JP2008511792A - リニア圧縮機 - Google Patents

Abstract

本発明は、ピストンがリニアモータにより駆動され、シリンダ内部で往復直線運動しながら冷媒を吸入、圧縮、吐出させるリニア圧縮機に関するものであり、負荷が変化してもピストンの固有周波数を推定してリニアモータの運転周波数を同期させるため共振状態で運転が行えるようにすると同時に、ピストンのストロークを変化させることによって、圧縮容量を変化させて効果的に負荷に対応することができるものである。

Description

本発明は、負荷に依存して変化する可動部材の固有周波数にリニアモータの運転周波数を同期させると共に、負荷に依存して可動部材のストロークを変化させることによって、負荷を迅速に解消するだけでなく、圧縮効率を高めることができるリニア圧縮機に関する。

従来、圧縮機は、電気モータやタービン等の動力発生装置から動力を伝達されて空気や冷媒、又はその他の多様な作動ガスを圧縮させて圧力を高める機械装置であって、冷蔵庫とエアコン等のような家電機器又は産業全般に亘って広く使われている。

このような圧縮機を大別すると、ピストンとシリンダの間に作動ガスが吸入、吐出される圧縮空間を形成してピストンがシリンダ内部で直線往復運動しながら冷媒を圧縮させる往復動式圧縮機と、偏心回転されるローラとシリンダの間に作動ガスが吸入、吐出される圧縮空間を形成してローラがシリンダ内壁に沿って偏心回転しながら冷媒を圧縮させる回転式圧縮機と、旋回スクロールと固定スクロールの間に作動ガスが吸入、吐出される圧縮空間を形成して旋回スクロールが固定スクロールに沿って回転しながら冷媒を圧縮させるスクロール式圧縮機とに分けられる。

最近では、往復動式圧縮機のうち、特に、ピストンが往復直線運動する駆動モータに直接連結されるようにして、運動転換による機械的な損失なく圧縮効率を向上させるだけでなく、簡単な構造のリニア圧縮機が多く開発されている。

一般に、リニア圧縮機は、モータの直線駆動力を利用して冷媒を吸入、圧縮、吐出するが、これは、冷媒ガスを圧縮させるシリンダ及びピストン等が含まれた圧縮部と、圧縮部に駆動力を供給するリニアモータが含まれた駆動部とに大きく分けられる。

具体的には、リニア圧縮機は、密閉容器内部にシリンダが固定されるように設置され、シリンダの内部にピストンが往復直線運動可能に設置され、ピストンがシリンダの内部で往復直線運動することによって、シリンダの内部の圧縮空間に冷媒を吸入して圧縮した後、吐出するように構成され、圧縮空間には吸入弁アセンブリ及び吐出弁アセンブリが設置され、圧縮空間の内部の圧力によって冷媒の吸入及び吐出を調節する。

また、ピストンに直線運動力を発生させるリニアモータが互いに連結されるように設置されるが、リニアモータは、シリンダの周辺に複数個のラミネーションが円周方向積層されるように構成されたインナステータ及びアウタステータが所定の間隙をおいて設置され、インナステータ又はアウタステータの内側にはコイルが巻かれるように設置され、インナステータとアウタステータ間の間隙には永久磁石がピストンと連結されるように設置される。

ここで、永久磁石は、ピストンの運動方向に移動可能に設置され、コイルに電流が流れることによって発生される電磁気力によりピストンの運動方向に往復直線運動するが、通常、リニアモータは一定の運転周波数ｆｃで動作され、かつピストンが所定のストロークＳで往復直線運動する。

一方、ピストンは、リニアモータにより往復直線運動しても、運動方向に弾性支持されるように各種スプリングが設置されるが、具体的には、機械スプリングの一種であるコイルスプリングがピストンの運動方向に密閉容器及びシリンダに弾性支持されるように設置され、圧縮空間に吸入された冷媒もガススプリングとして作用する。

ここで、コイルスプリングは、一定の機械スプリング定数Ｋｍを有し、ガススプリングは負荷によって変更されるガススプリング定数Ｋｇを有し、機械スプリング定数Ｋｍ及びガススプリング定数Ｋｇを考慮してピストン（又はリニア圧縮機）の固有周波数ｆｎが算出される。

このように算出されたピストンの固有周波数ｆｎは、リニアモータの運転周波数ｆｃを決定するが、リニアモータは運転周波数ｆｃをピストンの固有周波数ｆｎと一致させて、すなわち共振状態で運転させることによって効率を上げることができる。

したがって、このように構成されたリニア圧縮機は、リニアモータに電流が印加されると、コイルに電流が流れ、これによるアウタステータ及びインナステータとの相互作用により電磁気力が発生して、この電磁気力により永久磁石及びこれと連結されたピストンが往復直線運動する。

ここで、リニアモータは、一定の運転周波数ｆｃで運転し、リニアモータの運転周波数ｆｃは、ピストンの固有周波数ｆｎと一致して共振状態で運転が行われることによって効率を最大にすることができる。

このように、ピストンがシリンダの内部で往復直線運動することによって圧縮空間の内部圧力が変化して、このような圧縮空間の圧力変化によって冷媒が圧縮空間吸入された後、圧縮されて吐出される。

このように構成されたリニア圧縮機は、リニアモータが設計上考慮した負荷下でコイルスプリングの機械スプリング定数Ｋｍ、及びガススプリングのガススプリング定数Ｋｇにより算出されるピストンの固有周波数ｆｎに一致する運転周波数ｆｃで運転されるように構成される。このため、効率を上げるためにリニアモータは、設計上考慮した負荷下でのみ共振状態で運転される。

しかし、のようなリニア圧縮機では、実際負荷が変化するので、ガススプリングのガススプリング定数Ｋｇ及びこれを考慮して算出されたピストンの固有周波数ｆｎが変更される。

具体的には、リニアモータは図１Ａに示すように設計時に中負荷領域において、ピストンの固有周波数ｆｎと一致するように運転周波数ｆｃが決定され、負荷が変化してもこのように決定された一定の運転周波数ｆｃで運転されるピストンの固有周波数ｆｎは、負荷が大きくなることによって大きくなる。

ここで、ｆｎは、ピストンの固有周波数で、Ｋｍ及びＫｇは、機械スプリング定数及びガススプリング定数であり、Ｍはピストンの質量である。

通常、設計時には、全体スプリング定数Ｋｔに対するガススプリング定数Ｋｇの比率が小さいため、ガススプリング定数Ｋｇを考慮しないか、又はガススプリング定数Ｋｇを一定の値に設定して適用し、ピストンの質量Ｍ及び機械スプリング定数Ｋｍも一定の値を有するので、ピストンの固有周波数ｆｎも式（１）に依存して一定の値として算出される。

しかし、実際に負荷が増加すると、制限された空間における冷媒の圧力及び温度が高まり、これによってガススプリング自体の弾性力が大きくなり、ガススプリング定数Ｋｇが大きくなり、このようなガススプリング定数Ｋｇに比例するように算出されるピストンの固有周波数ｆｎも大きくなる。

したがって、図１Ａ及び図１Ｂに示すように中負荷領域においては、リニアモータの運転周波数ｆｃとピストンの固有周波数ｆｎが一致するため、ピストンが上死点（ＴＤＣ）に到達するように運転されて安定的に圧縮作用がなされる。これに加えて、リニアモータは共振状態で運転が行えることによって圧縮機の効率が最大となる。

これに対して、低負荷領域においては、リニアモータの運転周波数ｆｃよりピストンの固有周波数ｆｎが小さくなるため、ピストンが上死点以上に運動し過ぎて過度な圧縮力が作用されるだけでなく、ピストン及びシリンダの摩擦及び摩耗が発生し、共振状態で運転できなくなるので圧縮機の効率が低下する。

これと同様に、高負荷領域においては、リニアモータの運転周波数ｆｃよりピストンの固有周波数ｆｎが大きくなるため、ピストンが上死点に到達することなく運転されることにより圧縮力が低下し、共振状態で運転できなくなるので圧縮機の効率が低下する。

結果的に、従来のリニア圧縮機は、負荷が変化することによってピストンの固有周波数ｆｎが変化する反面、リニアモータの運転周波数ｆｃは一定である。このため、リニアモータが共振状態で運転できなくなるので、その効率が低下する。更にリニア圧縮機は能動的に負荷に対応できなくなり、負荷を迅速に解消することができないという問題点があった。

一方、従来のリニア圧縮機は負荷を迅速に解消するために、リニアモータに入力される電流の大きさを調節し、図２に示すように、ピストン６がシリンダ４の内部で高冷却力モード又は低冷却力モードで運転されるが、各運転モードによってピストンのストロークＳが変化して圧縮容量を変化させる。

ここで、リニア圧縮機は、比較的負荷が大きい状態で高冷却力モードで運転されるが、高冷却力モードでは、リニアモータの運転周波数ｆｃがピストンの固有周波数ｆｎに一致してピストン６が所定のストロークＳ１を維持しながら上死点まで到達するように動作される。

しかし、リニア圧縮機は、比較的に負荷が少ない状態で低冷却力モードで運転され、低冷却力モードではリニアモータに入力される電流を減少させてリニアモータの運転周波数ｆｃを低下させることにより、圧縮容量を減少させることができると同時に、機械スプリング及びガススプリングを所定の弾性力でピストン６の運動方向に弾性支持した状態で、ピストンのストロークＳ２が低減されることによってピストンが上死点まで到達できなくなり、これによって圧縮機の効率及び圧縮力が低下するという問題点がある。

これにより、本発明は、ピストンの固有周波数が負荷に依存して変化してもリニアモータの運転周波数及びピストンのストロークを調節することにより、あらゆる負荷に対応して効率的に圧縮容量を変化させることができるリニア圧縮機を提供することを目的とする。

前述のような目的を達成するために、本発明の一実施の形態では、内部に圧縮空間を含む固定部材と、固定部材内部から軸方向に往復直線運動しながら圧縮空間に吸入された冷媒を圧縮させる可動部材と、可動部材を可動部材の運動方向に弾性支持するように設置されて負荷に依存してスプリング定数が変化する少なくとも一つのスプリングと、可動部材と連結されるように設置されて、可動部材を軸往復直線運動させて、その運転周波数及びストロークが負荷に依存して変化するように調節されるリニアモータことを特徴とするリニア圧縮機を提供する。

ここで、リニア圧縮機は冷凍／空調用サイクル内に設置され、負荷は、冷凍／空調用サイクルで冷媒が凝縮される圧力(凝縮圧）と、冷媒が蒸発される圧力(蒸発圧）との差に比例して算出されることが好ましく、負荷は、さらに凝縮圧と蒸発圧の平均圧力(平均圧)に比例して算出されることが一層好ましい。

また、リニアモータは、運転周波数を負荷に比例して変化する可動部材の固有周波数に同期させて、共振状態で運転が行えるようにすることが好ましい。

さらに、リニアモータは、負荷によってストロークが変化しても可動部材を上死点まで往復直線運動するように動作させるため、圧縮機の効率及び冷媒の圧縮力が低下しないようにすることが好ましい。

具体的には、リニアモータは固定部材の周辺を囲むように複数個のラミネーションが円周方向に積層されるように構成されたインナステータと、インナステータの外側に所定の間隔をおいて位置され、複数個のラミネーションが円周方向積層されるように構成されたアウタステータと、インナステータ又はアウタステータのうち、いずれか一つに設置され、電流が流れることによってインナステータ又はアウタステータ間に電磁気力を発生させるようにコイルが捲線されたコイル捲線体と、インナステータとアウタステータの間の間隙に位置され、可動部材と連結されるように設置されてコイル捲線体の電磁気力との相互作用により直線往復運動する永久磁石を含んでなることが好ましい。

ここで、コイル捲線体はコイル捲線体の軸方向において二つ以上のコイル捲線区間に分けられて、リニアモータは、入力電流を少なくとも一つのコイル捲線区間を選択して電流を印加する分岐手段と、負荷によって分岐手段を制御する制御手段を含むように構成される。

ここで、分岐手段は、コイル捲線体の両端部及び各コイル捲線区間の間の連結部のうち、二つを選択して入力電流を印加することが好ましく、コイル捲線体の両端部のうち、何時も上死点と近接した端部を選択することがより好ましい。

したがって、リニアモータにおいてコイル捲線体に電流が印加されると、コイル捲線体において上死点と近接した地点に常に電磁気力が発生するため、永久磁石がコイル捲線体の電磁気力と相互作用により往復直線運動しながらピストンを上死点に到達するようにして圧縮機の効率及び冷媒の圧縮力を高めることができる。

さらに、ストロークは、電流が印加された捲線区間の軸方向長さに比例するように調節され、コイル捲線体は各捲線区間が異なるインダクタンスを有するように構成されるが、各捲線区間にコイルの捲線数が異なるように配分して捲線するか、各捲線区間に異なる太さのコイルを配分して捲線するように構成することができる。

例えば、コイル捲線体は、上死点から第１、２コイル捲線区間に分けられるが、低負荷で最適の効率を実験するために、第１捲線区間の軸方向長さはコイル捲線体の軸方向長さの３０〜８０％にすることが好ましい。

このように、本発明で負荷によってガススプリング定数及び固有周波数が変化することを周波数推定アルゴリズムにより推定し、固有周波数にリニアモータの運転周波数を同期させることにより共振状態で運転が行えるようにして、結果的に圧縮効率を極大化させることができる。

また、本発明においては、リニアモータのコイル捲線体をピストンの運動方向において二つ以上のコイル捲線区間に分けられるように構成すると同時に、各コイル捲線区間のうち、少なくとも一つの区間に電流が印加されるように構成するため、コイル捲線体の周辺に電磁気力が発生する領域を調節することによってピストンのストロークを調節し、負荷に能動的に対応して負荷を迅速に解消するだけでなく、消費電力を低減させることができる。

以下、目的が具体的に実現される、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。本発明の特徴及び利点は、後述する本発明の実施形態の詳細な説明と添付図面を参考にして一層よく理解できるだろう。

本発明によるリニア圧縮機は、図３に示すように密閉容器２に冷媒が吸入、吐出する流入管２ａ及び流出管２ｂが設置され、密閉容器２の内側にシリンダ４が固定されるように設置され、シリンダ４の内部の圧縮空間Ｐ吸入された冷媒を圧縮させることができるようにシリンダ４の内部にピストン６が往復直線運動可能に設置されると同時に、ピストン６がピストン６の運動方向に弾性支持されるように各種スプリングが設置され、ピストン６は直線往復駆動力を発生させるリニアモータ１０と連結されるように設置されるが、ピストンの固有周波数ｆｎが負荷に依存して変化しても、リニアモータ１０は図４Ａ及び図４Ｂに示すように、ピストンの固有周波数ｆｎと同期するように、その運転周波数ｆｃを制御すると同時に、圧縮容量が変化するようにピストン６のストロークＳを制御する。

さらに、圧縮空間Ｐと接しているピストン６の一端に吸入弁２２が設置され、圧縮空間Ｐと接しているシリンダ４の一端に吐出弁アセンブリ２４が設置され、吸入弁２２及び吐出弁アセンブリ２４は各々圧縮空間Ｐの内部圧力によって開閉されるように自動的に調節される。

ここで、密閉容器２は内部が密閉されるように上部シェルと下部シェルが互いに結合されるように設置され、一側に冷媒が流入される流入管２ａ及び冷媒が吐出される流出管２ｂが設置され、シリンダ４の内側にピストン６が往復直線運動可能に運動方向に弾性支持されるように設置されるとともに、シリンダ４の外側にリニアモータ１０がフレーム１８により互いに組み立てられて組立体を構成し、このような組立体が密閉容器２の内側の底面に支持スプリング２９により弾性支持されるように設置される。

さらに、密閉容器２の内部の底面には所定のオイルが充填され、組立体の下端にはオイルをポンピングするオイル供給装置３０が設置されるとともに、組立体の下側フレーム１８の内部には、オイルがピストン６とシリンダ４の間に供給されるように、オイル供給管１８ａが形成され、これによりオイル供給装置３０はピストン６が往復直線運動することによって発生する振動により動作してオイルをポンピングし、このようなオイルは、オイル供給管１８ａを介してピストン６とシリンダ４の間の間隙に供給されて冷却及び潤滑作用をする。

次に、シリンダ４は、ピストン６が往復直線運動できるように中空形状に形成されるとともに、一側に圧縮空間Ｐが形成され、流入管２ａの内側に一端が近接するように位置された状態で流入管２ａと同一直線上に設置されることが好ましい。

もちろん、シリンダ４は、流入管２ａと近接した一端の内部にピストン６が往復直線運動可能に設置され、流入管２ａと反対側の一端に吐出弁アセンブリ２４が設置される。

ここで、吐出弁アセンブリ２４は、シリンダ４の一端側に所定の吐出空間を形成するように設置される吐出カバー２４ａと、シリンダの圧縮空間Ｐ側の一端を開閉するように設置される吐出弁２４ｂと、吐出カバー２４ａと吐出弁２４ｂの間に軸方向に弾性力を付与する一種のコイルスプリングである弁スプリング２４ｃからなるが、シリンダ４の一端の内周にＯリングＲが嵌合されるように設置されて吐出弁２４ａがシリンダ４一端を密着させる。

さらに、吐出カバー２４ａの一側と流出管２ｂの間には屈曲形成されたループパイプ２８が連結設置されるが、ループパイプ２８は圧縮された冷媒が外部に吐出されるように案内するだけでなく、シリンダ４、ピストン６、リニアモータ１０の相互作用による振動が密閉容器２の全体に伝えられることを緩衝させる。

したがって、ピストン６がシリンダ４の内部で往復直線運動することによって、圧縮空間Ｐの圧力が所定の吐出圧力以上になると、弁スプリング２４ｃが圧縮されて吐出弁２４ｂを開放させて、冷媒が圧縮空間Ｐから吐出された後、ループパイプ２８及び流出管２ｂを通じて外部に完全に吐出される。

次に、ピストン６は流入管２ａから流入した冷媒が流動するように冷媒流路６ａが中央に形成され、流入管２ａと近接した一端が連結部材１７によりリニアモータ１０が直接連結されるように設置されるとともに、流入管２ａと反対側の一端に吸入弁２２が設置され、ピストン６の運動方向に各種スプリングにより弾性支持されるように設置される。

ここで、吸入弁２２は、薄板形状で、ピストンの冷媒流路６ａを開閉させるように中央部が一部切開されるように形成され、その一側がピストン６の一端にスクリューにより固定されるように設置される。

したがって、ピストン６がシリンダ４内部で往復直線運動することによって、圧縮空間Ｐの圧力が吐出圧力より低い所定の吸入圧力以下になると、吸入弁２２が開放されて冷媒が圧縮空間Ｐに吸入され、圧縮空間Ｐの圧力が所定の吸入圧力以上になると、吸入弁２２が閉じた状態で圧縮空間Ｐの冷媒が圧縮される。

特に、ピストン６は、運動方向に弾性支持されるように設置されるが、具体的には、流入管２ａと近接したピストン６の一端に、半径方向に突出されたピストンフランジ６ｂがコイルスプリング等のような機械スプリング８ａ、８ｂによりピストン６の運動方向に弾性支持され、流入管２ａと反対側の圧縮空間Ｐに含まれた冷媒がそれ自体の弾性力によりガススプリングとして作用し、ピストン６を弾性支持する。

ここで、機械スプリング８ａ、８ｂは、負荷とは関係なく、一定の機械スプリング定数Ｋｍを有するが、機械スプリング８ａ、８ｂは、ピストンフランジ６ｂを基準にリニアモータ１０に固定される所定の支持フレーム２６とシリンダ４に、各々軸方向に平行して設置されることが好ましく、支持フレーム２６に支持される機械スプリング８ａとシリンダ４に設置される機械スプリング８ａとが同一の機械スプリング定数Ｋｍを有するように構成されることが好ましい。

しかし、ガススプリングは、負荷に依存する変化するガススプリング定数Ｋｇを有するが、圧縮空間Ｐに含まれたガスは、周囲温度が高くなるほど冷媒の圧力が大きくなることによって、それ自体の弾性力が大きくなるため、ガススプリングは負荷が大きくなるほどガススプリング定数Ｋｇが大きくなる。

ここで、機械スプリング定数Ｋｍは一定である反面、ガススプリング定数Ｋｇは負荷に依存して変化するため、全体スプリング定数も負荷に依存して変化し、前述の式（１）に依存してピストンの固有周波数ｆｎもガススプリング定数Ｋｇに依存して変化する。

したがって、負荷が変化しても機械スプリング定数Ｋｍ及びピストンの質量Ｍは一定である反面、ガススプリング定数Ｋｇが変化するため、ピストンの固有周波数ｆｎは負荷に依存するガススプリング定数Ｋｇにより大きく影響を受けることになるが、このようなピストン６の固有周波数ｆｎが負荷によって変化するアルゴリズムを把握し、それによりリニアモータの運転周波数ｆｃがピストンの固有周波数ｆｎと同期するように制御するため、一層圧縮機効率を上げることができるだけでなく、負荷を迅速に解消できる。

負荷を測定する方法は多様であるが、このようなリニア圧縮機は、冷媒が圧縮、凝縮、蒸発、膨脹される冷凍／空調用サイクルに含まれるように構成されるために、負荷は冷媒が凝縮される圧力である凝縮圧と、冷媒が蒸発される圧力である蒸発圧の差で定義され、さらに一層精度を上げるために凝縮圧と蒸発圧を平均した平均圧を考慮して決定される。

すなわち、負荷は、凝縮圧と蒸発圧の差、及び平均圧に比例するように算出され、負荷が大きくなるほどガススプリング定数Ｋｇが大きくなるが、例えば、凝縮圧と蒸発圧の差が大きいほど負荷が大きくなって、凝縮圧と蒸発圧の差が同一であっても、平均圧が大きくなるほど負荷が大きくなるように算出され、このような負荷に対応してガススプリング定数Ｋｇが大きくなるように算出される。

ここで、負荷は、実際に、図５に示すように、凝縮圧に比例する凝縮温度及び蒸発圧に比例する蒸発温度を測定して、凝縮温度と蒸発温度の差、及び平均温度に比例するように算出される。

具体的には、機械スプリング定数Ｋｍ及びガススプリング定数Ｋｇは多様な実験により決定されるが、従来のリニア圧縮機に比べてがより小さい機械スプリング定数を有する、機械スプリングを適用することによって、全体スプリング定数に対するガススプリング定数の比率を高くして、負荷によってピストンの固有周波数が比較的に広い範囲で変動されるようにし、このように負荷によって変化するピストンの固有周波数に、リニアモータの運転周波数が容易に同期するように制御することができる。

次に、リニアモータ１０は、図６に示すように、複数個のラミネーション１２ａが円周方向に積層されるように構成されて、フレーム１８によりシリンダ４の外側に固定設置されるインナステータ１２と、コイルが巻かれるように構成されたコイル捲線体１４ａの周辺に、複数個のラミネーション１４ｂが円周方向に積層されるように構成されてフレーム１８によりシリンダ４の外側にインナステータ１２と所定の間隙をおいて設置されるアウタステータ１４と、インナステータ１２とアウタステータ１４の間の間隙に位置されてピストン６と連結部材１７により連結されるように設置される永久磁石１６からなるが、コイル捲線体１４ａは、インナステータ１２の外側に固定されるように設置されることができる。

特に、リニアモータ１０は、ピストンのストロークＳを多様に変化させることができるが、具体的には、コイル捲線体１４ａがピストン６の運動方向において二つ以上のコイル捲線区間Ｃ１、Ｃ２に分けられて、リニアモータ１０は少なくとも一つのコイル捲線区間に電流を印加して電磁気力を発生させるように構成されることが好ましい。

ここで、リニアモータ１０は、少なくとも一つのコイル捲線区間を選択して外部から入力される電流を印加する分岐手段１５と、負荷を判断して分岐手段１５を制御する制御手段１８をさらに含む。

この時、コイル捲線体１４ａは、各捲線区間Ｃ１、Ｃ２の長さが負荷によって変化するピストンのストロークＳに比例するように分けられ、各捲線区間Ｃ１、Ｃ２は、異なるインダクタンスＬを有するように構成することができるが、例えば、各捲線区間Ｃ１、Ｃ２にコイルの捲線数及び／又はコイルの太さが異なるように捲線することができる。

また、分岐手段１５はコイル捲線体１４ａの両端部、及び各コイル捲線区間の間の連結部に各々連結された連結端子１５ａ、１５ｂ、１５ｃのうち、二つを選択して電流を印加するスイッチ１５ｄとからなる。

また、制御手段１８は冷媒の凝縮温度及び蒸発温度の入力を受けて負荷を判断した後、その負荷の大きさによって分岐手段１５の動作を調節するが、負荷が大きくなるほどより多いコイル捲線区間Ｃ１、Ｃ２に電流が印加されるようにすることが好ましい。

もちろん、リニアモータ１０はピストンのストロークＳが変化しても、ピストン６が上死点まで到達して圧縮作用がなされるようにすることが好ましいが、具体的には、分岐手段１５はコイル捲線体１４ａの両端部のうち、上死点と近接した地点から分地された連結端子１５ａが、常に入力電流と連結されるように構成され、その以外の連結端子１５ｂ、１５ｃは、スイッチ１５ｄにより選択的に一つのみに連結されるように構成される。

例えば、本発明のリニアモータ１０は、コイル捲線体１４ａが上死点から第１、２コイル捲線区間Ｃ１、Ｃ２に分けられて、各捲線区間Ｃ１、Ｃ２には同じ太さのコイルが捲線されると共に、第１捲線区間Ｃ１の軸方向長さは、コイル捲線体１４ａの軸方向長さの３０〜８０％になるように構成されることが好ましい。

したがって、リニアモータ１０は比較的に負荷が大きく作用して高冷却力が要求される場合、第１、２捲線区間Ｃ１、Ｃ２の両方に電流が印加されるようにして、電磁気力がコイル捲線体１４ａの軸方向全長に亘って作用されるようにし、比較的負荷が小さく作用して低冷却力が要求される場合は、第１捲線区間Ｃ１のみに電流が印加されるようにして電磁気力がコイル捲線体１４ａの軸方向の一部のみに作用されるようにする。

以下、のような負荷によってリニアモータの動作を説明する。

本発明のリニアモータは、高冷却力が要求される場合、図７Ａに示すように高冷却力モードで運転されるが、負荷が大きく作用することによって、ピストンのストロークが大きくなって圧縮容量が増加されるため、迅速に負荷に対応することができる。

ここで、制御手段１８は、凝縮温度及び蒸発温度の入力を受けて負荷を判断し、その判断結果によって分岐手段１５を制御するが、スイッチ１５ｄがコイル捲線体の一端で分岐された連結端子１５ａ、１５ｂ、１５ｃと連結されるようにして、第１、２捲線区間に電流が印加されるようにし、第１、２捲線区間のコイルの周辺に電磁気力と永久磁石の磁力とが相互作用し、これに伴い永久磁石が上死点まで高冷却力モードのストロークを維持して往復直線運動しながら冷媒を圧縮するため、圧縮容量を高めことができる。

さらに、負荷が大きく作用することによってガススプリング定数が大きくなると同時に、ピストンの固有周波数も大きくなり、リニアモータの運転周波数も周波数推定アルゴリズムによりピストンの固有周波数に同期するように制御し、これによってリニア圧縮機は共振状態で運転が行えるようにして圧縮効率を高めることができる。

一方、本発明のリニアモータは低冷却力が要求される場合、図７Ｂに示すように低冷却力モードで運転されるが、負荷が大きく作用することによってピストンのストロークが少なくなるようにして、圧縮容量を低下させることによって負荷に率的に対応することができる。

ここで、制御手段１８は、凝縮温度及び蒸発温度の入力を受けて負荷を判断し、その判断結果によって分岐手段１５を制御するが、スイッチ１５ｄが第１、２捲線区間から分岐された連結端子と連結されるようにし、第１捲線区間にのみ電流が印加されるようにして、第１捲線区間のコイル周辺に発生する電磁気力と永久磁石の磁力が相互作用して、これによって永久磁石が上死点まで低冷却力モードのストロークを維持して往復直線運動しながら冷媒を圧縮するため、圧縮容量を低減することができる。

さらに、負荷が小さく作用することによって、ガススプリング定数が小さくなると同時に、ピストンの固有周波数も小さくなる。これに所定の周波数推定アルゴリズムにより図５に示すようなガススプリングのデータを利用してピストンの固有周波数を推定し、リニアモータの運転周波数をこの推定された固有周波数に同期させるように制御して、これによってリニア圧縮機は、共振状態で運転が行えるようにして圧縮効率を高めることができる。

以上、本発明を実施形態及び添付図面に基づいてムービングマグネット型のリニアモータが動作し、これと連結されたピストンがシリンダ内部で往復直線移動しながら冷媒を吸入、圧縮、吐出させるリニア圧縮機を例に上げて詳細に説明したが、本発明の範囲は、以上の実施形態及び図面によって制限されるのではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲に記載された内容によってのみ制限される。

従来技術によるリニア圧縮機の負荷に応じたストロークを示すグラフである。 従来技術によるリニア圧縮機の負荷に応じた効率を示すグラフである。 従来技術によるリニア圧縮機の運転モードによるストロークを示す構成図である。 本発明によるリニア圧縮機を示す断面図である。 本発明によるリニア圧縮機の負荷に応じたストロークを示すグラフである。 本発明によるリニア圧縮機の負荷に応じた効率を示すグラフである。 本発明によるリニア圧縮機の負荷に応じたガススプリング定数の変化を示すグラフである。 図２に示したリニアモータの構成を示す図面である。 本発明のリニア圧縮機の低冷却力モードでの運転状態を示す動作状態図である。 本発明のリニア圧縮機の高冷却力モードでの運転状態を示す動作状態図である。

Claims (15)

1. 内部に圧縮空間を含む固定部材と、
   前記固定部材内部で軸方向に往復直線運動しながら圧縮空間吸入された冷媒を圧縮させる可動部材と、
   前記可動部材を可動部材の運動方向に弾性支持するように設置され、負荷に依存してスプリング定数が変化する少なくとも一つのスプリングと、
   前記可動部材と連結されるように設置され、前記可動部材を軸方向に往復直線運動させて、その運転周波数及びストロークを負荷に依存して変化するように調節するリニアモータを含んで構成されることを特徴とするリニア圧縮機。
2. 前記リニア圧縮機は、冷凍／空調用サイクル内に設置され、前記負荷は冷凍／空調用サイクルで冷媒が凝縮される圧力（凝縮圧）と冷媒が蒸発される圧力（蒸発圧）の差に比例して算出されることを特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機。
3. 前記負荷は、さらに凝縮圧と蒸発圧の平均圧力（平均圧）に比例して算出されることを特徴とする請求項２に記載のリニア圧縮機。
4. 前記リニアモータは、前記運転周波数を負荷に比例して変化する可動部材の固有周波数に同期させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のリニア圧縮機。
5. 前記リニアモータは、負荷によってストロークが変化しても可動部材を上死点まで往復直線運動するように動作させることを特徴とする請求項４に記載のリニア圧縮機。
6. 前記リニアモータは、前記固定部材周辺を囲むように複数個のラミネーションが円周方向積層されるように構成されたインナステータと、インナステータの外側に所定の間隔をおいて位置されて、複数個のラミネーションが円周方向に積層されるように構成されたアウタステータと、インナステータ又はアウタステータのうち、いずれか一つに設置されて電流が流れることによって前記インナステータ又はアウタステータ間に電磁気力を発生するようにコイルが捲線されたコイル捲線体と、前記インナステータとアウタステータ間の間隙に位置されて前記可動部材と連結されるように設置され、コイル捲線体の電磁気力との相互作用により直線往復運動する永久磁石を含んでなることを特徴とする 請求項１〜５の何れか一項に記載のリニア圧縮機。
7. 前記コイル捲線体は、前記コイル捲線体の軸方向において二つ以上のコイル捲線区間に分けられて前記リニアモータは入力電流を少なくとも一つのコイル捲線区間を選択して電流を印加する分岐手段と、前記負荷によって前記分岐手段を制御する制御手段を含むことを特徴とする請求項６に記載のリニア圧縮機。
8. 前記分岐手段は、コイル捲線体の両端部及び各コイル捲線区間間の連結部のうち二つを選択して入力電流を印加することを特徴をする請求項７に記載のリニア圧縮機。
9. 前記分岐手段は、前記コイル捲線体の両端部のうち、何時も上死点に近接した端部を選択することを特徴とする請求項８に記載のリニア圧縮機。
10. 前記ストロークは前記電流が印加された捲線区間の軸方向長さに比例することを特徴とする請求項７又は９に記載のリニア圧縮機。
11. 前記コイル捲線体は各捲線区間が異なるインダクタンスを有するように構成されたことを特徴とする 請求項７〜１０の何れか一項に記載のリニア圧縮機。
12. 前記コイル捲線体は、各捲線区間にコイルの捲線数が異なるように配分されて捲線されたことを特徴とする請求項１１に記載のリニア圧縮機。
13. 前記コイル捲線体は、各捲線区間に異なる太さのコイルが配分されて捲線されたことを特徴とする請求項１１に記載のリニア圧縮機。
14. 前記コイル捲線体は、上死点から第１、２コイル捲線区間に分けられたことを特徴とする請求項７〜１３の何れか一項に記載のリニア圧縮機。
15. 前記第１捲線区間の軸方向長さは、コイル捲線体の軸方向長さの３０〜８０％になることを特徴とする請求項１４に記載のリニア圧縮機。

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