JP4125693B2 - リニア圧縮機及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明はリニア圧縮機及びその制御方法に関する。

リニア圧縮機は冷蔵庫などの冷凍サイクルにおいて冷媒圧縮用などで広く利用されている。リニア圧縮機はピストンのストロークの大きさを測定し、これを分析してリニア圧縮機の駆動モータに電流を印加してピストン運動を制御する。

図１は従来のリニア圧縮機のピストン位置検出のためのセンサー構造の断面図である。
図１に図示したように、位置検出用センサー構造はセンサー本体１００、センサーコイル１０１、コア支持台１０２及びコア１０３から構成されている。

センサー本体１００の内部にセンサーコイル１０１を有しており、センサーコイル１０１は同一インダクタンス値、同一値数、同一巻数を有する第１センサーコイル１０１ａと第２センサーコイル１０１ｂの直列連結でなっている。コア支持台１０２は非磁性体として、コア１０３を支持してピストン（図示せず）と連結されている。

センサー本体１００の内径を貫通して圧縮機のピストンと連結されたコア１０３がピストンの往復運動によってセンサーコイル１０１内部を動くようになると、センサーコイル１０１に所定のリアクタンスが発生する。

図２は従来のリニア圧縮機のピストンの位置検出回路のブロック図である。
図２に図示したように、直列連結された二つのセンサーコイル１０１と直列連結された二つの分圧抵抗Ｒａ、Ｒｂが互いに並列に連結されており、ソース電源１０５で三角波が入力されている。コア１０３が第１センサーコイル１０１ａと第２センサーコイル１０１ｂの間の中央を基点にして往復運動するピストンに対して最大出力電圧を検出するために分圧抵抗Ｒａ、Ｒｂによって分圧された電圧との差を増幅器１０４を通じて増幅する。アナログ信号処理部１０６は増幅器１０４の出力波形の入力を受けて所定の信号処理過程を経てピストンの位置を検出する。

図３はリニア圧縮機のピストン往復運動による図２の増幅器１０４の出力波形を示したものである。
図３に図示したように、ピストンの往復運動に対して増幅器の出力（ａ直線）は線形的な出力特性を示す。このような出力電圧はピストンの位置に比例したもので、出力電圧を通じてピストンの位置情報を検出することができる。

ところで、従来リニア圧縮機のセンサー回路は外部影響（温度、圧力など）によって傾斜を異にする線形特性を示すことができる。外部環境によってｂ直線のように傾斜が小さい線形特性を有するようになると、正常な高冷力運転の情報に従う制御時にピストンがシリンダーのバルブに衝突する問題が発生し得る。また、高冷力と低冷力間の冷力偏差が大きく発生し得る。

本発明の目的は、外部環境から影響を受けずにリニア圧縮機のピストン位置を正確に測定して制御することができるリニア圧縮機及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的は、上下往復運動をするピストンの位置検出のために前記ピストンの一側に連結されたコア部と、前記コア部の位置を感知する第１センサーコイル及び第２センサーコイルを有するリニア圧縮機において、前記コア部は前記第１センサーコイル及び第２センサーコイルの直列連結長さの半分以下の長さを有する上部コアを有することを特徴とする本発明のリニア圧縮機によって達成されることができる。前記コア部は上部コアと所定の間隔を隔てて位置する下部コアを含むこともでき、前記ピストンが往復運動の中心を通過する時、前記上部コアと前記下部コアの間の中心地点が前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルの間の中心を通過するようにすることが好ましい。

そして、リニア圧縮機は前記ピストンの往復運動に従って前記上部コアの中心地点が前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルの間の中心であるコイル零点を通過する時間の差を検出して前記ピストンの上死点を検出し、前記上死点に基づいて前記ピストンの位置を制御する制御部をさらに含むことが好ましい。

ここで、前記第１センサーコイルと所定の第１分圧抵抗を直列に連結した第１枝路と、前記第２センサーコイルと所定の第２分圧抵抗を直列に連結した第２枝路と、前記第１枝路と前記第２枝路に印加されるソース電源と、前記第１分圧抵抗と前記第２分圧抵抗に印加される電圧の入力を受ける電圧比較器とを有するようにすることができ、前記電圧比較器は前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルそれぞれの両端間の電圧の入力を受けることとすることもできる。前記ピストンが上死点の近くに位置して前記電圧比較器の出力が０になる時間の差に基づいて前記上死点を検出し、前記ピストンの位置を制御する制御部をさらに含むこともできる。

前記制御部は前記ピストンの往復運動に従って前記上部コアの中心地点が前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルの間の中心であるコイル零点を通過する時間の差と前記下部コアの中心地点が前記コイル零点を通過する時間の差を検出し、前記時間の差に基づいて前記ピストンの往復運動の中心が所定の目標中心地点から外れたオフセットの大きさを検出するようにすることもできる。

また、上記の目的は、上下往復運動をするピストンの一側に連結されたコア部と、前記コア部の位置を感知する第１センサーコイル及び第２センサーコイルを有するリニア圧縮機の制御方法において、前記コア部は所定の間隔を隔てて位置する上部コアと下部コアを形成する段階と、前記ピストンの往復運動に従って前記上部コアの中心地点が前記上部コイルと前記下部コイルの間の中心地点を通過する時間の差を検出して前記ピストンの上死点を検出する段階と、前記上死点に基づいて前記ピストンの位置を制御する段階とを含むことを特徴とする本発明のリニア圧縮機の制御方法によっても達成されることができる。

本発明のリニア圧縮機及びその制御方法によると、外部環境から影響を受けずにリニア圧縮機のピストン位置を正確に測定して制御することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

図４は本発明の実施例によるリニア圧縮機のピストンの位置検出のためのセンサー構造の断面図である。
図４に図示したように、位置検出用センサー構造はセンサー本体１、センサーコイル２、コア支持台３及びコア部４から構成されている。

センサー本体１は内部にセンサーコイル２を有しており、センサーコイル２は同一インダクタンス値、同一値数、同一巻数を有する第１センサーコイル２ａと第２センサーコイル２ｂの直列連結で構成されている。コア支持台３は非磁性体として、コア部４を支持してピストン（図示せず）と連結されている。

コア部４は所定の小さい長さを有する上部コア４aと下部コア４bが所定の間隔を隔てて位置している。上部コア４aと下部コア４bは第１センサーコイル２a及び第２センサーコイル２bから構成されるセンサーコイル２長さの１/２以下の長さを有することが好ましい。上部コア４aと下部コア４bはコア支持台３で連結される。

センサー本体１の内径を貫通して圧縮機のピストンと連結されたコア部４がピストンの往復運動によってセンサーのコイル内部を動くようになると、センサーコイル２に所定のリアクタンスが発生する。

図５は本発明の実施例によるリニア圧縮機のピストンの位置検出回路のブロック図である。
図５に図示したように、検出回路は第１センサーコイル２ａ、第２センサーコイル２ｂ、第１分圧抵抗Ｒ１、第２分圧抵抗Ｒ２、ソース電源１０、電圧比較器１１、デジタル信号処理部１２及び制御部１３を有する。

第１センサーコイル２ａと第１分圧抵抗Ｒ１が直列に連結された第１枝路と、第２センサーコイル２ｂと第２分圧抵抗Ｒ２が直列に連結した第２枝路にソース電源１０が印加される。

電圧比較器１１は第１分圧抵抗Ｒ１と第２分圧抵抗Ｒ２それぞれの両端間の電圧を比較信号Ｖ＋、Ｖ−で受信している。この時、電圧比較器１１は前記第１センサーコイル２ａと前記第２センサーコイル２ｂそれぞれの両端間の電圧の入力を受けることもできる。

デジタル信号処理部１２は電圧比較器１１の出力による矩形波を制御部１３に出力し、制御部１３は矩形波に基づいてリニア圧縮機駆動用モータを制御する。

図６と図７はリニア圧縮機のピストン往復運動による電圧比較器１１の入力波形を示したものである。
図６（ａ）はソース電源１０の三角波形であり、図６（ｂ）は電圧比較器１１の＋端子及び−端子に入力される波形を示したものである。

図６（ｂ）は上部コア４ａの中心地点（以下、“上部コア零点”という。）が第１センサーコイル２ａと第２センサーコイル２ｂの中間地点（以下、“コイル零点”という。）を通過した場合、つまり、ピストンが圧縮行程を通じて上死点の近くに到達した場合の電圧比較器１１の入力波形である。ソース電源１０で三角波が印加される場合、第２センサーコイル２ｂのインダクタンスＬ２は第１センサーコイル２ａのインダクタンスＬ１より大きい値を有するようになり、電圧比較器１１の−端子に入力される波形Ｖ−が＋端子に入力される波形Ｖ＋より大きい時間遅延を有するようになる。

図６（ｃ）に図示したように、デジタル信号処理部１２は電圧比較器１１の＋端子の電圧Ｖ＋が−端子の電圧Ｖ−より大きい場合にハイレベルを有する矩形波Ｖｄを生成する。

図７は上部コア零点がコイル零点で第１センサーコイル２ａの方向に偏った場合の波形図である。この場合、第１センサーコイル２ａのインダクタンスＬ１が第２センサーコイル２ｂのインダクタンスＬ２より大きい値を有するようになり、電圧比較器１１の＋端子に入力される波形Ｖ＋がより大きい時間遅延を有する。図７（ｂ）はこのような電圧比較器１１の入力波形を示したもので、図７（ｃ）は図７（ｂ）に対応してデジタル信号処理部１２から出力される矩形波Ｖｄを示したものである。

図８は本発明の実施例によるリニア圧縮機のピストンの位置による電圧比較器１１の出力波形図である。
図８のｃ波形を参照すれば、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示した電圧比較器１１の入力波形に対応するｃ波形は３つの零点を作りだす。

上部コア４ａと下部コア４ｂの中心地点（以下、コア零点という。）がコイル零点を通過する場合、電圧比較器１１の出力は第１零点を通過する。

上部コア４ａの零点がコイルの零点を通過する場合、電圧比較器１１の出力Ｖｏは上死領域の第２零点を有し、下部コア４ｂの零点がコイルの零点を通過する場合、下死領域の第３零点を有する。

ピストンの圧縮行程に従ってピストンは電圧比較器の出力波形Ｖｏが第２零点を有する時のピストンの位置（以下、上死基準点という。）で上死点に到達し、膨脹行程によってピストンは上死基準点を再び通過するようになる。上死基準点は固定された位置になり、ピストンが上死基準点を２回にかけて通過するのにかかる時間を測定すると、これに基づいて上死基準点から上死点の位置を正確に判断することができる。

また、電圧比較器１１の出力Ｖｏが上死領域で出力を０に有する第２零点を繰り返して通過する時間の差に基づいても上死点の位置を判断することができる。

図８のｄ波形はセンサーの外部環境（温度、圧力など）が変わった場合の電圧比較器１１の出力波形Ｖｏである。ｄ波形は外部環境が変化しても零点は変化がないことを示している。したがって、外部環境から影響を受けない上死基準点を基づいて上死点を精密に検出することができ、これを基にしてピストンの位置を制御することができる。

図９は本発明の実施例による時間の経過に対応したピストンのストロークの大きさを図示したものである。
図９に図示したように、ピストンは時間によってピストンのストロークはｓｉｎｅ曲線Ｅを示すことが分かる。ピストンが上下往復運動の中心点にある時、コア零点がコイル零点と一致せずに上死点方向に偏った場合、オフセットが生じた場合にもピストンストロークの大きさは依然としてｓｉｎｅ波形の曲線Ｆを示す。

この場合にも上死基準点を通過する区間の間にかかった時間を測定し、この時間に基づいて上死点を測定することができるのでピストンのストローク制御が可能である。

若し、下部コア４bの位置をコイル零点の近くへ変化させると、図９で下死基準点は零点方向へ上方調整される。このような構造において変更下死基準点を通過する時間の差と上死基準点を通過する時間の差を検出してピストンの往復運動中心点が本来計画された所定の中心地点から外れたオフセットの大きさを検出することができる。

図９（ｂ）は図９（ａ）のＥ、Ｆ曲線に対応したデジタル信号処理部１２の出力Ｖｄを示したものである。

また、コア部４が上部コア４aだけを有する場合にも電圧比較器１１の出力波形Ｖｏは上死領域の第２零点だけを有し、同一の上死基準点経過時間に基づいて同一の方法で上死点を測定することができる。

従来のリニア圧縮機のピストン位置検出のためのセンサー構造の断面図である。 従来リニア圧縮機のピストンの位置検出回路のブロック図である。 従来リニア圧縮機のピストン往復運動による図２の増幅器の出力波形図である。 本発明の実施例によるリニア圧縮機のピストンの位置検出のためのセンサー構造の断面図である。 本発明の実施例によるリニア圧縮機のピストンの位置検出回路のブロック図である。 リニア圧縮機のピストン往復運動による電圧比較器の入力波形図である。 リニア圧縮機のピストン往復運動による電圧比較器の入力波形図である。 本発明の実施例によるリニア圧縮機のピストンの位置による電圧比較器の出 力波形図である。 本発明の実施例による時間の経過に対応したピストンの位置を図示したものである。

符号の説明

１ センサー本体
２ センサーコイル
２ａ 第１センサーコイル
２ｂ 第２センサーコイル
３ コア支持台
４ コア部
４ａ 上部コア
４ｂ 下部コア

Claims (8)

1. 上下往復運動をするピストンの位置検出のために前記ピストンの一側に連結されたコア部と、前記コア部の位置を感知する第１センサーコイル及び第２センサーコイルを有するリニア圧縮機において、
   前記コア部は前記第１センサーコイル及び第２センサーコイルの直列連結長さの半分以下の長さを有する上部コアを有し、
   前記上部コアは、前記上部コアの中心地点が前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルの間の中心であるコイル零点を通過するときに、前記ピストンの先端が上死点となり、そして、前記第１センサーコイル及び前記第２センサーコイルからの出力電圧がゼロになるように、前記コア部に設けられ、
   前記ピストンの往復運動に従って前記上部コアの中心地点が前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルの間の中心であるコイル零点を２回にかけて通過する時間を前記出力電圧がゼロとなることに基づいて測定して、その後のピストンの往復運動の時間を、前記測定された時間に一致するように、制御する制御部をさらに含むことを特徴とするリニア圧縮機。
2. 前記コア部は上部コアと所定の間隔を隔てて位置する下部コアを含むことを特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機。
3. 前記ピストンが往復運動の中心を通過する時、前記上部コアと前記下部コアの間の中心地点が前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルの間の中心を通過することを特徴とする請求項２に記載のリニア圧縮機。
4. 前記第１センサーコイルと所定の第１分圧抵抗を直列に連結した第１枝路と、
   前記第２センサーコイルと所定の第２分圧抵抗を直列に連結した第２枝路と、
   前記第１枝路と前記第２枝路に印加されるソース電源と、
   前記第１分圧抵抗と前記第２分圧抵抗に印加される電圧の入力を受ける電圧比較器とを有することを特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機。
5. 前記電圧比較器は前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルそれぞれの両端間の電圧の入力を受けることを特徴とする請求項４に記載のリニア圧縮機。
6. 前記ピストンが上死点の近くに位置して前記電圧比較器の出力が０になる時間の差に基づいて前記上死点を検出し、前記ピストンの位置を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする請求項４又は５に記載のリニア圧縮機。
7. 前記ピストンの往復運動に従って前記上部コアの中心地点が前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルの間の中心であるコイル零点を通過する時間の差と前記下部コアの中心地点が前記コイル零点を通過する時間の差を検出し、前記時間の差に基づいて前記ピストンの往復運動の中心が所定の目標中心地点から外れたオフセットの大きさを検出する制御部をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のリニア圧縮機。
8. 上下往復運動をするピストンの一側に連結されたコア部と、前記コア部の位置を感知する第１センサーコイル及び第２センサーコイルを有するリニア圧縮機の制御方法において、
   前記コア部は所定の間隔を隔てて位置する上部コアと下部コアを形成する段階と、
   前記上部コアは、前記上部コアの中心地点が前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルの間の中心であるコイル零点を通過するときに、前記ピストンの先端が上死点となり、そして、前記第１センサーコイル及び前記第２センサーコイルからの出力電圧がゼロになるように、前記コア部に設けられる段階と、
   前記ピストンの往復運動に従って前記上部コアの中心地点が前記第１センサーコイルと前記第２センサーコイルの間の中心であるコイル零点を２回にかけて通過する時間を前記出力電圧がゼロとなることに基づいて測定する段階と、
   その後のピストンの往復運動の時間を、前記測定された時間に一致するように、制御する段階とを含むことを特徴とするリニア圧縮機の制御方法。

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