JP4066140B2 - 線形圧縮機のピストン位置制御装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、線形圧縮機に関するもので、特に、線形圧縮機のピストンの位置制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来技術による線形圧縮機のピストン位置制御装置及び方法について添付した図面を参照して説明する。
【０００３】
図１は従来技術による線形圧縮機のピストンの位置制御装置の一例を示す図面であり、図２は図１の交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）電圧変換部から出力される高圧、正常、低圧状態の波形を示す図面であり、図３はトップクリアランスの定義を説明するための図である。
【０００４】
従来技術による線形圧縮機のピストン位置制御装置の一例は図１に示すように、ＡＣ２２０Ｖを供給する電源１と、前記電源１から供給されるＡＣ２２０Ｖを制御信号によってスイッチングするトライアック２と、前記トライアック２を介してスイッチングされるＡＣ２２０Ｖによって駆動されてシリンダー内のピストンを往復運動させるモータ３と、前記ピストンの往復運動による位置によって周波数は一定で振幅が変化された交流電圧波形を発生するストローク発生器４と、前記ストローク発生器４から発生された交流電圧波形を整流する整流回路５と、前記整流回路５から整流された電圧波形をＤＣ化された電圧波形にフィルタリングするフィルタ回路６と、前記フィルタ回路６からフィルタリング済みのＤＣ化された電圧波形をこれに相応するＤＣ電圧に変換する交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部７と、前記電源１から供給されるＡＣ２２０Ｖのゼロクロシング（ZERO CROSSING）を検出するゼロクロシング検出回路８と、前記交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部７から出力されたＤＣ電圧をこれに相応する前記ピストンの往復運動の長さで変換して既に設定された値と比較した後その比較結果による制御信号を出力するマイコン９と、前記マイコン９から出力された制御信号によってストロークを調節するための点弧角を制御する位相制御部１０から構成される。
【０００５】
このように構成された従来技術による線形圧縮機のピストン位置制御装置の動作を説明すると次のようである。
先ず、線形圧縮機の駆動初期に前記位相制御部１０から任意の点弧角によるトリガー信号を出力すると前記トライアック２は電源１から供給されたＡＣ２２０Ｖの電圧をスイッチングし、前記モータ３は前記トライアック２からスイッチングされた電圧によって駆動されてシリンダー内ピストンを往復運動させる。
【０００６】
この時前記ストローク発生器４は前記ピストンの往復運動による位置によって周波数は一定で振幅が変化された交流電圧波形を発生する。
また、前記整流回路５は前記ストローク発生器４から発生された交流電圧波形を整流し、前記フィルタ回路６は前記整流回路５から整流された電圧波形をＤＣ化された電圧波形にフィルタリングして出力する。
【０００７】
そうなると、前記交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部７は前記フィルタ回路６でフィルタリング済みのＤＣ化された電圧波形をそれに応ずるＤＣ電圧に変換して出力する。
また、前記ゼロクロシング検出回路８は前記電源１から供給されるＡＣ２２０Ｖのゼロクロシングを検出してその結果信号を出力する。
【０００８】
これによって前記マイコン９は前記交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部７から出力されたＤＣ電圧をこれに相応する前記ピストンの往復運動の長さで変換して予め設定された値と比較した後その比較結果による制御信号を出力する。
即ち、マイコン９は前記交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部７から出力されたＤＣ電圧をそれに応ずる前記ピストンの往復運動の長さで変換して既に設定された値と比較した後その比較結果による制御信号を出力する。
【０００９】
即ち、マイコン９は前記交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部７から出力されたＤＣ電圧をそれに応ずる前記ピストンの往復運動の長さで変換して正常圧力におけるストローク電圧の予め設定された長さ値と比較する。
【００１０】
また、その比較結果、図２に示すように、高圧時ストローク電圧又は低圧時ストローク電圧であればこれを正常圧力におけるストローク電圧に変換するための制御信号を出力する。
これによって前記位相制御部１０は前記マイコン９から出力された制御信号によってストロークを調節するための点弧角を制御するための信号を出力する。
【００１１】
即ち、前記位相制御部１０は前記マイコン９から出力された高圧時ストローク電圧を正常圧力におけるストローク電圧に変換するための制御信号によって点弧角を減らすための制御信号を、又は低圧時ストローク電圧を正常圧力におけるストローク電圧に変換するための制御信号によって、点弧角を大きくするための制御信号を出力する。
【００１２】
これによって前記トライアック２は前記位相制御部１０から出力された制御信号によってトリガーされて前記電源１から供給されるＡＣ２２０Ｖの電圧位相を制御し、モータ３は前記トライアック２から制御された位相によってシリンダー内のピストンを往復運動させることになる。
【００１３】
即ち、トライアック２は前記位相制御部１０から出力された点弧角を減らすための制御信号によって前記電源１から供給されるＡＣ２２０Ｖの電圧位相を制御してモータ３に流れる電流を小さくし、前記モータ３は前記電流によって前記シリンダー内のピストンの往復運動を小さくする。
【００１４】
または前記位相制御部１０から出力された点弧角を拡大するための制御信号によって前記電源１から供給されるＡＣ２２０Ｖの電圧位相を制御してモータ３に流れる電流を大きくし、モータ３は前記電流によって前記シリンダー内のピストンの往復運動を大きくする。
【００１５】
このような課程を繰り返して前記マイコン９は前記シリンダー内のピストンの往復運動による前記交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部のＤＣ電圧をこれに相応するピストンのストローク長さに変換した後ピストンの位置を制御することになる。
【００１６】
しかしながら、従来技術による線形圧縮機のピストンの位置制御装置及び方法は次のような問題があった。
１．整流回路、フィルタ回路等を用いるので構造が複雑で、又、ストロークフィードバック装置が多くの誤差を有していて実際位置とフィードバックされる量とは差があるが、該誤差はモータと機構部の誤差を含めて回路部の誤差とも連関性があっていくら精密に構成しても実際制御を行うと誤差問題によってピストンと排出弁の衝突、効率の低下、騒音などが発生することになる。
２．負荷の推定能力が劣って特に図３に示すようなトップクリアランス部分における負荷の変化を推定できない問題があってシステムを制御することが非常に困難であり、周囲環境の変化（温度変化）、セット状態における異常特性（ガスリーク、サイクル詰まりなど）を推定し難い。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するもので、位相制御による電流矩形波とストロークによる矩形波の位相差の情報によってトップクリアランスが最小となるようにシリンダー内のピストンの位置を制御するための線形圧縮機のピストン位置制御装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明による線形圧縮機のピストン位置制御装置は、
電源とトライアック及びモータを備えた線形圧縮機のピストン位置制御装置において、前記トライアックを介してスイッチングされる電流を感知して積分した後これに相応する第１矩形波を発生する電流位相感知部と、前記モータの駆動によってピストンの往復運動によるピストンの位置によって周波数は一定で振幅が変化された電圧波形を発生した後これに相応する第２矩形波を発生するストローク(stroke)位相感知部と、前記電源から供給される電圧のゼロクロシングを検出するゼロクロシング検出部と、また、前記電流位相感知部で感知された第１矩形波と前記ストローク位相感知部で感知された第２矩形波の位相差によってピストンの位置を制御するための信号を出力する制御部とを含めて構成されることを特徴とする。
【００１９】
また、前記電流位相感知部は、前記トライアックを介してスイッチングされる電流を感知する電流感知部と、前記電流感知部で感知された電流を積分する積分部と、前記積分部から積分された電流に相応する第１矩形波を発生する第１矩形波発生部からなることが望ましい。
【００２０】
前記ストローク位相感知部は、前記ピストンの往動位置に沿って周波数は一定になり振幅が変化された交流電圧波形を発生するストローク発生部と、前記ストローク発生部から発生された交流電圧波形に相応する第２矩形波を発生する第２矩形波発生部からなることが望ましい。
【００２１】
また、前記制御部は、前記第１矩形波と第２矩形波との位相差によってトップクリアランス(clearance)が最小となるピストンの位置を検出した後前記トップクリアランスが最小になるようにピストンの位置を制御するための信号を出力することが望ましい。
【００２２】
前記のような目的を達成するための本発明による線形圧縮機のピストン位置制御装置の更に異なる特徴は、前記ストローク位相感知部から感知されたストロークによる電圧波形を整流する整流部と、前記整流された電圧波形をこれに相応する直流波形に変換する交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部に構成されたことが望ましい。
【００２３】
また、前記のような目的を達成するための本発明による線形圧縮機のピストン位置制御方法は、電源とトライアック及びモータを備えた線形圧縮機のピストン位置制御方法において、前記トライアックを介してスイッチングされる電圧による電流を感知して積分した後これに相応する第１矩形波を発生する段階と、前記供給された電圧によってモータの駆動によって発生されるストロークに相応する第２矩形波を発生する段階と、また、前記発生された第１及び第２矩形波との位相差によって前記トライアックを介してスイッチングされる電圧の位相を調節してピストンの位置を制御する段階を含めてなされることを特徴とする。
【００２４】
前記ピストンの位置を制御する段階は、前記第１矩形波と第２矩形波との位相差によってトップクリアランスが最小になるようにピストンの位置を制御するための制御信号を出力する段階であることを特徴とする。
【００２５】
本発明は位相制御による電流矩形波とストロークによる矩形波の位相差の情報によってトップクリアランスが最小となるようにシリンダー内のピストンの位置を制御するようにすることで効率と信頼性の側面で最大の効果を奏することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
図４は本発明による線形圧縮機のピストン位置制御装置の一実施形態を示す図である。
本発明による線形圧縮機のピストン位置制御装置の一実施形態は図４に示すように、ＡＣ２２０Ｖを供給する電源１０と、前記電源１０から供給されるＡＣ２２０Ｖを制御信号によってスイッチングするトライアック２０と、前記トライアック２０を介してスイッチングされる電流を感知して積分した後これに相応する第１矩形波を発生する電流位相感知部３０と、前記トライアック２０を介してスイッチングされるＡＣ２２０によって駆動されてシリンダー内のピストンを往復運動させるモータ４０と、前記ピストンの往復運動による位置によって周波数は一定で振幅が変化された交流電圧波形を発生した後これに相応する第２矩形波を発生するストローク位相感知部５０と、前記電源１０から供給されるＡＣ２２０Ｖのゼロクロシングを検出するゼロクロシング検出部６０と、前記電流位相感知部３０から発生された第１矩形波とストローク位相感知部５０から発生された第２矩形波の位相差によってピストンの位置を制御するための信号を出力する制御部７０と、前記制御部７０から出力された制御信号によってストロークを調節するための点弧角を制御する位相制御部８０から構成される。
【００２７】
前記電流位相感知部３０は前記トライアック２０を介してスイッチングされる電流を感知する電流感知部３１と、前記電流感知部３１から感知された電流を積分する積分部３２と、前記積分部３２から積分された電流に相応する第１矩形波を発生する第１矩形波発生部３３から構成される。
【００２８】
前記ストローク位相感知部５０は前記ピストンの往復運動による位置によって周波数は一定で振幅が変化された交流電圧波形を発生するストローク発生部５１と、前記ストローク発生部５１から発生された交流電圧波形に相応する第２矩形波を発生する第２矩形波発生部５２から構成される。
【００２９】
図５は本発明による線形圧縮機のピストン位置制御装置の他の実施形態を示す図であって、前記図４の構成要素に変換部が追加された構成である。
ここで、前記変換部は前記ストローク発生部５１から発生された交流電圧波形を整流する整流部９０と、前記整流部９０から整流された交流電圧波形をこれに相応する直流電圧波形に変換する交流／直流ＡＣ−ＤＣ変換部１００から構成される。
【００３０】
図６は図４及び図５の各部波形を示す図であり、図７は電流位相とストローク位相との位相差を示す図であり、図８は圧力変化による電流位相とストローク位相との移動経路を示す図であって、図９は電流位相とストローク位相との任意の圧力における変化を示す図である。
しかし、ここに示す実施形態は例示的なものにすぎない。
【００３１】
このように構成された本発明による線形圧縮機のピストン位置制御方法に対して添付した図面を参照して詳細に説明する。
先ず、図４に示すように、線形圧縮機の駆動初期に位相制御部８０で図６ｃに示すように、任意の点弧角によるトリガー信号を出力するとトライアック２０は図６ａに示すように、供給されるＡＣ２２０Ｖの電圧をスイッチングする。
【００３２】
これによって前記電流位相感知部３０は前記トライアック２０を介してスイッチングされる電流を感知して積分した後これに相応する第１矩形波を発生する。
即ち、電流位相感知部３０内の電流感知部３１は図６ｂに示すように、前記トライアック２０を介してスイッチングされる電流を感知する。
【００３３】
また、前記積分部３２は前記電流感知部３１から感知された電流を図６ｄに示すように積分する。
これによって第１矩形波発生部３３は図６ｅに示すように、前記積分部３２から積分された電流に相応する第１矩形波を発生する。
【００３４】
一方、前記モータ３０は前記トライアック２０でスイッチングされた電圧によって駆動されてシリンダー内のピストンを往復運動させる。
この時前記ストローク位相感知部５０は前記ピストンの往復運動による位置によって周波数は一定で振幅が変化された交流電圧波形を発生した後これに相応する第２矩形波を発生する。
【００３５】
即ち、前記ストローク位相感知部５０内ストローク発生部５１は図６ｆに示すように、前記ピストンの往復運動による位置によって周波数は一定で振幅が変化された交流電圧波形を発生する。
【００３６】
これによって第２矩形波発生部５２は図６ｇに示すように、前記ストローク発生部から積分された交流電圧波形に相応する第２矩形波を発生する。
また、ゼロクロシング検出部６０は前記電源１０から供給されるＡＣ２２０Ｖのゼロクロシングを検出する。
これによって前記制御部７０は前記電流位相感知部３０から感知された第１矩形波とストローク位相感知部５０から発生された第２矩形波の位相差によってピストンの位置を制御するための信号を出力する。
【００３７】
即ち、前記制御部７０は図７ａに示すような電流位相感知部３０で感知された第１矩形波と図７ｂに示すような前記ストローク位相感知部５０から発生された第２矩形波の位相差によって図８及び図９に示すようにして、ピストンの位置を制御するための信号を出力する。
【００３８】
これによって前記位相制御部８０は前記制御部７０から出力された制御信号によってストロークを調節するための点弧角を制御する。
このため前記トライアック２０は前記位相制御部８０で出力された点弧角によって前記電源１０から供給される電圧をスイッチングし、前記の課程を繰り返して前記制御部７０は図３に示すようなトップクリアランスが最小となるようにピストンの位置を検出した後前記クリアランスが最小となるようにピストンの位置を制御するための信号を出力することになる。
【００３９】
また、図５に示すように、前記変換部９０が前記した図３の構成要素に追加して構成されても良い。
この時前記変換部９０は整流部９１と、交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部９２から構成されるが前記整流部９１は前記ストローク発生部５１から発生された交流電流波形を整流し、前記交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部９２は前記整流部９１から整流された交流電圧波形をそれに応ずる直流電圧波形に変換する。
【００４０】
これによって前記制御部７０は前記交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部９２で変換された直流電圧波形によって動作を制御することになり、前記した図４に示すようなプロセスと同一のプロセスを行うことになる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による線形圧縮機のピストン位置制御装置及び方法においては位相制御による電流矩形波とストロークによる矩形波の位相差情報によってトップクリアランスが最小となるようにシリンダー内のピストン位置を制御することによって効率と信頼性を高めることができる。
【００４２】
以上本発明の好適な一実施形態に対して説明したが、前記実施形態のものに限定されるわけではなく、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術による線形圧縮機のピストン位置制御装置の一例を示す図である。
【図２】 図１の交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部から出力される高圧、正常、低圧状態の波形を示す図である。
【図３】 クリアランスの定義を説明するための図である。
【図４】 本発明による線形圧縮機のピストン位置制御装置の一実施例を示す図である。
【図５】 本発明による線形圧縮機のピストン位置制御装置の他の実施例を示す図である。
【図６】 図４及び図５の各部波形を示す図である。
【図７】 電流位相とストローク位相との位相差を示す図である。
【図８】 圧力変化による電流位相とストローク位相との移動経路を示す図である。
【図９】 電流位相とストローク位相の任意の圧力における変化を示す図である。
【符号の説明】
１０ 電源
２０ トライアック
３０ 電流位相感知部
４０ モータ
５０ ストローク位相感知部
６０ ゼロクロシング検出部
７０ 制御部
８０ 位相制御部
９０ 変換部
９１ 整流部
９２ 交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部

Claims (13)

1. 電源とトライアック及びモータを備えた線形圧縮機のピストン位置制御装置において、
   前記トライアックを介してスイッチングされる電流を感知する電流感知部、前記電流感知部で感知された電流を積分する積分部、及び前記積分部で積分された電流に相応する第１矩形波を発生する第１矩形波発生部から構成された電流位相感知部と、
   前記モータの駆動によってピストンの往復運動によるピストンの位置によって周波数は一定で振幅が変化された電圧波形を発生した後これに相応する第２矩形波を発生するストローク位相感知部と、
   前記電源から供給される電圧のゼロクロシングを検出するゼロクロシング検出部と、また、
   前記電流位相感知部で感知された第１矩形波と前記ストローク位相感知部で感知された第２矩形波の位相差によってピストンの位置を制御するための信号を出力する制御部と
   を含めて構成されることを特徴とする線形圧縮機のピストン位置制御装置。
2. 前記ストローク位相感知部は、
   前記ピストンの往復動位置に沿って周波数は一定で、振幅が変化された交流電圧波形を発生するストローク発生部と、
   前記ストローク発生部から発生された交流電圧波形に相応する第２矩形波を発生する第２矩形波発生部からなることを特徴とする請求項１に記載の線形圧縮機のピストン位置制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記第１矩形波と第２矩形波との位相差によってトップクリアランスが最小となるピストンの位置を検出した後前記トップクリアランスが最小になるようにピストンの位置を制御するための信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の線形圧縮機のピストン位置制御装置。
4. 前記制御部から出力された制御信号によってストロークを調節するための点弧角を制御して前記トライアックに出力する位相制御部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の線形圧縮機のピストン位置制御装置。
5. 前記トライアックは前記位相制御部から出力される点弧角によって電源から供給される電圧をスイッチングすることを特徴とする請求項４に記載の線形圧縮機のピストン位置制御装置。
6. 電源とトライアック及びモータを備えた線形圧縮機のピストン位置制御装置において、
   前記トライアックを介してスイッチングされる電流を感知して積分した後これに相応する第１矩形波を発生する電流位相感知部と、
   前記モータの駆動によってピストンの往復動によるピストンの位置によって周波数は一定で振幅が変化された電圧波形を発生した後これに相応する第２矩形波を発生するストローク位相感知部と、
   前記電源から供給される電圧のゼロクロシングを検出するゼロクロシング検出部と、
   前記ストローク位相感知部から感知されたストロークによる電圧波形を整流してそれによる電圧波形を直流波形に変換して出力する変換部と、
   前記ゼロクロシング検出部によって前記電圧のゼロクロシングが検出されると、また、前記電流位相感知部から感知された第１矩形波と前記ストローク位相感知部から感知された第２矩形波との位相差によってピストンの位置を制御するための信号を出力し、前記変換部から変換された直流波形によって所定動作を制御する制御部とを含めて構成されることを特徴とする線形圧縮機のピストン位置制御装置。
7. 前記変換部は、
   前記ストローク位相感知部から感知されたストロークによる電圧波形を整流する整流部と、
   前記整流された電圧波形をこれに相応する直流波形に変換する交流／直流（ＡＣ−ＤＣ）変換部から構成されたことを特徴とする請求項６に記載の線形圧縮機のピストン位置制御装置。
8. 前記制御部から出力された制御信号によってストロークを調節するための点弧角を制御して前記トライアックに出力する位相制御部を更に含めて構成されることを特徴とする請求項６に記載の線形圧縮機のピストン位置制御装置。
9. 前記トライアックは前記位相制御部から出力される点弧角によって電源から供給される電圧をスイッチングすることを特徴とする請求項８に記載の線形圧縮機のピストン位置制御装置。
10. 電源と、トライアックを介してモータを備えた線形圧縮機のピストン位置制御方法において、
    前記トライアックを介してスイッチングされる電圧による電流に相応する第１矩形波を発生する段階と、
    前記供給された電圧によってモータの駆動によって発生されるストロークに相応する第２矩形波を発生する段階と、また、
    前記発生された第１及び第２矩形波との位相差によって前記トライアックを介してスイッチングされる電圧の位相を調節してピストンの位置を制御する段階を含めてなされることを特徴とする線形圧縮機のピストン位置制御方法。
11. 前記第１矩形波を発生する段階は、
    前記トライアックを介してスイッチングされる電流を感知する段階と、
    前記感知された電流を積分してこれに相応する矩形波を発生する段階とからなることを特徴とする請求項１０に記載の線形圧縮機のピストン位置制御方法。
12. 前記第２矩形波を発生する段階は、
    前記ピストンの往復動位置によって周波数は一定で振幅が変化された交流電圧波形を発生する段階と、
    前記発生された交流電圧波形に相応する矩形波を発生する段階と、
    からなることを特徴とする請求項１０に記載の線形圧縮機のピストン位置制御方法。
13. 前記ピストンの位置を制御する段階は、
    前記第１矩形波と第２矩形波との位相差によってトップクリアランスが最小になるようにピストンの位置を制御するための制御信号を出力する段階であることを特徴とする請求項１０に記載の線形圧縮機のピストン位置制御方法。

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