JP3989901B2 - リニアモータ用制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、これには限定されるものではないが、特に冷蔵庫用圧縮機を駆動するリニアモータ用の制御装置に関する。

リニア圧縮機用モータは、可動コイル又は可動磁石で動作し、クランクシャフトを採用しているより従来型の圧縮機とは異なりストロークの大きさが一定でないので、例えば圧縮機のピストンに連結されるとストロークの大きさについて厳密な制御が必要になる。圧縮中の流体に対してモータ出力が高すぎると、ピストンがこれを収納しているシリンダヘッドと衝突することがある。

本出願人は、国際公開ＷＯ第０１／７９６７１号パンフレットにおいて、圧縮機に流入する冷媒の特性と関連してモータ出力を制限するフリーピストン圧縮機用制御システムを開示した。しかしながら、フリーピストン冷蔵システムには、実際のピストンの衝突を検出し、これに応答してモータの出力を減少させるのが有用なものがある。この方式は純粋に、何らかの理由で過度のモータ出力が発生した場合に圧縮機の損傷を防止するため、または、高い容積効率を確保する一手段として利用することができる。後者と関連して具体的に説明すると、ピストンが最小ヘッドクリアランス容積で動作するように、ピストン衝突が起こすよりも僅かに低いレベルに出力を設定した状態で圧縮機を駆動することができる。ヘッドクリアランス容積を最小限に抑えることにより、容積効率が増大する。

本発明の目的は、上述の要望を達成するリニアモータ制御装置を提供することにある。

従って、本実施形態の１態様によれば、概略的には、フリーピストンガス圧縮機であって、
シリンダと、
該シリンダ内で往復自在なピストンと、
ピストンに誘導結合された少なくとも１つの励磁巻線を有する往復リニア電気モータと、
前記ピストンの往復時間の測定値を得る手段と、
前記往復時間の突然の減少検出する手段と、を備え、
前記減少は、前記ピストンがシリンダヘッドに衝突したことを示すものであり、
前記圧縮機はさらに、
検出された往復時間の突然の減少に応答して前記励磁巻線への入力を調節する手段を、備えている、ことを特徴とするフリーピストンガス圧縮機が提供される。

前記モータは、電子的に整流される永久磁石ＤＣモータであるのが好ましい。
圧縮機は、励磁電流が流れていないときに、前記少なくとも１つの励磁巻線中に誘導されるバックＥＭＦをサンプリングするバックＥＭＦ検出手段と、前記バックＥＭＦ検出手段の出力端に接続された零交差検出手段と、前記零交差間の時間間隔を決定して、前記ピストンの往復動の各半周期を決定するタイミング手段と、連続する２つの半周期を合計し前記往復動の時間を算出する手段と、をさらに有しているのが好ましい。

前記往復時間の突然の減少を検出する前記手段は、前記半周期の時間から別々の濾波又は平滑化された値を生成する手段と、前記２つの濾波又は平滑化された値を合計して往復時間の平滑化された値を生成する手段と、直近に測定された往復時間を前記往復時間の平滑化された値と比較して差値を算出する手段と、該差値が所定しきい値を所定期間にわたって越えているか否かを判定する手段と、を備えているのが好ましい。

圧縮機は、前記入力電力の減少に応答して、前記モータへの入力電力を所定期間にわたって段階的に増大させる手段を更に備えているのが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、リニアモータのアーマチャの往復運動を制御する方法であって、
前記アーマチャの往復時間を決定するステップと、
前記往復時間の突然の減少を検出するステップと、
検出された往復時間の減少に応答して前記リニアモータへの電力入力を減少させるステップと備えている、ことを特徴とする方法が提供される。

前記往復時間を求めるステップは、前記リニアモータのバックＥＭＦの零交差を検出し、前記零交差間の時間間隔から往復時間を決定するステップを備えているのが好ましい。

前記往復時間の突然の減少を検出するステップは、濾波または平滑化された値から往復時間を検出し差値を生成し、該差値が所定閾値を所定時間にわたり越えていれば前記リニアモータへの入力電力を減少させるステップを備えているのが好ましい。
前記モータへの入力電力の減少に引き続いて、往復時間の突然の減少が再度、検出されるまで、モータ電力を一定期間にわたり段階的に増大させるのが好ましい。

当業者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の構成及び種々の実施形態並びに用途の多くの変更を想到できよう。
本明細書における開示及び説明は、例示に過ぎず、本発明をいかなる意味においても限定するものではない。
本発明は、前記の内容にあり、又、以下の実施形態の構成を含む。次に、本発明の好ましい一形態を添付の図面を参照して説明する。

本発明は、図１に示されているタイプのリニアモータ駆動のフリーピストン圧縮機を制御する方法を提供する。第１に、本発明は、米国特許第４，６０２，１７４号明細書に記載されたタイプの従来型リニアモータと比べてサイズが減少しており、低コストである。この変更により、高電力出力では僅かに効率が低下するが、低〜中レベルの電力出力では効率が高く維持される。これは、一日の大部分では低〜中レベルの電力出力で動作し、（冷凍機内容物を頻繁な出し入れしたとき、又は非常に温度の高い日で生じる）一日の２０％に満たない時間の高電力出力で動作する家庭用冷蔵庫の圧縮機に関しては受け入れることができる妥協策である。第２に、本発明は、外部センサを不要にしながら最適効率の作動を可能にする制御方式を用い、これによってもサイズ及びコストが減少する。

以下の説明においては、本発明を筒形リニアモータと関連して説明するが、この方法は、リニアモータ一般に、特に例えば本出願人の同時係属中の国際出願第ＰＣＴ／ＮＺ００／００２０１号明細書に記載されたフラット形リニアモータにもそのまま適用でき、この国際出願明細書の記載内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに援用する。当業者であれば、本明細書において説明した制御方式を任意の形態のリニアモータに応用する上で特別な努力は必要としないであろう。

図１に示されている圧縮機は、往復フリーピストン圧縮機に連結された永久磁石リニアモータを含む。シリンダ９が圧縮機シェル３０内の円筒状バネ１４によって支持されている。ピストン１１は、シリンダボア及びばねマウント２５によりそのばね１３により形成された軸受によって半径方向に支持されている。軸受は、当該技術分野において知られているように、例えば、本出願人の同時係属国際出願第ＰＣＴ／ＮＺ００／００２０２号明細書に記載されたガス軸受、又は、国際公開第ＷＯ００／２０５３６号パンフレットに記載されたオイル軸受において知られているような、多くの方法の１つで潤滑可能であり、これら特許文献の両方の記載内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに援用する。本発明は、別の往復システムにそのまま適用できる。例えば、以下において圧縮機を組合せ型ガス／機械ばねシステムに沿って説明するが、全部が機械式、又は、全部がガス式のばねシステムを本発明に用いることができる。

シリンダ９内でのピストン１１の往復により、ガスが、吸込み管１２を通り、吸込みポート２６を通り、吸込みマフラー２０を通り、そして弁板２１の吸込み弁ポート２４を通って圧縮空間２８内に引き込まれる。圧縮されたガスは次に、吐出し弁ポート２３を通って出て、吐出しマフラー１９内で消音され、そして吐出し管１８を通って出る。

圧縮機用モータは、２部品構成のステータ５，６及びアーマチャ２２を有している。ピストン１１の往復させる力は、（フランジ７によりピストン１１に取り付けられている）アーマチュア２２内の２つの環状の半径方向に磁化された永久磁石３，４と、（ステータ６及びコイル１，２によって誘発される）空隙３３内の磁界との相互作用により得られる。

図１に示されていて、図２に単独で示された本発明の２コイル形の実施形態では、電流がコイル１中を流れ、それにより磁束が生じ、この磁束は、ステータ６の内部に沿って軸方向に流れ、ステータ端歯３２を通って半径方向外方に流れ、空隙３３を横切って流れ、次に地鉄５に入る。次に、この磁束は、短い距離２７にわたり軸方向に流れ、その後空隙３３を横切って半径方向内方に流れ、そしてステータ６の中央歯３４に戻る。第２のコイル２は、中央歯３４を通って半径方向に流れ、空隙を横切り、そして短い距離２９だけ軸方向に流れ、空隙３３を通って外方に流れ、端歯３５に流入する磁束を生じさせる。磁束が歯３２から空隙３３を横切ることにより、磁石３の磁化が他方の磁石４と逆の極性のものであれば、半径方向に磁化された磁石３，４に加わる軸方向力が誘起される。地鉄５の代わりに、磁石の互いに反対側の側部に別の組をなすコイルを設けることが同様に可能である。

コイル１，２中の（必ずしも正弦波である必要は無い）振動電流により、磁石３，４に加わる振動力が生じ、この振動力は、振動数又は振動周波数が機械系の固有振動数に近ければ、磁石とステータとを実質的に相対運動させる。この固有振動数は、ばね１３，１４の剛性とシリンダ９及びステータ６の質量によって決まる。磁石３，４に加わる振動力は、ステータ部品に加わる反力を生じさせる。したがって、ステータ６は、接着剤、焼嵌め又はクランプ等によりシリンダ９にしっかりと取り付けられなければならない。地鉄は、ステータマウント１７にクランプされ又は結合される。ステータマウント１７は、シリンダ９にしっかりと連結されている。

図３に示す本発明の単一コイル形の圧縮機では、コイル１０９中の電流により磁束が生じ、この磁束は、内部ステータ１１０の内側に沿って軸方向に流れ、１つの歯１１１を通って半径方向外方に流れ、磁石間隙１１２を横切って流れ、次に地鉄１１５に入る。次に、この磁束は、短い距離軸方向に流れ、その後磁石間隙１１２を横切って半径方向内方に流れて外側の歯１１６に戻る。このモータでは、磁石１２２全体は、その半径方向磁化の際同一の極性を持っている。

制御方式
フリーピストン圧縮機は、圧縮機ピストン−ばね系の固有振動数で駆動された場合に最も効率が高いことが実験でわかった。しかしながら、注意深く設けられた金属ばねと同様、固有のガスばねがあり、その有効ばね定数は、冷凍用圧縮機の場合、蒸発器圧力又は凝縮器圧力の何れかが変化するにつれて変化する。既に説明した電子的に整流される永久磁石モータは、例えば国際公開第ＷＯ０１／７９６７１号パンフレットに開示されているような電子的に整流される永久磁石モータにおいて本出願人の経験するところから引き出された技術を含む技術を用いて制御される。なお、この国際公開パンフレットの開示内容を本明細書の一部を形成するものとして援用する。

リニアモータを国際公開第ＷＯ０１／７９６７１号パンフレットに記載されているように制御する場合、圧縮機入力電力が、ピストン（１１，図１）の規定外の運動の結果として、シリンダ（９，図１）との衝突が生じるレベルまで増大することがある。このような自体が生じると（最初の衝突３０２）、ピストン往復周期３００が、濾波又は平滑化された値３０８と比べて減少する。ピストン周期は下死点と上死点の間の２つの半周期３０４，３０６で構成されているので、半周期は対称的ではないことがより重要である。２つの半周期は、ピストン衝突が生じる場合（２回目の衝突３１０）にはいつでも時間的に短くなるが、ヘッド３０４から遠ざかる半周期は、ヘッド３０６に近づく半周期よりも短い。本発明の好ましい実施形態では、半周期時間をモニタすることによって衝突センサが設けられ、半周期時間の減少が検出され衝突したことが分かると、これに応答して、入力電力が減少させられる。

また、本発明は種々の用途にそのまま適用できる。任意の往復リニアモータでは、往復の最大振幅を制限し又は制御することが望ましい。本発明を適用する場合、このシステムは、往復動を生じさせる復元力たとえばばね系又は重力と、或る往復振幅に達したとき電気的往復周期に変化を生じさせる機械又は電気システムの或る変化とを必要とする。

図４に示す本発明の好ましい実施形態では、バックＥＭＦ検出は、電気的往復周期を検出するために用いられる。上述したように、電流制御装置２０８は、圧縮機２１０、バックＥＭＦ検出器２０４及び衝突検出器２０６からの入力信号を受ける。本発明の好ましい実施形態では、電流制御装置２０８、バックＥＭＦ検出器２０４及び衝突検出器２０６は、マイクロプロセッサ２１２に格納されたソウフトウェアで実現されるが、これらは、単一のモジュール又は別個のアナログ回路構成で等しく実現できる。衝突検出器２０６は、バックＥＭＦ検出器２０４からの電気的周期データを受け、それによりオーバーシュート、より具体的には、ピストンとシリンダの衝突を検出できる。電流制御装置２０８は、駆動回路２００によりステータ巻線２０２に適用されるデューティ周期を介して最大電流を調節する。

本発明を利用したリニアモータ中における波形例が図６に示され、ここでは、モータ巻き線電圧の波形（先頭部分が参照番号４００で示される）とモータ電流の波形（先頭部分が参照番号４０２で示される）とが示されている。ステータ巻き線電圧は、膨張ストロークの初期に時刻ｔ_on(ex)まで完全に正である。電圧が０にされると、電流４０２は、時刻ｔ_off1(ex)で０になり、ステータ巻線電圧は、巻線中を流れる電流により完全に負になる（４０３）。膨張ストロークの残りの期間では、時刻ｔ_off2(ex)では、巻線電圧は、アーマチャ内で誘導されたバックＥＭＦ４０４を表し、その零交差は、膨張ストロークの終わりでピストン速度が０であることを表している。これと同様なパターンが圧縮ストローク中に生じ、圧縮中、時刻ｔ_off2(comp)をバックＥＭＦ４０６の零交差に関連させ、これから往復時間を計算することができる。

好ましい実施形態において衝突検出器２０６が衝突を検出するために用いられる方法が図５に示されている。バックＥＭＦ零交差データを用いて、連続した半周期時間を記憶させ（５０４）、各半周期について平滑化又は濾波値を計算する（５００，５０２）。これら平均を合計し（５０６）、その和を急な減少があるかどうかについてモニタする。この処理は、この合計を、直近に測定された２つの半期時間の合計と比較する。もし、この差が値Ａを越えていれば（５０８）、衝突が推定される。種々の理由によるノイズ信号があるので、１回の値Ａを越える過渡的な減少がピストンの衝突を示していると考えるのは妥当ではない。値Ａを越える減少の連続数Ｂが必要となる。変数Ｂ（５０８）は、連続５周期に設定されるのが好ましい。しきい値である差値Ａは、３０マイクロ秒に設定されるのが好ましい。

衝突が検出されると（５１０，図５）、電流制御装置（２０８，図４）は、電流の大きさを減少させる。電流、即ち、モータへの入力電力に対する減少が小刻みに減少させられる。衝突がなくなると、電流値が或る期間にわたりその前の値までゆっくりと増大させられる。好ましくは、この期間は、約１時間である。変形例として、電流は、システム変数が著しく変わるまで減少状態のままであろう。国際公開第ＷＯ０１／７９６７１号パンフレットに記載されているシステムが主電流制御装置アルゴリズムとして用いられている一実施形態では、かかるシステムの変化は、定められた最大電流の変化によりモニタされる。この場合、かかる変化は、振動数又は蒸発器温度の変化に応答することになろう。好ましい実施形態では、監視役割を提供するこのアルゴリズムと本発明の組合せにより、従来技術と比べて容積効率が向上する。

本発明の直線運動形圧縮機の断面図である。 本発明の二重コイルリニアモータを単独で示す断面図である。 単一コイルリニアモータの断面図である。 本発明のフリーピストン蒸気圧縮機及び関連の制御装置のブロック図である。 制御装置によって用いられる制御プロセッサを示す流れ図である。 圧縮機用モータのバックＥＭＦと時間との関係を表すグラフ図である。 ピストン往復周期と時間との関係を表すグラフ図である。

Claims (9)

1. フリーピストンガス圧縮機であって、
   シリンダと、
   該シリンダ内で往復自在なピストンと、
   ピストンに誘導結合された少なくとも１つの励磁巻線を有する往復リニア電気モータと、
   前記ピストンの往復時間の測定値を得る手段と、
   前記往復時間の突然の減少を検出する手段と、を備え、
   前記減少は、前記ピストンがシリンダヘッドに衝突したことを示すものであり、
   前記圧縮機はさらに、
   検出された往復時間の突然の減少に応答して前記励磁巻線への入力を調節する手段を、備えている、
   ことを特徴とするフリーピストンガス圧縮機。
2. 前記モータは、電子的に整流される永久磁石ＤＣモータである、
   請求項１に記載のフリーピストンガス圧縮機。
3. 前記ピストンの往復時間の測定値を得る手段が、
   励磁電流が流れていないときに、前記少なくとも１つの励磁巻線中に誘導されるバックＥＭＦをサンプリングするバックＥＭＦ検出手段と、
   前記バックＥＭＦ検出手段の出力端に接続された零交差検出手段と、
   前記零交差間の時間間隔を決定して、前記ピストンの往復動の各半周期を決定するタイミング手段と、
   連続する２つの半周期を合計し前記往復動の時間を算出する手段と、を有している、
   請求項１又は２に記載のフリーピストンガス圧縮機。
4. 前記往復時間の突然の減少を検出する前記手段は、前記半周期の時間から別々の濾波又は平滑化された値を生成する手段と、前記２つの濾波又は平滑化された値を合計して往復時間の平滑化された値を生成する手段と、直近に測定された往復時間を前記往復時間の平滑化された値と比較して差値を算出する手段と、該差値が所定しきい値を所定期間にわたって越えているか否かを判定する手段と、を備えている、
   請求項３に記載のフリーピストンガス圧縮機。
5. 前記入力電力の減少に応答して、前記モータへの入力電力を所定期間にわたって段階的に増大させる手段を更に備えている、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフリーピストンガス圧縮機。
6. リニアモータのアーマチャの往復運動を制御する方法であって、
   前記アーマチャの往復時間を決定するステップと、
   前記往復時間の突然の減少を検出するステップと、
   検出された往復時間の減少に応答して前記リニアモータへの電力入力を減少させるステップと、備えている、
   ことを特徴とする方法。
7. 前記往復時間を求めるステップが、前記リニアモータのバックＥＭＦの零交差を検出し、前記零交差間の時間間隔から往復時間を決定するステップを備えている、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記往復時間の突然の減少を検出するステップが、濾波または平滑化された値から往復時間を検出し差値を生成し、該差値が所定閾値を所定時間にわたり越えていれば前記リニアモータへの入力電力を減少させるステップを備えている、
   請求項６または７に記載の方法。
9. 前記モータへの入力電力の減少に引き続いて、往復時間の突然の減少が再度、検出されるまで、モータ電力を一定期間にわたり段階的に増大させる、
   請求項６ないし８のいずれか１項に記載の方法。

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