波形整形用コイルに発生する電圧を求める演算手段、および
前記電圧指令手段によって指令された電圧から前記演算手段によって求められた電圧を減算した電圧に前記交流電源の出力電圧が一致するように前記交流電源を制御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７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７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。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。
【０００５】
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。
【０００６】
図８は、図７に示したリニアコンプレッサ３０を駆動させるための駆動装置５１の構成を示す回路ブロック図である。図８において、この駆動装置５１は、交流電源５２、コイル５３およびコンデンサ５４を備える。交流電源５２は、ピストン３２の共振周波数Ｆｃに等しい周波数の一定の交流電圧をコイル５３およびコンデンサ５４を介してリニアモータ３６の固定子３８，３９のコイルに印加する。コイル５３は、交流電源５２の負荷のインダクタンス成分を増大させることによって電流ｉの波形歪みを軽減させるために設けられる。また、コンデンサ５４は、コイル５３およびリニアモータ３６のコイルとともにピストン３２の共振周波数Ｆｃに等しい共振周波数を有する共振回路を構成するために設けられる。
【０００７】
次に、駆動装置５１によって駆動されるリニアコンプレッサ３０の動作について説明する。交流電源５２によりコイル５３を介してリニアモータ３６の固定子３８，３９のコイルに交流電圧が印加されると、図９に示すように、交流電源５２からリニアモータ３６のコイルに電流ｉが流れ、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が電流ｉに応じた速度ｖで往復動する。このピストン３２の往復動により、図１０に示すように、圧縮室３３内の圧力ｐが変動する。すなわち、図１０における低圧時に膨張ガスが吸込バルブ３４を介して圧縮室３３内に吸い込まれ、図１０における高圧時に圧縮室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、エネルギー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の駆動装置５１には、寸法・重量が大きな波形整形用のコイル５３が設けられていたので、駆動装置５１の寸法・重量が大きくなるという問題があった。
【００１１】
その一方、波形整形用のコイル５３を除去すると、図１１に示すように、電流ｉの波形が歪み効率（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）Ｅが低下してしまう。具体的には、図９に示すようにインダクタンスＬ＝０．０２５Ｈの固定子３８，３９にインダクタンスＬｃ＝０．０７５Ｈのコイル５３を直列接続した場合は９３．８％の効率Ｅが得られたが、図１１に示すようにコイル５３を除去した場合は効率Ｅが８７．５％に低下した。なお、コイル５３を直列接続した場合はコンデンサ５４の容量値Ｃを７０．４μＦとし、コイル５３を除去した場合はコンデンサ５４の容量値Ｃを２８１．４μＦとして、コンデンサ５４およびリニアモータ３６のコイルを含む共振回路の共振周波数をピストン３２の共振周波数Ｆｃに保った。
【００１２】
それゆえに、この発明の主たる目的は、小型・軽量化が可能で、かつ高い効率が得られ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、前記交流電源の出力電圧を指令する電圧指令手段、前記電流検出手段によって検出された電流を微分し所定の定数を乗算して、前記リニアモータに仮想的に直列接続された波形整形用コイルに発生する電圧を求める演算手段、および前記電圧指令手段によって指令された電圧から前記演算手段によって求められた電圧を減算した電圧に前記交流電源の出力電圧が一致するように前記交流電源を制御する制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１４】
このリニアコンプレッサの駆動装置では、交流電源からリニアモータに流れる電流が検出され、その検出値に基づいて、リニアモータに仮想的に直列接続された波形整形用コイルに発生する電圧が演算される。そして、指令電圧から演算値を減算した電圧に交流電源の出力電圧が一致するように交流電源が制御される。したがって、交流電源からリニアモータに流れる電流の波形歪みが軽減され、効率の低下が防止される。また、実際に波形整形用のコイルを設ける必要がないので、駆動装置の小型・軽量化が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施の形態によるリニアコンプレッサ３０の駆動装置１の構成を示すブロック図である。
【００１６】
図１において、このリニアコンプレッサ３０の駆動装置１は、直流電源２、インバータ３、電流検出装置４およびコンピュータ５を備え、コンピュータ５は電圧指令部６および演算制御部７を含む。図８で示したコンデンサ５４は、リニアコンプレッサ３０のケーシング４３内に設けられる。
【００１７】
直流電源２は、所定の直流電圧をインバータ３に出力する。直流電源２は、たとえば図２に示すような全波整流回路１０を含む。全波整流回路１０は、ダイオード１１〜１４、平滑コンデンサ３５および平滑コイル１６からなり、入力端子１０ａ，１０ｂに入力された交流電圧を直流電圧に変換して出力端子１０ｃ，１０ｄに出力する。
【００１８】
インバータ３は、直流電源２から入力された直流電圧を、コンピュータ１の演算制御部７から与えられた電圧制御信号φe に応じた電圧ｅで共振周波数Ｆｃに等しい周波数の交流電圧に変換する。インバータ３は、たとえば図３に示すように、ブリッジ形に接続された４組のＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）および帰還ダイオード２１，２５；２２，２６；２３，２７；２４，２８を含む。ＩＧＢＴ２１〜２４のゲート２１ｇ〜２４ｇの各々には、電圧制御信号φe が個別に与えられる。入力端子３ａ，３ｂには直流電源２から出力された直流電圧が印加され、出力端子３ｃ，３ｇから出力される交流電圧ｅは図示しないコンデンサ５４を介して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。
【００１９】
電流検出装置４は、インバータ３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５の演算制御部７に与える。
【００２０】
コンピュータ５の電圧指令部６は、指令電圧ｅs を生成し演算制御部７に与える。演算制御部７は、電流検出装置４によって検出された電流ｉを微分してインダクタンスＬｃを乗算し、その乗算値Ｌｃｄｉ／ｄｔを電圧指令部６から与えられた指令電圧ｅs から減算する。ここでインダクタンスＬｃは、リニアコンプレッサ３０のリニアモータ３６に仮想的に直列接続された波形整形用のコイル（図８のコイル５３に相当するもの）が有するインダクタンスである。そして、演算制御部７は、その演算値ｅs −Ｌｃｄｉ／ｄｔにインバータ３の出力電圧ｅが一致するように、インバータ３に電圧制御信号φe を与えてインバータ３を制御する。
【００２１】
図４は、図１に示したリニアコンプレッサ３０の駆動装置１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３０の駆動装置１の動作について説明する。
【００２２】
インバータ３からリニアコンプレッサ３０に電圧ｅ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および抵抗値Ｒとコンデンサ５４の容量値Ｃに応じた電流ｉがインバータ３からリニアコンプレッサ３０に流れ、その電流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。
【００２３】
インバータ３からリニアモータ３６のコイルに流れる電流の検出値ｉがコンピュータ５の演算制御部７に与えられ、リニアモータ３６のコイルに仮想的に直列接続された波形整形用コイルに発生する電圧Ｌｃｄｉ／ｄｔが演算される。インバータ３の出力電圧ｅは、指令電圧ｅs から演算値を減算した値ｅs −Ｌｃｄｉ／ｄｔに一致するように制御される。なお、このとき、インバータ３の出力電圧ｅとリニアモータ３６のコイルに発生する電圧との間には次式が成り立つ。
【００２４】
【数１】
0003738065.tif 000002
【００２５】
図５は指令電圧ｅs とインバータ３の出力電圧ｅを示す波形図、図６はピストン３２の速度ｖとインバータ３からリニアモータ３６のコイルに流れる電流ｉとを示す波形図である。図５を参照して、指令電圧ｅs と出力電圧ｅの差がコンピュータ５の演算制御部７による制御量であり、リニアモータ３６のコイルに仮想的に直列接続された波形整形用コイルに発生する電圧である。また、図６を参照して、このリニアモータ３０の駆動装置１では、実際には波形整形用のコイルを使用していないにもかかわらず、図１１に比べて電流ｉの波形歪みが軽減され、図９と同レベル以上の効率Ｅが得られた。具体的には、仮想的なコイルのインダクタンスＬｃを０．０７５Ｈとした場合、効率Ｅは９４．９％であった。
【００２６】
この実施の形態では、リニアモータ３６のコイルに流れる電流ｉの波形歪みをインバータ３の出力電圧ｅを制御することによって軽減させるので、コイル５３を使用していた従来に比べ装置の小型・軽量化が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、このリニアコンプレッサの駆動装置では、交流電源からリニアモータに流れる電流の検出値に基づいて、リニアモータに仮想的に直列接続された波形整形用コイルに発生する電圧が演算され、指令電圧から演算値を減算した電圧に交流電源の出力電圧が一致するように交流電源が制御される。したがって、交流電源からリニアモータに流れる電流の波形歪みが軽減され、効率の低下が防止される。また、実際に波形整形用のコイルを設ける必要がないので、駆動装置の小型・軽量化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態による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２】図１に示したリニアコンプレッサの駆動装置の直流電源に含まれる全波整流回路の構成を示す回路図である。
【図３】図１に示したリニアコンプレッサの駆動装置のインバータの構成を示す回路図である。
【図４】図１に示したリニアコンプレッサの駆動装置の動作を説明するためのブロック線図である。
【図５】図１に示したリニアコンプレッサの駆動装置の動作を説明するための波形図である。
【図６】図１に示したリニアコンプレッサの駆動装置の動作を説明するための他の波形図である。
【図７】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８】図７に示したリニアコンプレッサの駆動装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図９】図７および図８に示したリニアコンプレッサおよびその駆動装置の動作を説明するための波形図である。
【図１０】図７および図８に示したリニアコンプレッサおよびその駆動装置の動作を説明するための他の波形図である。
【図１１】図８に示したリニアコンプレッサの駆動装置の問題点を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１，５１  駆動装置
２  直流電源
３  インバータ
４  電流検出装置
５  コンピュータ
６  電圧指令部
７  演算制御部
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
５２  交流電源
５３  波形整形用コイル
【図１】
0003738065.tif 000003
【図２】
0003738065.tif 000004
【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】
0003738065.tif 000009
【図８】
0003738065.tif 000010
【図９】
0003738065.tif 000011
【図１０】
0003738065.tif 000012
【図１１】
0003738065.tif 000013