JP2017044212A - 共振リニアコンプレッサーの制御方法と冷却システムに適用される共振リニアコンプレッサーの電子制御システム - Google Patents

共振リニアコンプレッサーの制御方法と冷却システムに適用される共振リニアコンプレッサーの電子制御システム Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、共振リニアコンプレッサーに対する制御方法とシステムに関連する。【解決手段】方法は、以下のステップを有する。ａ）コンプレッサー（１００）の参照動作電力（Pref）を読み取る、ｂ）コンプレッサー（１００）のモーターの動作電流（iMED）を測定する、ｃ）コンプレッサー（１００）の制御モジュールの動作電圧を測定する、ｄ）ステップｂ）で測定された動作電流（iMED）及びステップｃ）で取得された動作電圧の関数として、コンプレッサー（１００）のモーターの入力電力（PMED）を計算する、ｅ）計算された入力電力（PMED）を参照動作電力（Pref）と比較する、ｆ）参照動作電力（PREF）が入力電力（PMED）より高い場合、コンプレッサー（ＵＣ）の動作電圧を増加させる、ｇ）参照動作電力が入力電力より低い場合、コンプレッサー（ＵＣ）の動作電圧を減少させる。【選択図】図４

Description

本発明は、共振リニアコンプレッサー（resonant linear compressor）の制御方法とシステムに関し、この装置は、冷却システムに適用されて、その能力（capacity）を制御する。
提案する解決方法は、最適化された制御を使用し、本質的には、コンプレッサーに対して提供される、及び／又は計算される参照電力と比較し、コンプレッサーの入力電力（inlet power）により支持される。
交互（alternating）ピストンコンプレッサーは、そのピストンの軸運動を通して、シリンダー内部のガスを圧縮することにより圧力を生成し、これにより、低圧側（吸入又は蒸発（evaporation）圧力）のガスは、吸入弁を通してシリンダー内に入る。
続いて、ガスは、ピストン運動を通してシリンダー内で圧縮され、圧縮後、吐出弁を通してシリンダーから高圧側（吐出又は凝縮（condensation）圧力）に出される。
共振リニアコンプレッサーにおいて、ピストンはリニアアクチュエータにより作動し、リニアアクチュエータは、可動部（ピストン、支持体及び磁石）を固定部（シリンダー、固定子（stator）、コイル、ヘッド及びフレーム）に接続する１以上のバネ、１以上のコイルにより作動する磁石及び支持体で形成される。可動部及びバネは、コンプレッサーの共振部分（assembly）を構成する。
そして、リニアモーターにより作動される共振部分は、リニア交互動作を起こす機能を有し、これは、シリンダー内部のピストン運動に、ガスが吐出弁を通して高圧側に吐出されるポイントまで、吸入弁を通して収容されたガスを圧縮するための圧縮動作を行わせる。
リニアコンプレッサーの動作の振幅（amplitude）は、モーターにより生成される電力（power）とガスを圧縮する機構により消費される電力とのバランスにより制御される。このように、ピストン変位（displacement）の最大振幅に対して決められた制限はなく、最大変位を測定又は推定する必要があり、これにより、制御システムは、コンプレッサーを安全に作動させることができ、ストローク終端に対するピストンの機械的衝突を防止することができる。この衝突は、コンプレッサーの効率の損失、音響雑音及び故障を引き起こす可能性がある。
共振リニアコンプレッサーのその他の重要な特性は、その作動周波数であり、このような装置の一部分は、組立品のいわゆるばね質量系の共振周波数において機能するよう設計されているからである。この条件において、装置の効率性は最大となり、総計の質量（mass）は、可動部（ピストン、支持体及び磁石）の質量の合計と等しく、いわゆる等価バネは、システムの共振バネの合計にガス圧縮力により生成されたガスバネを足したものに等しい。
ガス圧縮力は、可変で非線形のバネと同様の振る舞いを持ち、冷却システムの蒸発及び凝縮圧力に依存し、更にシステムで使用されるガスに依存する。
システムが共振周波数で動作するとき、モーター電流は変位に対して直交位相となり、又はモーター電流はモーターの逆起電力と同相となり、これは、後者が変位から導出されるそれに比例するからである。
作動周波数は、共振周波数に調整されるため、冷却能力を変えるために、ピストン変位の振幅を変えることが必要であることが知られており、このため、サイクル当たりのガス体積（volume）変動及びコンプレッサーの冷却能力が変わる。
能力を制御するための従来技術において、現在有効な多くの解決方法は、最大変位を制御しているシステムにストロークを測定又は推定する解決方法を結合するもので、冷却能力を変更するためにこの変位を調整する。
このため、コンプレッサーストロークを得るために提案された解決方法は、位置センサーを使用することであり、このような解決方法は、PI0001404-4、PI0203724-6、US 5,897,296、JP 1336661及びUS 5,897,269に記載されている。
指摘すべきこととして、ストロークを測定するための位置センサーを用いた全ての解決方法は、より大きな複雑性、より上昇した（elevated）ストロークを有し、加えて多数の配線及びコンプレッサーへの外部接続を必要とする。冷却コンプレッサーは、密封型であり、高い温度と圧力を受ける可能性があるため、追加の接続に対する必要性は非常に困難であり、更に、コンプレッサーの内部環境が広範な温度変動をも受けるという事実が、同様に、センサーの使用を困難にしている。更に、生産の間、又はセンサーを機能させている間、センサーを調整する（calibrate）処理が必要となる。
その他の解決方法では、特許公報US 5,342,176、US 5,496,153、US 4,642,547のように、位置センサーを使用しない。US 6,176,683、KR 96-79125及びKR 96-15062も、上記の３つの解決方法と同様に、位置センサーをその目的に採用しない。
位置センサーを使用しないこれら解決方法の幾つかは、複雑なシステムであり、動作の周波数を変える、又は波形を変形することを可能にする周波数及び出力を規定することができるセンサーを必要とする。これらの技術は、例えば、US 2003/108430 A1、US 2001/005320 A1、US 2007/095073 A1及びUS 2004/108824 A1に見ることができる。
このため、位置センサーなしの解決方法は、高い正確性又は動作安定性を有し、そして、一般的に、衝突を検出するための温度センサー又は加速度計などのその他タイプのセンサーを必要とすることを指摘しなければならない。更に、コンプレッサーの構造は、コンプレッサーをより機械的衝突に対し抵抗力のあるものにする機械的な解決方法も必要とし、これは、一般的に、コンプレッサーの性能を損なわせ、又は費用追加をもたらす。
上記に対して、本発明は、共振コンプレッサーにおける制御方法とシステムを提供することを目的として提案され、これは、冷却システムの能力を制御することにおいて、装置のより効率的及びより最適な制御を提供することを可能にする。
本発明の第１の目的は、共振リニアコンプレッサーにおける制御方法を提供することであり、装置能力の制御を提供することを可能にする。
本発明の第２の目的は、リニアコンプレッサーにおける電子制御システムを提供することであり、特に、冷却システムに適用され、後者は、変位振幅の広い範囲に対し、ピストンストロークを推定するためのセンサー又は複雑な方法の必要性を取り除くことを可能にする。
本発明の更なる目的は、コンプレッサーの最終的な費用を削減するための制御方法とシステムを提供することである。
更に、本発明の目的は、コンプレッサーの雑音ピークを減らし、その動作安定性を改善することである。
最後に、本発明のその他の目的は、制御の大量生産において、従来の解決方法と比較し、簡単な解決方法を実装することである。
本発明の目的を達成するための方法は、共振リニアプロセッサーにおける制御方法を提供することによるものであり、冷却システムに適用され、このような方法は以下のステップを有する。
ａ）コンプレッサーの参照動作電力を読み取るステップ、
ｂ）コンプレッサーモーターの動作電流を測定するステップ、
ｃ）コンプレッサーの制御モジュールの動作電圧を測定するステップ、
ｄ）ステップｂ）で測定された動作電流、及びステップｃ）で得られた動作電圧の関数として、コンプレッサーモーターの入力電力（inlet power）を計算するステップ、
ｅ）前記ステップで計算された入力電力を参照動作電力と比較するステップ、
ｆ）参照動作電力が入力電力より高い場合、コンプレッサーの動作電圧を増加させるステップ、
ｇ）参照動作電力が入力電力より低い場合、コンプレッサーの動作電圧を増加させるステップ。
本発明の目的を達成するための第２の方法は、冷却システムに採用される共振リニアコンプレッサーにおける電子制御システムを提供することによるものであり、共振リニアコンプレッサーは、電子モーターと変位ピストンを有し、コンプレッサーの電子モーターは、コンプレッサーの動作電圧から作動され、システムは、コンプレッサーの電子モーターの動作電流を測定するよう構成された電子処理デバイスを有し、処理デバイスは、測定されたモーターの動作電流の関数としてコンプレッサーの入力電力を供給し、この入力電力を参照動作電力値と比較するよう構成され、システムは、入力電力と参照動作電力との間で計算された電力の差分からコンプレッサーの動作電圧を増加又は減少させるよう構成される。
本発明は、添付の図面を参照して、より詳細に記載される。
共振リニアプロセッサーを表す図である。 本発明の冷却システムの制御のブロックダイアグラムを示す図である。 本発明の電子制御の簡潔化したブロックダイアグラムを示す図である。 本発明の教示に従い、インバーターによる作動を伴う制御のブロックダイアグラムを示す図である。 トライアック（TRIAC）タイプのデバイスによる作動を伴う制御のブロックダイアグラムを示す図である。 本発明の制御システムのフローチャートを示す図である。 本発明に従い、電力による制御対ストロークによる制御において、吐出圧力の波形を示し、電力と最大ピストン変位を確認する図である。
上記のように、能力を制御するために採用される多くの解決方法は、最大ピストン変位を制御するシステムに、既知の測定技術、又はストローク推定を組み合わせるもので、システムの冷却能力において動作するようこの変位を調整する。
更に、このような技術は、多くの場合において、ピストンストロークを測定するため、位置センサーの使用を考慮しており、このため、最終製品における費用の多大な増加となる。
これに対し、位置センサーなしの解決方法は、高い正確性又は動作安定性を持たず、時には、衝突検出のための温度センサーや加速度計などの追加のデバイスを使用する必要がある。この構成は、より高い費用とより長い保守時間を必要とする装置の一部分を意味する。
本発明は、図１に示されるコンプレッサーなど、共振リニアコンプレッサー１００を制御するための革新的な方法とシステムを用いる。制御方法は、冷却システムに好適に採用され、以下のステップに従い動作する。
ａ）コンプレッサー１００の参照動作電力Prefを読み取るステップ、
ｂ）コンプレッサー１００モーターの動作電流IMEDを測定するステップ、
ｃ）コンプレッサー１００の制御モジュールの動作電圧を測定するステップ、
ｄ）ステップｂ）において測定された動作電流IMEDとステップｃ）において取得された動作電圧の関数として、コンプレッサー１００モーターの入力電力PMEDを計算するステップ、
ｅ）上記ステップで計算された入力電力PMEDを参照動作電力Prefと比較するステップ、
ｆ）参照動作電力Prefが入力電力PMEDより高い場合、コンプレッサーＵＣの動作電圧を増加させるステップ、
ｇ）参照動作電力Prefが入力電力PMEDより低い場合、コンプレッサーＵＣの動作電圧を減少させるステップ。
参照動作電力Prefは、最終の装置の操作者又はユーザーを介して、本システムに読み取られる、又は提供される。さもなければ、動作電力Prefは、図２に示されるように、冷却システムの電子サーモスタットからの信号の関数として計算される。
同図は、冷却システムの制御のブロックダイアグラムを示し、ここで提案する目的物（object）を正しく機能させるために必要な主なブロック又は動作ステップを挙げている。
次に、図３は、より簡略化したブロックダイアグラムを示し、本発明のシステムの本質的なステップを示している。
指摘すべきこととして、本制御方法は、その他のやり方において、更に以下のステップを有する。
ｈ）コンプレッサー１００のピストン変位値Dpisを検出するステップ、
ｉ）ピストン変位値Dpisと最大変位値DPmaxを比較するステップ、
ｊ）ピストン変位値Dpisが最大変位値DPmaxより高いかどうかを検査し、そうであれば、一連の先のステップｄ）、ｅ）及びｆ）を実行するステップ、
ｋ）ピストン変位値Dpisが最大変位値DPmaxより低いかどうかを検査し、そうであれば、コンプレッサーＵＣの動作電圧を減少させるステップ。
図６は、フローチャートにより、提案する制御方法に含まれる主なステップを示す。
ステップｊ）及びｋ）は、ピストンストローク限界を保護し、又は検出し、これにより、ピストンのストローク端とのピストンの衝突を防止するよう、システムを予測するために採用される。本アプリケーションにおいては、必然的な中間の変位値よりむしろ、ストロークが、システムの保護に対する最大限界に達しているか否かを評価することが重要である。
本発明の範囲において、コンプレッサー１００の動作電流iMEDを測定すること、及び処理電子デバイス２００を通して、入力電力PMEDを計算することが更に予測される。
制御モジュール、又は電子電力デバイス３００と連動し、電子デバイス２００は、本発明の教示内において、共振リニアコンプレッサー１００の電子モーターを動作させる。
より詳細には、コンプレッサーＵＣの動作電圧は、電子電力デバイス３００から増加又は減少され、後者はインバーター又はトライアック（TRIAC）タイプのものである。図４及び５は、本方法における電力ステップに対する２つの可能な実施例を示す。
続いて、図７は、全制御方法のフローチャートを示し、冷却システムの能力制御における本質的なステップを包含している。
本発明の趣旨は、特に冷却システムに適用される共振リニアコンプレッサー１００に対する電子制御システムを更に予測する。
本システムは、共振リニアコンプレッサー１００が電子モーター及び変位ピストンを有するという事実を考慮し、このため、コンプレッサー１００の電子モーターが、コンプレッサーＵＣの動作電圧から作動されるであろう。
より広い様式において、提案するシステムは、上で既に記載した方法のステップに従い動作する。
指摘すべきこととして、本システムは、処理電子デバイス２００を有し、コンプレッサー１００の電子モーターの動作電流を測定するよう構成される。
その一方で、処理デバイス２００は、測定されたモーター動作電流の関数としてコンプレッサー１００の入力電力PMEDを供給し、この入力電力PMEDを参照動作電力Pref値と比較するよう構成される。
開発した方式に沿って、本システムは、入力電力PMEDと参照動作電力Prefとの間で計算された電力差分Difpotから、コンプレッサーＵＣの動作電圧を増加又は減少させるよう構成される。
コンプレッサーＵＣの動作電圧は、図４及び５に示されるように、インバーター又はトライアックタイプの電子電力デバイス３００から増加又は減少される。
好ましくは、処理電子デバイス２００は、全システムのデジタル制御に対して構成される。
更に、指摘すべきこととして、コンプレッサーＵＣの動作電圧の調整は、参照動作電力Prefと入力電力PMEDとの比較から与えられる。
更なる詳細において、指摘すべきこととして、参照動作電圧Prefが入力電力PMEDより高いとき、コンプレッサーＵＣの動作電圧は増加される。同様に、参照動作電力Pref値が入力電力PMEDより低い条件において、コンプレッサーＵＣの動作電圧は減少される。
より好適には、コンプレッサーＵＣの動作電圧は、パルス幅変調制御ＰＷＭから増加又は減少される。しかし、その他タイプの制御信号を、本発明の教示に従い、全システムの機能への損失なしに採用することができる。
上記のように、本発明の趣旨は、共振リニアプロセッサーにおける制御方法とシステムを用いて目的を達成することであり、広範囲の変位振幅に対して、ピストンストロークを推定するためのセンサー又は複雑な方法の必要性を取り除くことを可能にする。
更に、指摘すべきこととして、本発明は、現在利用可能な解決方法と比較して、コンプレッサーの費用を削減することに加え、コンプレッサーの起こり得る雑音ピークを減らすことを更に可能にし、また、コンプレッサーの動作安定性を改善する。このような安定性は、同一参照に対して一定を維持する同一電力を達成する。
最後に、更に言及すべきことは、本発明の教示に従い、コンプレッサーの始動の間の圧力ピークが減少し、一方、以前に一般的に採用されたストローク制御技術とは異なり、電力は一定に維持され、ストローク制御技術は、図７に示されるように、消費ピーク及び吐出圧力における「オーバーショット（overshot）」を生成する。言及すべきこととして、始動における高雑音の生成に寄与する圧力ピークを更に削減するため、本発明の教示に従い、電力に対する傾斜（ramp）を導入することが可能であり、圧力における「オーバーショット」を更に制限する。
好適な実施例を記載したが、本発明の範囲は、その他可能な変更を包含するものであり、特許請求の範囲の内容によってのみ制限され、可能な等価物を含むことを理解すべきである。

Claims (10)

  1. 冷却システムに適用される共振リニアコンプレッサー（１００）の制御方法であって、該方法は、次のステップ
    ａ）前記コンプレッサー（１００）の参照動作電力（Pref）を読み取るステップ、
    ｂ）前記コンプレッサー（１００）のモーターの動作電流（iMED）を測定するステップ、
    を有し、
    以下のステップ
    ｃ）前記コンプレッサー（１００）の制御モジュールの動作電圧を測定するステップ、
    ｄ）前記ステップｂ）で測定された前記動作電流（iMED）及び前記ステップｃ）で取得された前記動作電圧の関数として、前記コンプレッサー（１００）の前記モーターの入力電力（PMED）を計算するステップ、
    ｅ）前記のステップで計算された前記入力電力（PMED）を前記参照動作電力（Pref）と比較するステップ、
    ｆ）前記参照動作電力（Pref）が前記入力電力（PMED）より高い場合、前記コンプレッサー（ＵＣ）の動作電圧を増加させるステップ、
    ｇ）前記参照動作電力（Pref）が前記入力電力（PMED）より低い場合、前記コンプレッサー（ＵＣ）の前記動作電圧を減少させるステップ、
    を更に有する、制御方法。
  2. 以下のステップ
    ｈ）前記コンプレッサー（１００）のピストン変位値（Dpis）を検出するステップ、
    ｉ）前記ピストン変位値（Dpis）を最大変位値（DPmax）と比較するステップ、
    ｊ）前記ピストン変位値（Dpis）が前記最大変位値（DPmax）より小さい場合、一連の前記ステップｅ）、ｆ）及びｇ）を実行するステップ、
    ｋ）前記ピストン変位値（Dpis）が前記最大変位値（DPmax）より大きい場合、前記コンプレッサー（ＵＣ）の前記動作電圧を減少させるステップ、
    を更に有する、請求項１に記載の制御方法。
  3. 前記コンプレッサー（１００）の前記モーターの動作電流（iMED）の前記測定、及び入力電力（PMED）の前記計算は、処理電子デバイス（２００）上で実行される、請求項１又は２に記載の制御方法。
  4. 前記コンプレッサー（ＵＣ）の前記動作電圧は、インバーター又はトライアックタイプの電子電力デバイス（３００）から増加又は減少される、請求項１に記載の制御方法。
  5. 冷却システムに適用される共振リニアコンプレッサー（１００）の電子制御システムであって、前記共振リニアコンプレッサー（１００）は、電子モーターと変位ピストンを有し、前記コンプレッサー（１００）の前記電子モーターは、前記コンプレッサー（ＵＣ）の動作電圧から作動され、前記システムは、処理電子デバイス（２００）を有し、前記処理電子デバイス（２００）は、前記動作電圧及び前記コンプレッサー（１００）の前記電子モーターの動作電流を測定し、前記測定された動作電圧及び前記モーターの動作電流の関数として、前記コンプレッサー（１００）の入力電力（PMED）を供給し、前記入力電力（PMED）を参照動作電力（Pref）と比較するように構成され、前記システムは、前記入力電力（PMED）と前記参照動作電力（Pref）との間で計算された電力差（Difpot）から前記コンプレッサー（ＵＣ）の前記動作電圧を増加又は減少させるよう構成される、共振リニアコンプレッサーの電子制御システム。
  6. 前記コンプレッサー（ＵＣ）の前記動作電圧は、インバーター又はトライアックタイプの電子電力デバイス（３００）から増加又は減少される、請求項５に記載の共振リニアコンプレッサーの電子制御システム。
  7. 前記処理電子デバイス（２００）は、デジタル制御に対し構成される、請求項５に記載の共振リニアコンプレッサーの電子制御システム。
  8. 前記コンプレッサー（ＵＣ）の前記動作電圧は、前記入力電力（PMED）より高い前記参照動作電力（Pref）に対して増加される、請求項５に記載の共振リニアコンプレッサーの電子制御システム。
  9. 前記コンプレッサー（ＵＣ）の前記動作電圧は、前記入力電力（PMED）より低い前記参照動作電力（Pref）に対して減少される、請求項５に記載の共振リニアコンプレッサーの電子制御システム。
  10. 前記コンプレッサー（ＵＣ）の前記動作電圧は、パルス幅変調制御から増加又は減少される、請求項５に記載の共振リニアコンプレッサーの電子制御システム。
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