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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern
eines Linearkompressors, der eine Last aktiv handhaben kann und
einen Vorgang effizient ausführen
kann, durch Synchronisieren der Betriebsfrequenz mit der lastabhängig variierenden
natürlichen
Frequenz eines beweglichen Elements.
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HINTERGRUNDBILDENDE
TECHNIK
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Kompressoren,
die mechanische Geräte
zur Druckerhöhung
durch Empfangen von Energie von einem Energieeinheitssystem wie
einem Elektromotor oder einer Turbine sind, und die Luft, Kühlmittel oder
andere verschiedene Betriebsgase komprimieren, werden in weitem
Umfang für
Haushaltsgeräte wie
Kühlschränke und
Klimaanlagen oder auf allen industriellen Gebieten verwendet.
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Kompressoren
werden grob in Hubkompressoren mit einem Kompressionsraum, durch
den Betriebgase zwischen einem Kolben und einem Zylinder angesaugt
oder ausgestoßen
werden, wobei der Kolben innerhalb des Zylinders linear hin- und
herbewegt werden kann, um Kühlmittel
zu komprimieren, Rotationskompressoren mit einem Kompressionsraum,
durch den Betriebsgase zwischen einer sich exzentrisch drehenden
Rolle und einem Zylinder angesaugt oder ausgestoßen werden, wobei die Rolle exzentrisch
auf den Innenwänden
des Zylinders rollt, um Kühlmittel
zu komprimieren, und Spiralkompressoren mit einem Kompressionsraum,
durch den Betriebsgase zwischen einer umlaufenden Spirale und einer
festen Spirale angesaugt oder ausgestoßen werden, wobei die umlaufende
Spirale mit der festen Spirale gedreht werden kann, um Kühlmittel
zu komprimieren, unterteilt.
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In
jüngerer
Zeit wurden, unter den Hubkompressoren, Linearkompressoren wegen
ihrer Kompressionseffizienz und einfachen Konstruktion wegen eines
Beseitigens mechanischer Verluste durch Bewegungswandlung durch
direktes Verbinden eines Kolbens mit einem eine lineare Hin- und
Herbewegung ausführenden
Antriebsmotor in Massen hergestellt.
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Ein
Linearkompressor, der Kühlmittel
unter Verwendung einer linearen Antriebskraft des Motors komprimiert
und ausstößt, verfügt über eine
Kompressionseinheit aus einem Zylinder und einem Kolben zum Komprimieren
von Kühlmittelgasen
sowie eine Antriebseinheit aus einem Linearmotor zum Liefern einer
Antriebskraft an die Kompressionseinheit.
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Genauer
gesagt, ist bei einem Linearkompressor der Zylinder fest in einem
geschlossenen Behälter
installiert, und der Kolben ist so im Zylinder installiert, dass
er eine lineare Hin- und Herbewegung ausführt. Wenn der Kolben linear
im Zylinder hin- und herläuft,
werden Kühlmittel
in einen Kompressionsraum im Zylinder gesaugt, komprimiert und ausgestoßen. Im
Kompressionsraum sind eine Saugventilanordnung und eine Ausstoßventilanordnung
installiert, um das Ansaugen und Ausstoßen der Kühlmittel entsprechend dem Innendruck
im Kompressionsraum zu kontrollieren.
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Außerdem wird
der Linearmotor zum Erzeugen einer Linearbewegungskraft für den Kolben
so installiert, dass er mit diesem verbunden wird. Ein Innenstator
und ein Außenstator,
die durch Aufschichten mehrerer Laminate am Umfang des Zylinders
in der Umfangsrichtung aufgebaut werden, sind mit einem vorbestimmten
Spalt am Linearmotor installiert. Innerhalb des Innenstators oder
des Außenstators wird
eine Spule aufgewickelt, und im Zwischenraum zwischen dem Innenstator
und dem Außenstator
wird ein mit dem Kolben zu verbindender Permanentmagnet installiert.
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Hierbei
wird der Permanentmagnet so installiert, dass er in der Bewegungsrichtung
des Kolbens beweglich ist und durch eine elektromagnetische Kraft,
wie sie erzeugt wird, wenn ein Strom durch die Wicklung fließt, in der
Bewegungsrichtung des Kolbens linear hin- und herbewegt wird. Normalerweise wird
der Linearmotor mit einer konstanten Betriebsfrequenz fc betrieben,
und der Kolben wird mit einem vorbestimmten Hub S linear hin- und
herbewegt.
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Andererseits
sind verschiedene Federn installiert, um den Kolben elastisch in
der Bewegungsrichtung zu halten, obwohl er durch den Linearmotor linear
hin- und herbewegt wird. Genauer gesagt, wird eine Schraubenfeder,
die eine Art einer mechanischen Feder ist, so installiert, dass
sie durch den geschlossenen Behälter
und den Zylinder elastisch in der Bewegungsrichtung des Kolbens
gehalten wird. Auch dienen die in den Kompressionsraum gesaugten
Kühlmittel
als Gasfeder.
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Die
Schraubenfeder verfügt über eine
konstante mechanische Federkonstante Km,
und die Gasfeder verfügt über eine
Gasfederkonstante Kg, die durch die Last
variiert. Eine natürliche
Frequenz fn wird unter Berücksichtigung
der mechanischen Federkonstante Km und der
Gasfederkonstante Kg berechnet.
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Die
so berechnete natürliche
Frequenz fn bestimmt die Betriebsfrequenz
fc des Linearmotors. Die Effizienz des Linearmotors
wird dadurch verbessert, dass seine Betriebsfrequenz fc mit
seiner natürlichen Frequenz
fn gleichgesetzt wird, d. h., dass er im
Resonanzzustand betrieben wird.
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Demgemäß fließt im Linearkompressor, wenn
dem Linearmotor ein Strom zugeführt
wird, dieser Strom durch die Wicklung, um durch Wechselwirkungen
mit dem Außenstator
und dem Innenstator eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, und
der Permanentmagnet und der mit ihm verbundene Kolben werden durch
die elektromagnetische Kraft linear hin- und herbewegt.
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Hierbei
wird der Linearmotor mit der konstanten Betriebsfrequenz fc betrieben. Die Betriebsfrequenz fc des Linearmotors wird mit der natürlichen Frequenz
fn des Kolbens gleichgesetzt, so dass der Linearmotor
im Resonanzzustand betrieben werden kann, um die Effizienz zu maximieren.
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Wie
oben beschrieben, ändert
sich der Innendruck im Kompressionsraum, wenn der Kolben linear
im Zylinder hin- und herbewegt wird. Die Kühlmittel werden in den Kompressionsraum
gesaugt, komprimiert und ausgestoßen, was mit Änderungen des
Innendrucks des Kompressionsraums einhergeht.
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Der
Linearkompressor ist so aufgebaut, dass er mit einer Betriebsfrequenz
fc betrieben wird, die mit der natürlichen
Frequenz fn des Kolbens übereinstimmt, die durch die
mechanische Federkonstante Km der Schraubenfeder
und die Gasfederkonstante Kg der Gasfeder
unter derjenigen Last, die zum Designzeitpunkt für den Linearmotor angenommen
wurde, berechnet wurde. Daher wird der Linearmotor lediglich bei
der beim Design berücksichtigten
Last im Resonanzzustand betrieben, um die Effizienz zu verbessern.
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Da
jedoch die tatsächliche
Last des Linearkompressors variiert, ändern sich die Gasfederkonstante
Kg der Gasfeder und die aus dieser berechnete natürliche Frequenz
fn des Kolbens.
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Genauer
gesagt, wird, wie es in der 1A dargestellt
ist, die Betriebsfrequenz fc des Linearmotors
zum Designzeitpunkt so bestimmt, dass sie in einem mittleren Lastbereich
mit der natürlichen
Frequenz fn des Kolbens übereinstimmt. Selbst wenn die Last
variiert, wird der Linearmotor mit der konstanten Betriebsfre quenz
fc betrieben. Wenn jedoch die Last zunimmt,
nimmt die natürliche
Frequenz fn des Kolbens zu.
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Hierbei
repräsentiert
fn die natürliche Frequenz des Kolbens,
Km und Kg repräsentieren
die mechanische Federkonstante bzw. die Gasfederkonstante, und M
repräsentiert
die Kolbenmasse.
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Im
Allgemeinen wird, da die Gasfederkonstante Kg innerhalb
der Gesamtfederkonstante Kt einen kleinen
Anteil hat, die Gasfederkonstante Kg vernachlässigt oder
auf einen konstanten Wert eingestellt. Die Kolbenmasse M und die
mechanische Federkonstante Km werden ebenfalls
auf konstante Werte eingestellt. Daher wird die natürliche Frequenz fn des Kolbens durch die obige Formel 1 als
konstanter Wert berechnet.
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Jedoch
steigt der Druck und die Temperatur der Kühlmittel im eingeschränkten Raum
umso mehr an, je mehr die aktuelle Last ansteigt. Demgemäß steigt
die Elastizitätskraft
der Gasfeder selbst an, wodurch die Gasfederkonstante Kg zunimmt.
Auch nimmt die proportional zur Gasfederkonstante Kg berechnete
natürliche
Frequenz fn des Kolbens zu.
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Gemäß den 1A und 1B sind
die Betriebsfrequenz fc des Linearmotors
und die natürliche Frequenz
fn des Kolbens im mittleren Lastbereich identisch,
so dass der Kolben so betrieben werden kann, dass er den oberen
Totpunkt (OT) erreicht, um dadurch den Kompressionsvorgang stabil
auszuführen.
Außerdem
wird der Linearmotor im Resonanzzustand betrieben, wodurch die Effizienz
des Linearkompressors maximiert ist.
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Jedoch
wird die natürliche
Frequenz fn des Kolbens in einem niedrigen
Lastbereich kleiner als die Betriebsfrequenz fc des
Linearmotors, und so wird der Kolben über den OT hinaus verschoben,
wodurch eine übermäßige Kompressionskraft
ausgeübt
wird. Darüber
hinaus werden der Kolben und der Zylinder durch Reibung abgenutzt.
Da der Linearmotor nicht im Resonanzzustand arbeitet, ist die Effizienz
des Linearkompressors verringert.
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Außerdem wird
die natürliche
Frequenz fn des Kolbens in einem hohen Lastbereich
größer als die
Betriebsfrequenz fc des Linearmotors, und
so erreicht der Kolben den OT nicht, wodurch die Kompressionskraft
verringert ist. Der Linearmotor wird nicht im Resonanzzustand betrieben,
wodurch die Effizienz des Linearkompressors abnimmt.
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Im
Ergebnis variiert beim herkömmlichen
Linearkompressor die natürliche
Frequenz fn des Kolbens, wenn die Last variiert,
jedoch bleibt die Betriebsfrequenz fc des
Linearmotors konstant. Daher wird der Linearmotor nicht im Resonanzzustand
betrieben, was zu niedriger Effizienz führt. Ferner kann der Linearkompressor
die Last nicht aktiv handhaben und schnell bewältigen.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung wurde zum Lösen
der obigen Probleme geschaffen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Linearkompressors
zu schaffen, die es ermöglichen,
dass der Linearkompressor Saug- und Kompressionsvorgänge in einem
Resonanzzustand ausführt,
was durch Synchronisieren der Betriebsfrequenz eines Linearmotors
mit einer mechanischen, natürlichen
Frequenz erfolgt.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Steuern eines Linearkompressors zu schaffen, die Konstruktionsfehler
des Linearkompressors dadurch bewältigen können, dass eine lastabhängig variierende
mechanische, natürliche
Frequenz abgeschätzt
wird und eine Betriebsfrequenz mit dieser mechanischen, natürlichen
Frequenz synchronisiert wird.
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Um
die oben angegebenen Aufgaben der Erfindung zu lösen, ist eine Vorrichtung zum
Steuern eines Linearkompressors mit Folgendem geschaffen: einer
Erfassungseinheit zum Erfassen der Phase einer elektromotorischen
Gegenkraft E aus einem Spannungsstellwert V* des Linearkompressors
und einem Eingangsstrom i; einer Stromphase-Erfassungseinheit zum
Erfassen der Phase des Eingangsstroms i; einer Frequenzerzeugungseinheit
zum Vergleichen der Phase der elektromotorischen Gegenkraft E mit
der Phase des Eingangsstroms i und zum Erzeugen eines Frequenzänderungswerts;
einer Steuerungseinheit zum Korrigieren des Spannungsstellwerts
V* entsprechend dem Frequenzänderungswert;
und einer Umrichtereinheit um Empfangen einer Gleichspannung, zum
Erzeugen einer Sinusspannung entsprechend dem korrigierten Spannungsstellwert
V* und zum Anlegen der Sinusspannung an den Linearkompressor.
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Vorzugsweise
erfasst die Erfassungseinheit für
die elektromotorische Gegenkraft diese Phase durch Betreiben der
elektromotorischen Gegenkraft E entsprechend der folgenden Formel: E = V* – Ri – L(di/dt)(R:
Wicklungswiderstand, L: Induktivität)
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Vorzugsweise
erzeugt die Frequenzerzeugungseinheit den Frequenzänderungswert
so, dass die Phase der elektromotorischen Gegenkraft E und die Phase
des Eingangsstroms i gleich sein können.
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Vorzugsweise überträgt die Steuerungseinheit
den korrigierten Spannungsstellwert V* in Form eines vorbestimmten
Invertersteuerungssignals an die Umrichtereinheit.
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Gemäß einer
anderen Erscheinungsform der Erfindung beinhaltet ein Verfahren
zum Steuern eines Linearkompressors die folgenden Schritte: Erfassen
der Phase einer elektromotorischen Gegenkraft E aus einem Spannungsstellwert
V* des Linearkompressors und einem Eingangsstrom i; Erfassen der Phase
des Eingangsstroms i; Vergleichen der Phase der elektromotorischen
Gegenkraft E mit der Phase des Eingangsstroms i und zum Erzeugen
eines Frequenzänderungswerts;
Korrigieren des Spannungsstellwerts V* entsprechend dem Frequenzänderungswert;
und Empfangen einer Gleichspannung, zum Erzeugen einer Sinusspannung
entsprechend dem korrigierten Spannungsstellwert V* und zum Anlegen
der Sinusspannung an den Linearkompressor.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die nur zur
Veranschaulichung beigefügt
sind und demgemäß für die Erfindung
nicht beschränkend
sind, besser verständlich
werden.
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1A ist
ein Kurvenbild, das den Hub über der
Last bei einem herkömmlichen
Linearkompressor zeigt;
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1B ist
ein Kurvenbild, das die Effizienz über der Last beim herkömmlichen
Linearkompressor zeigt;
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2 ist
eine Schnittansicht zum Darstellen eines Linearkompressors gemäß der Erfindung;
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3A ist
ein Kurvenbild, das den Hub über der
Last beim Linearkompressor gemäß der Erfindung
zeigt;
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3B ist
ein Kurvenbild, das die Effizienz über der Last beim Linearkompressor
gemäß der Erfindung
zeigt;
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4 ist
ein Kurvenbild, das Änderungen
einer Gasfederkonstante abhängig
von der Last im Linearkompressor gemäß der Erfindung zeigt;
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5 ist
ein Ersatzschaltbild zum Darstellen eines als RL-Schaltkreis mit einer elektromotorischen Gegenkraft
realisierten Linearmotors;
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6 ist
eine Strukturansicht zum Darstellen einer Vorrichtung zum Steuern
eines Linearkompressors gemäß der Erfindung.
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BESTE ART
ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Nun
wird ein Linearkompressor gemäß der bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert
beschrieben.
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Wie
es in der 2 dargestellt ist, sind bei diesem
Linearkompressor eine Einlassleitung 2a und eine Auslassleitung 2b,
durch die Kühlmittel
angesaugt und ausgestoßen
werden, an einer Seite eines geschlossenen Behälters 2 installiert,
ein Zylinder 4 ist fest im Inneren des geschlossenen Behälters 2 installiert,
ein Kolben 6 ist innerhalb des Zylinders 4 so installiert,
dass er sich linear hin- und herbewegen kann, um die in einen Kompressionsraum
P im Zylinder 4 gesaugten Kühlmittel zu komprimieren, und
es sind verschiedene Federn für
elastische Halterung in der Bewegungsrichtung des Kolbens 6 installiert. Hierbei
ist der Kolben 6 mit einem Linearmotor 10 zum
Erzeugen einer linearen Hin-Her-Antriebskraft verbunden. Wie es
in den 3A und 3B dargestellt
ist, wird selbst dann, wenn die natürliche Frequenz fn des
Kolbens 6 aufgrund der Last variiert, die Betriebsfrequenz
fc des Linearmotors 10 so kontrolliert,
dass sie mit der natürlichen
Frequenz fn des Kolbens 6 synchronisiert
ist, so dass Reso nanzbetrieb in allen Lastbereichen ausgeführt werden
kann, um die Kompressionseffizienz zu verbessern.
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Außerdem ist
an einem Ende des Kolbens 6 ein Ansaugventil 22 in
Kontakt mit dem Kompressionsraum P installiert, und eine Auslassventilanordnung 24 ist
an einem Ende des Zylinders 4 in Kontakt mit dem Kompressionsraum
P installiert. Das Ansaugventil 22 und die Auslassventilanordnung 24 werden
abhängig
vom Innendruck im Kompressionsraum P automatisch so gesteuert, dass
sie öffnen oder
schließen.
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Die
obere und die untere Schale des geschlossenen Behälters 2 sind
so verbunden, dass sie diesen hermetisch abdichten. Die Einlassleitung 2a, über die
die Kühlmittel
angesaugt werden, und die Auslassleitung 2b, über die
sie ausgestoßen
werden, sind an einer Seite des geschlossenen Behälters 2 installiert.
Der Kolben 6 ist so im Zylinder 4 installiert, dass
er in der Bewegungsrichtung elastisch gehalten wird, um die lineare
Hin- und Herbewegung auszuführen.
Der Linearmotor 10 ist mit einem Rahmen 18 außerhalb
des Zylinders 4 verbunden. Der Zylinder 4, der
Kolben 6 und der Linearmotor 10 bilden eine Baugruppe.
Die Baugruppe ist an der inneren Bodenfläche des geschlossenen Behälters 2 so
installiert, dass sie durch eine Haltefeder 29 elastisch
gehalten wird.
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Die
innere Bodenfläche
des geschlossenen Behälters 2 enthält Öl, eine Ölzuführvorrichtung 30 zum
Pumpen des Öls
ist am unteren Ende der Baugruppe installiert, und eine Ölzuführleitung 18a zum Zuführen von Öl zwischen
dem Kolben 6 und dem Zylinder ist im Rahmen 18 an
der Unterseite der Baugruppe ausgebildet. Demgemäß wird die Ölzuführvorrichtung 30 durch
Schwingungen betrieben, wie sie durch die lineare Hin- und Herbewegung
des Kolbens 6 erzeugt werden, um das Öl zu pumpen, und das Öl wird entlang
der Ölzuführleitung 18a zur
Kühlung
und Schmierung in den Zwischenraum zwischen den Kolben 6 und
dem Zylinder 4 geliefert.
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Der
Zylinder 4 ist mit hohler Form ausgebildet, so dass der
Kolben 6 die lineare Hin- und Herbewegung ausführen kann,
und er verfügt
an seiner einen Seite über
den Kompressionsraum P. Vorzugsweise ist der Zylinder 4 in
einer geraden Linie mit der Einlassleitung 2a installiert,
und zwar in einem Zustand, in dem sein eines Ende benachbart zum
Innenabschnitt des Einlassrohrs 2a liegt.
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Der
Kolben 6 ist innerhalb eines Endes des Zylinders 4 benachbart
zur Einlassleitung 2a installiert, um die lineare Hin-
und Herbewegung auszuführen,
und die Auslassventilanordnung 24 ist am einen Ende des
Zylinders 4 in der Richtung entgegengesetzt zur Einlassleitung 2a installiert.
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Hierbei
verfügt
die Auslassventilanordnung 24 über eine Auslassabdeckung 24a zum
Ausbilden eines vorbestimmten Auslassraums an einem Ende des Zylinders 4,
ein Auslassventil 24b zum Öffnen oder Schließen des
Endes des Zylinders 4 nahe dem Kompressionsraum P, und
eine Ventilfeder 24c, die eine Art Schraubenfeder zum Ausüben einer
elastischen Kraft zwischen der Auslassabdeckung 24a und
dem Auslassventil 24b in der axialen Richtung ist. An der
inneren Umfangsfläche
eines Endes des Zylinders 4 ist ein O-Ring R eingesetzt,
damit das Auslassventil 24a dicht am einen Ende des Zylinders 4 anliegen
kann.
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Zwischen
einer Seite der Auslassabdeckung 24a und der Auslassleitung 2b ist
ein Schleifenleitung 28 mit Vertiefung installiert, um
die komprimierten Kühlmittel
so zu leiten, dass sie nach außen
ausgestoßen
werden, und um zu verhindern, dass durch Wechselwirkungen des Zylinders 4,
des Kolbens 6 und des Linearmotors 10 erzeugte
Schwingungen auf den gesamten geschlossenen Behälter 2 übertragen
werden.
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Daher
wird, wenn der Kolben 6 linear im Zylinder 4 hin-
und herläuft,
wenn der Druck im Kompressionsraum P über einem vorbestimmten Auslassdruck
liegt, die Ventilfeder 24c zusammengedrückt, um das Auslassventil 24b zu öffnen, und
die Kühlmittel
werden aus dem Kompressionsraum P ausgestoßen und dann entlang der Schleifenleitung 28 und
der Auslassleitung 2b nach außen ausgelassen.
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Im
Zentrum des Kolbens 6 ist ein Kühlmittelkanal 6a ausgebildet,
durch den die von der Einlassleitung 2a zugeführten Kühlmittel
fließen.
Der Linearmotor 10 ist durch ein Verbindungselement 17 direkt mit
einem Ende des Kolbens 6, benachbart zur Einlassleitung 2a,
verbunden, und das Ansaugventil 22 ist an einem Ende des
Kolbens 6 in der entgegengesetzten Richtung zur Einlassleitung 2a installiert.
Der Kolben 6 ist durch verschiedene Federn elastisch in der
Bewegungsrichtung gelagert.
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Das
Ansaugventil 22 ist in Form einer dünnen Platte ausgebildet. Das
Zentrum des Ansaugventils 22 ist teilweise ausgeschnitten,
um den Kühlmittelkanal 6a des
Kolbens 6 zu öffnen
oder zu schließen,
und eine Seite des Ansaugventils 22 ist durch Schrauben
an einem Ende des Kolbens 6a befestigt.
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Demgemäß wird,
wenn der Kolben 6 linear im Zylinder 4 hin- und
herläuft,
wenn der Druck im Kompressionsraum P unter einem vorbestimmten Saugdruck
unter dem Ausstoßdruck
liegt, das Ansaugventil 22 geöffnet, so dass die Kühlmittel
in den Kompressionsraum P gesaugt werden können, und wenn der Druck im
Kompressionsraum P über
dem vorbestimmten Saugdruck liegt, werden die Kühlmittel im Kompressionsraum
P im geschlossenen Zustand des Ansaugventils 22 komprimiert.
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Insbesondere
ist der Kolben 6 so installiert, dass er elastisch in der
Bewegungsrichtung gelagert ist. Genauer gesagt, ist ein Kolbenflansch 6b,
der in der radialen Richtung vom einen Ende des Kolbens 6 benachbart
zur Einlassleitung 2a vorsteht, durch mechanische Federn 8a und 8b wie
Schraubenfedern elastisch in der Bewegungsrichtung des Kolbens 6 gelagert.
Die Kühlmittel,
die im Kompressionsraum P in der Richtung entgegengesetzt zur Einlassleitung 2a enthalten
sind, wirken aufgrund einer Elastizitätskraft als Gasfeder, um dadurch
den Kolben 6 elastisch zu lagern.
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Hierbei
verfügen
die mechanischen Federn 8a und 8b über konstante
mechanische Federkonstanten Km, unabhängig von
der Last, und sie sind vorzugsweise mit einem am Linearmotor 10 und
am Zylinder 4 befestigten Halterahmen 26 nebeneinander in
der axialen Richtung des Kolbenflanschs 6b installiert.
Auch verfügen
die durch den Halterahmen 26 gelagerte mechanische Feder 8a und
die am Zylinder 4 installierte mechanische Feder 8b über dieselbe mechanische
Federkonstante Km.
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Jedoch
weist die Gasfeder eine mit der Last variierende Gasfederkonstante
Kg auf. Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt,
steigt der Druck der Kühlmittel
an, und so steigt die Elastizitätskraft
der Gase im Kompressionsraum P an. Im Ergebnis ist die Gasfederkonstante
Kg der Gasfeder umso höher, je höher die Last angestiegen ist.
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Während die
mechanische Federkonstante Km konstant ist,
variiert die Gasfederkonstante Kg mit der
Last. Daher variiert auch die Gesamtfederkonstante mit der Last,
und die natürliche
Frequenz fn des Kolbens 6 variiert
in der obigen Formel 1 mit der Gasfederkonstante Kg.
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Selbst
wenn die Last variiert, sind die mechanische Federkonstante Km und die Masse des Kolbens 6 konstant,
jedoch variiert die Gasfederkonstante Kg.
Demgemäß wird die
natürliche
Frequenz fn des Kolbens 6 durch
die aufgrund der Last variierende Gasfederkonstante Kg merklich
beeinflusst. Wenn ein Algorithmus zum Variieren der natürlichen
Frequenz fn des Kolbens 6 mit der
Last erhalten wird und die Betriebsfrequenz fc des
Linearmotors 10 mit dieser synchronisiert wird, kann die
Effizienz des Linearkompressors verbessert werden, und die Last
kann schnell überwunden
werden.
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Die
Last kann auf verschiedene Arten gemessen werden. Da der Linearkompressor
in einem Kühlungs/Luftklimatisierungs-Zyklus
zum Komprimieren, Kondensieren, Expandieren und Verdampfen von Kühlmitteln
installiert ist, kann die Last als Differenz zwischen dem Kondensationsdruck,
der der Druck kondensierender Kühlmittel
ist, und einem Verdampfungsdruck, der der Druck verdampfender Kühlmittel
ist, definiert werden. Um die Genauigkeit zu verbessern, wird die
Last unter Berücksichtigung des
mittleren Drucks betreffend den Kondensationsdruck und den Verdampfungsdruck
bestimmt.
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D.
h., dass die Last proportional zur Differenz zwischen dem Kondensationsdruck
und dem Verdampfungsdruck und dem mittleren Druck berechnet wird.
Je mehr die Last ansteigt, desto höher ist die Gasfederkonstante
Kg. Wenn beispielsweise die Differenz zwischen
dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck ansteigt, steigt
die Last an. Selbst wenn sich die Differenz zwischen dem Kondensationsdruck
und dem Verdampfungsdruck nicht ändert,
aber der mittlere Druck ansteigt, steigt die Last an. Die Gasfederkonstante
Kg steigt entsprechend der Last an.
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Wie
es in der 4 dargestellt ist, werden eine
Kondensationstemperatur proportional zum Kondensationsdruck und
eine Verdampfungstemperatur proportional zum Verdampfungsdruck gemessen,
und die Last wird proportional zur Differenz zwischen der Kondensationstemperatur
und der Verdampfungstemperatur und einer mittleren Temperatur berechnet.
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Der
Linearmotor 10 verfügt über einen
Innenstator 12, der durch Aufschichten mehrerer Laminate 12a in
der Umfangsrichtung hergestellt wurde und durch den Rahmen 18 fest
an der Außenseite
des Zylinders 4 installiert ist, einen Außenstator 14,
der durch Aufschichten mehrerer Laminate 14b am Umfang
eines Spulenwicklungskörpers 14a in
der Umfangsrichtung hergestellt wurde und durch den Rahmen 18 mit
einem vorbestimmten Zwischenraum zum Innenstator 12 an
der Außenseite
des Zylinders 4 installiert ist, und einen Permanentmagnet 16,
der im Zwischenraum zwischen dem Innenstator 12 und dem
Außenstator 14 positioniert
ist und durch das Verbindungselement 17 mit dem Kolben 6 verbunden ist.
Hierbei kann der Spulenwicklungskörper 14a fest außerhalb
des Innenstators 12 installiert sein.
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Wenn
ein Strom an den Spulenwicklungskörper 14a geliefert
wird, um eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, wird der Permanentmagnet 16 im Linearmotor 10 durch
Wechselwirkungen zwischen der elektromagnetischen Kraft und dem
Permanentmagnet 16 linear hin- und herbewegt, und der mit dem
Permanentmagnet 16 verbundene Kolben 6 wird linear
im Zylinder 4 hin- und herbewegt.
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Die 5 ist
eine Ersatzschaltbildansicht zum Veranschaulichen des Linearmotors,
der als RL-Schaltkreis mit elektromotorischer Gegenkraft realisiert
ist. In der 5 ist die theoretische Basis
für die
Bewegung des Kolbens 6 durch eine nichtlineare, simultane
Differentialgleichung, wie sie in der Formel 2 angegeben ist, erläutert. Die
Formel 2 ist eine elektrische Ersatzgleichung.
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Formel 2
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Hierbei
repräsentiert
R einen Ersatzwiderstand, L repräsentiert
einen Ersatz-Induktionskoeffizient, i repräsentiert den durch den Motor
fließenden Strom,
und V* repräsentiert
einen Span nungsstellwert, der einer Ausgangsspannung von einer Umrichtereinheit
(siehe die 6) entspricht. Die oben genannten
Variablen sind alle messbar, so dass durch die Formel 2 eine elektromotorische
Gegenkraft berechnet werden kann.
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Außerdem wird
die theoretische Basis für
die Bewegung des Kolbens 6 durch eine mechanische Bewegungsgleichung,
wie die folgende Formel 3, erläutert.
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Formel 3
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m(d2x/dt2) + C(dx/dt) + kx = αi
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Hierbei
repräsentiert
x die Verschiebung des Kolbens
6, m repräsentiert
die Masse des Kolbens
6, C repräsentiert einen Dämpfungskoeffizient,
k repräsentiert
eine Ersatz-Federkonstante, und α repräsentiert
eine Konstante für
die elektromotorische Gegenkraft. Die durch Transformieren der obigen
Formel 3 in einen komplexen Zahlentyp erhaltene mechanische Gleichung
ist als folgende Formel 4 definiert: Formel
4
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Hierbei
repräsentiert ω die Winkelgeschwindigkeit
(ω = 2 Π·fc).
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Mechanische
Resonanz tritt dann auf, wenn die elektromotorische Gegenkraft und
der Strom in Phase sind. Daher muss, wie es aus der obigen Formel
4 ersichtlich ist, in der Theorie der komplexe Zahlenteil des Nenners
null sein. Jedoch wird, wie oben beschrieben, die Ersatz-Federkonstante
k durch Addieren der mechanischen Federkonstante Km und
der Gasfederkonstante Kg erhalten, und so
variiert sie lastabhängig.
So ist es schwierig, die Betriebsfrequenz fc der
Formel 4 zu bestimmen. Daher ist durch die Erfindung für einen
Prozess gesorgt, bei dem die Resonanzfrequenz (Frequenz im Fall
fn = fc) durch Variieren
der Betriebsfrequenz fc erfasst wird. Nun wird
eine Steuerungsvorrichtung erläutert,
die die Betriebsfrequenz fc mit der natürlichen
Frequenz fn dadurch synchronisiert, dass
sie die Phasen einer elektromotorischen Gegenkraft und eines Stroms
durch Variieren der Betriebsfrequenz fc gemäß der Formel 3
erfasst.
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Die 6 ist
eine Strukturansicht zum Veranschaulichen der Vorrichtung zum Steuern
des Linearkompressors gemäß der Erfindung.
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Gemäß der 6 verfügt die Vorrichtung zum
Steuern des Linearkompressors über
eine Gleichrichtereinheit 41 zum Erzeugen einer Gleichspannung
durch Gleichrichten einer externen Wechselspannung, eine Invertereinheit 42 zum
Empfangen der Gleichspannung von der Gleichrichtereinheit 41,
um entsprechend einem Spannungsstellwert V* eine Sinusspannung zu
erzeugen und diese an den Linearkompressor 43 zu liefern,
der entsprechend dieser Sinusspannung von der Invertereinheit 42 Kompressions-
und Saugvorgänge
ausführt,
einen Stromsensor 44 zum Messen des an den Linearkompressor 43 gelieferten
Eingangsstroms (i), eine Erfassungsschaltung 45 für die Phase
der elektromotorischen Gegenkraft aus dem Spannungsstellwert V* und
dem Eingangsstrom (i), eine Stromphase-Erfassungsschaltung 46 zum
Erfassen der Phase des Eingangsstroms (i), eine Frequenzerzeugungseinheit 47 zum
Vergleichen der Phasen der elektromotorische Gegenkraft und des
Eingangsstroms (i) und zum Erzeugen eines Frequenzänderungswerts Δf, und eine Steuerungseinheit 48 zum
Korrigieren des Spannungsstellwert V* entsprechend dem Frequenzänderungswert Δf und zum
Liefern des korrigierten Werts an die Invertereinheit 42.
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Genauer
gesagt, berechnet die Erfassungseinheit 45 für die Phase
der elektromotorischen Gegenkraft E dieselbe durch Verarbeiten des
Spannungsstellwerts V* und des Eingangsstroms (i) durch die Formel
2, und sie erfasst die Phase der elektromotorischen Gegenkraft E.
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Die
Frequenzerzeugungseinheit 47 empfängt die Phase der elektromotorischen
Gegenkraft E von der Erfassungseinheit 45 für die Phase
derselben, sowie die Phase des Stroms (i) von der Stromphase-Erfassungsschaltung 46,
sie vergleicht die zwei Phasen, sie erzeugt den Frequenzänderungswert Δf zum Gleichsetzen
der zwei Phasen, und sie überträgt den Frequenzänderungswert Δf an die Steuerungseinheit 48.
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Die
Steuerungseinheit 48 korrigiert die Frequenz des vorigen
Spannungsstellwerts V* unter Verwendung des Frequenzänderungswerts Δf von der
Frequenzerzeugungseinheit, und sie legt den korrigierten Spannungsstellwert
V* wieder an die Invertereinheit 42 an. Entsprechend dieser
schleifenförmigen
Verarbeitungsprozedur legt die Steuerungseinheit 48 den
Spannungsstellwert V* mit einer Frequenz (Betriebsfrequenz fc) in Resonanz mit der mechanischen, natürlichen
Frequenz fn an die Invertereinheit 42 an,
damit der Linearkompressor 43 den Resonanzbetrieb ausführen kann.
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Hierbei
wandelt die Steuerungseinheit 48 den Spannungsstellwert
V* in ein Invertersteuerungssignal (beispielsweise ein PWM-Signal),
und sie überträgt das Signal
an die Umrichtereinheit 42.
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Wie
bereits erörtert,
erzielen, gemäß der Erfindung,
die Vorrichtung und das Verfahren zum Steuern des Linearkompressors
dadurch den Resonanzzustand, dass die im elektrischen Modell messbaren
Variablen (R, L, i, V*) verwendet werden, anstatt dass die natürliche Frequenz
fn abgeschätzt wurde, was durch genaues
Berechnen der Federkonstante K erfolgt, die eine mechanische Variable
ist. Daher reagiert der Linearkompressor nicht empfindlich auf Konstruktionsgenauigkeiten
während
der Herstellung. Im Ergebnis bewältigen
die Vorrichtung und das Verfahren zum Steuern eines Linearkompressors
auf einfache Weise Konstruktionsfehler während des Prozesses zum Herstellen
des Linearkompressors, und sie ermöglichen es, dass dieser Kompressions-
und Saugvorgänge
im Resonanzzustand ausführt.
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Auf
Grundlage der bevorzugten Ausführungsformen
und der beigefügten
Zeichnungen wurde ein Linearkompressor beschrieben, bei dem der sich
bewegende Linearkompressor vom Magnettyp betrieben wird und der
mit ihm verbundene Kolben linear im Zylinder hin- und herbewegt wird, um die Kühlmittel
anzusaugen, zu komprimieren und auszustoßen. Jedoch ist es zu beachten,
dass zwar die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurden, die Erfindung jedoch nicht auf
diese bevorzugten Ausführungsformen
eingeschränkt werden
soll, sondern dass vom Fachmann innerhalb des Grundgedankens und
des Schutzumfangs der nachfolgend beanspruchten Erfindung verschiedene Änderungen
und Modifizierungen vorgenommen werden können.
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Zusammenfassung:
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Die
Erfindung offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern
eines Linearkompressors, die eine Last aktiv handhaben können und
einen Betrieb dadurch effizient ausführen können, dass eine Betriebsfrequenz
mit der lastabhängig
variierenden natürlichen
Frequenz eines beweglichen Elements synchronisiert wird. Die Vorrichtung
zum Steuern des Linearkompressors weist Folgendes auf: eine Erfassungseinheit
zum Erfassen der Phase einer elektromotorischen Gegenkraft aus einem
Spannungsstellwert des Linearkompressors und einem Eingangsstrom;
eine Stromphase-Erfassungseinheit zum
Erfassen der Phase des Eingangsstroms; eine Frequenzerzeugungseinheit
zum Vergleichen der Phase der elektromotorischen Gegenkraft mit
der Phase des Eingangsstroms und zum Erzeugen eines Frequenzänderungswerts;
eine Steuerungseinheit zum Korrigieren des Spannungsstellwerts entsprechend
dem Frequenzänderungswert;
und eine Umrichtereinheit zum Empfangen einer Gleichspannung, zum
Erzeugen einer Sinusspannung entsprechend dem korrigierten Spannungsstellwert
und zum Anlegen der Sinusspannung an den Linearkompressor.
