JP4366849B2 - リニア圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温超伝導現象が認められる温度域（液体窒素温度）に冷凍するためのリニアモータを構成要部とする圧縮機に関する。更に詳しくは、圧縮機を小型軽量化した単気筒型リニア圧縮機であり、ピストンの位置信号を検知・矯正して圧縮機の振動を抑えることが可能であり、圧縮機の振動に伴う対策が為され、ピストンの変位振幅中心の変動の有無が検知、矯正され、しかも圧縮機小型化に加え、運転コストの低減が可能となる改良装置である。
【０００２】
【従来技術とその問題点】
従来技術として図１０に対向型リニア圧縮機を示す。
【０００３】
装置全体が圧力容器６に覆われた構成であって、コイル１に電流が流れると、マグネットとの間に電磁気力が作用し、ピストン３が駆動する。複数のマグネットは磁気方向が同一方向となるように組み合わされているので、交流の電流を流すことによって、ピストンはその軸方向において往復運動を行う。ピストン３はシリンダ４と共に作業ガスを圧縮する動作を行うが、ピストン自体は板バネ５によって支持されている。従来技術の問題点として、図１０に示したように、発熱部材であるコイルが内部にあるため放熱性が悪いこと、また、リード線が可動部に接続されているためリード線の屈伸（螺旋部の伸縮）が避けられず、耐久性が劣ること、更に、可動部が片持ちであり、組付けや駆動に伴う撓みや捻れに対し構造的に弱いこと、が挙げられる。しかし、対向型であるから、振動が相互に吸収され、左右がバランスしているため、ピストンの駆動が安定している。
【０００４】
図１０とは別に、従来技術として、ムービングマグネット型のリニアモータが特開平６−１８９５１８号公報に開示されている。この種の圧縮機も対向型であるから振動は抑えられているものの、装置として比較的大きな空間を占める。
【０００５】
これら圧縮機の有利な点は、対向型であるから、振動が相互に吸収され、左右がバランスしていることである。しかしながら、問題点として圧縮機自体が設備的に大きな空間を占め、消費エネルギーも大きく、小型化や経済性に相容れないものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者等は、例えば冷凍機等の用途に適する圧縮機として使用できる単気筒型リニア圧縮機を提供する。単気筒型リニア圧縮機は、云うまでもなく、小型化を満足し、制振構造が達成されれば、無駄となる第２の（何れか一方の）圧縮機部分を不要とする優れたものである。そして、本発明の課題は振動を如何に抑えるかと云う点に集約される。
【０００７】
リニア圧縮機を単気筒型とすると、振動を抑制するために制振手段が必要となる。この制振手段としては、バネ機構と重錘とを含むダイナミックダンパ等が有効であり、バネ定数と重錘の大きさを調整してダイナミックバランスを圧縮機可動部の動的挙動と調和するようにダイナミックダンパを組み立てる。
【０００８】
制振手段としてのダイナミックダンパの構成は、圧縮機可動部の負荷や可動部を支持する板バネ等の設計緒元から、ダイナミックバランスが得られるものを設計し、また組付けの際に振動を小さくするように調整することは可能である。
【０００９】
しかしながら、圧縮機を稼働していると、外部からの変動要因、例えば電圧の変動、熱的負荷の変動等の影響を受け、ダイナミックバランスが崩れる。更に、圧縮機可動部の往復運動において、圧縮機可動部とダイナミックダンパとは周波数特性が異なるため振動を低減する調整が困難である。圧縮機の振動が抑えられている状態では、圧縮機可動部の周波数とダイナミックダンパの周波数が一致し、逆位相（位相差が１８０度）の関係にある。両者の位相差が逆位相の状態からずれると、圧縮機に振動が起こる。このような両者の位相差が逆位相の状態からずれる時、本発明では「位相差が生じる」と記述し、逆位相の状態かそれに近い状態を「位相差がない」と表現する。
【００１０】
位相差が生じると、それまで抑えられていた圧縮機の振動が大きくなり、数々の新たな問題を生ずる原因となる。
【００１１】
従って、位相差の矯正は、単気筒型圧縮機の重要な課題の一つである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明は、単気筒からなる圧縮機とこの圧縮機の可動部に連結する制振手段とを主たる機構とするリニア圧縮機であって、位相差を検知するために、圧縮機可動部とダイナミックダンパとに、それぞれ少なくとも１箇の位相差検知手段を設ける。
【００１３】
もしも、位相差が生じると、高い周波数又は低い周波数の振動を加えて位相差を矯正することが可能な制御機構を備えている。このように構成すれば、圧縮機の振動を抑える機能を備えた単気筒型リニア圧縮機となる。
【００１４】
また、このような構成の単気筒型圧縮機において、可動軸の往復運動の際に軸の位置が移動する現象がしばしば生じる。これがオフセット現象であり、圧縮機の本来的機能（作動ガスの圧縮・膨張を司る）に影響はないが、位相調整に誤作動を生じないようにオフセットの矯正が必要である。
【００１５】
オフセットが生じると位置ズレを矯正する制御機構を圧縮機に設置しておく。このように構成すれば、さらに圧縮機の振動を抑える機能を備えた単気筒型リニア圧縮機となる。
【００１６】
またさらに、本発明は、制振手段可動部と圧縮機可動部とは連結されて往復運動をするので、予め組み付けに際し、両者の変位（振幅、往復運動の移動幅）がほぼ一致するように調整しておく。好ましい調整では、このダイナミックダンパと圧縮機可動部とは最も振動の少ない安定した状態となっている。ここで、「ほぼ一致する調整」とは、完全に一致させることが理想であるが、両者の変位の差異が５％以内であれば、理想に近い低振動状態になるため、「ほぼ一致する」として扱うものである。この条件において、検知手段及び制御機構を作動させることによって、振動の少ない安定した圧縮機の運転が可能となる。
【００１７】
更に、本発明では、 制振手段としてバネ機構と重錘とを含むダイナミックダンパを用いることができる。機構や振動に関する機械工学の技術的知見から圧縮機可動部の振動をバランスよく抑制できるダイナミックダンパを設計するのみでなく、或いは、単にバランスよく装置を組み付けるだけでなく、位相差を常時検知して、振動を絶えず抑制する技術であって、冷凍機用のリニア圧縮機としては新しい構成である。
【００１８】
加えるに、本発明によれば、位相差を検知する手段及びオフセットを検知する手段にフォトセンサ、フォトインタラプタ、光ファイバセンサ又はこれ等と同等なオプトエレクトロニクス機能を備えた手段が適用できる。例えば、市販品である株式会社東芝が製造しているフォトインタラプタＴＬＰ８２４或いはＴＬＰ８２５は本装置に使用可能であって、ダイナミックダンパ（可動部）と圧縮機可動部との計２箇所に設けられ、透過光線の透過−遮蔽の状況を検知して、タイミングのずれを知ることが出来る。このタイミングのずれとは、圧縮機可動部とダイナミックダンパ可動部との位相のずれを指す。位相のずれは時間のずれ（進み又は遅れ）としてフォトセンサ等により観測される。
【００１９】
このようにして、ダイナミックダンパ可動部と圧縮機可動部とにおけるセンサ信号の位相差を制御することにより、圧縮機の振動を抑制することを可能にするものである。
【００２０】
また更に、本発明は、位相差の矯正が機能している状態において、単気筒圧縮機可動部のオフセットを除去する機構を作動させるものである。位相差と可動部の位置ズレとを独立して検知することは可能である。しかしながら、位置ズレはフォトセンサからは位相差と類似した挙動と捉えられる懼れがある。
【００２１】
加うるに、本発明は、位相差を検知する手段及びオフセットを検知する手段からの情報に基づいて、制御すべき位相差の量を演算し、演算結果により位相差量を矯正できるようにする装置である。後述する実施例３の装置はかような検知・演算処理機能を備えた圧縮機である。
【００２２】
【実施の態様】
図面を参照しながら本発明を説明する。
【００２３】
図１は、本発明の単気筒型リニア圧縮機の一例である。従来技術として既述した図１０の対向型圧縮機と対比すると明らかなように、本発明のものは単気筒であり、作業ガスに疎密波を与える作業ガス出入口は、図１では左端部に設けているが、設計上の自由度がある。対向する同型同容量の圧縮機に換えてダイナミックダンパ７を設ければよい。
【００２４】
本発明の装置も全体を圧力容器６に覆われた構成とすることが可能である。コイル１に電流が流れると、マグネットとの間に電磁気力が作用し、ピストン３が駆動する様式は図１０と変わらない。ピストン３はシリンダ４と共に作業ガスを圧縮する動作を行うが、ピストン自体は板バネ５によって支持されている。
【００２５】
本発明装置の特徴は図１の圧縮機可動部の端部と、ダイナミックダンパの端部とに設けた２個のフォトセンサ８である。このフォトセンサとしては、既に例示したようにガリウム−砒素系の赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）と珪素系フォトトランジスタとを組み合わせたフォトインタラプタＴＬＰ８２４等（ホール素子等でもよい）を使用できる。２個のセンサ８の配置を適切にした上で、この圧縮機可動部とダイナミックダンパとのセンサ信号の位相差（例えば、１８０°の逆位相の状態）を制御することで、圧縮機の振動を抑制するものである。その際、２つの信号を加減することで、圧縮機可動部（ピストン）の駆動（振幅）中心位置のオフセットを除去することも可能となる。
【００２６】
この位相差の修正やオフセットの除去矯正手段を図２のブロック図に基づいて説明する。
【００２７】
圧縮機及びダイナミックダンパはそれぞれ独立して駆動信号を取り出すことが出来る。即ち、２個のフォトセンサはそれぞれの位置でそれぞれの駆動信号を発している。次のステップではこれらの信号をデジタル化（理論的にはアナログでもよい）し、両者のデジタル信号を比較して、位相差を算出し、オフセットを除去できる。そこで、２個のフォトセンサからの情報である位相差と設定された位相差（所定値）とを比較し、差異がなければそのまま駆動を続け、また差異（遅速）があれば圧縮機の駆動周波数を短時間変化させる。通常は１回瞬間的に駆動周波数よりも大きい（又は小さい）位相差分の周波数を与えて矯正することができる。もしも、初回の高周波（又は低周波）刺激によっても矯正できなかった場合は、位相差が修正されるまで繰り返すとよい。
【００２８】
図９を参照して具体的な例を説明する。図９（ａ）は、最も振動が小さい逆位相の状態から圧縮機可動部（ピストン）の位置とダイナミックダンパの位置がズレて位相差が発生した状態を示している。そこで、この位相差を矯正するため、１周期だけ、それまでの稼働条件と異なる周波数を入れる。そうすると、図９（ｂ）の圧縮機可動部の位置は、太い実線で表されたように変化し、位相差のない状態に戻る。通常はこの図９（b）のように、速やかに矯正され１周期後では振動の最も少ない状態を再現できる。
【００２９】
【実施例】
＜実施例１＞
位相を制御することで振動を低減する方法を具体的に説明する。
【００３０】
図３（ａ）は、圧縮機の可動部（プランジャーやピストン）の位置とダイナミックダンパの位置とが、例えば図１に示したフォトセンサの各々の位置にあって、位相差が例えば１８０°の状態にあるとき、最も振動が小さい状況にある。圧縮機可動部の位置Ｘとダイナミックダンパの位置Ｘ′と時間Ｔとの関係が、時間に無関係に、両者の振幅が一致するとき、
Ｘ＋Ｘ′＝０ （θ＝π＝１８０゜）
を満足する。
【００３１】
これに対して、図３（ｂ）は上記の最も振動が小さいときから位相がズレたときを示すものである。この場合圧縮機可動部の位相とダイナミックダンパの位相とはψだけズレている。従って、この位相のズレψに相当する分を制御することになる。
【００３２】
図４は、圧縮機可動部の位置信号やダイナミックダンパの位置信号をフォトセンサで検出する状況を説明するものである。図４（ａ）は、例えば圧縮機可動部の位置Ｘと時間Ｔの変化をフォトセンサ出力として、オン−オフ表示（デジタル表示）したものである。ここで、フォトセンサ出力とは振幅（駆動）中心を原点とするとき、原点を横切った点でオン−オフ（正−負）とすることができる。これによれば、フォトセンサ出力は圧縮機側とダイナミックダンパ側とにおいて、位相差がψである状態を図４（ｂ）として示す。位相差は両者が共にオンの状態であるかまたはオフの状態にある狭間から求められる。即ち、位相差ψは何れか一方のみがオン状態にある時間に相当する。そして、この場合も位相差ψだけ制御すれば、振動は再び収まることとなる。
【００３３】
図５（ａ）は、圧縮機可動部とダイナミックダンパとに位相差があるものの、オフセットがない場合の圧縮機側及びダイナミックダンパ側のフォトセンサ出力と時間との関係を示すチャートである。この例では図５（ｂ）に示したように簡単に両者の位相差が確認できる。つまり、この場合でも、位相差ψは何れか一方のみがオン状態にある時間に相当し、位相差ψだけ制御すれば、振動を抑えることが可能となる。
＜実施例２＞
次に、オフセットについて説明する。図６（ａ）はオフセットの存する場合の圧縮機可動部とダイナミックダンパとの挙動を示すものであって、フォトセンサは往復運動を繰り返す際の所定の位置（Ｘ、Ｘ′）に置かれているので、オフセットがあると、恰も位相に差異が存在するかのように観測される。この様子をフォトセンサ出力（オン−オフ）に変換すると、圧縮機側とダイナミックダンパ側とにおいて、図６（ｂ）のようになる。
【００３４】
このオフセットを除去する方法を説明する。
【００３５】
図７は、図６の内容を図７（ａ）、（ｂ）として併記しているが、圧縮機側とダイナミックダンパ側とのフォトセンサ出力を、図７（ｃ）に示すように、立上り側と立下り側とに区別して、前者と後者との差異を表示すると、制御すべきオフセットの量が演算できる。即ち、圧縮機側がダイナミックダンパ側に対して遅れている場合その制御量の符号を正（＋）に、また圧縮機側がダイナミックダンパ側に対して進んでいる場合その制御量の符号を負（−）として、
（立上り側制御量）＋（立下り側制御量）＝制御量０ ⇒オフセットの除去
の関係が成立する。
＜実施例３＞
最後に、位相差とオフセットとが共に存在する場合について説明する。
【００３６】
図８（ａ）は、圧縮機とダイナミックダンパとの位置（Ｘ、Ｘ′）と時間Ｔとの関係を示す。位相差とオフセットとが共に存在すると、当然複雑な状況を呈するが、この場合のフォトセンサ出力は図８（ｂ）のオン−オフ挙動となる。そこで、この例も立上り側と立下り側とに区別して、前者と後者とにおいて、圧縮機側がダイナミックダンパ側に対して遅れているとき、その制御量の符号を正（＋）に、また圧縮機側がダイナミックダンパ側に対して進んでいるとき、その制御量の符号を負（−）とすれば、図８（ｃ）に示した通り、制御すべき量が演算できる。即ち、
（立上り側制御量）＋（立下り側制御量）＝制御すべき位相ずれ量の２倍
の関係が成立する（オフセットは除去済み）。
【００３７】
以上から、位相差とオフセットとの矯正ができ、本発明のリニア圧縮機は単気筒型であるにも拘わらず、対向型の機種と遜色のないレベルの振動に抑えられ、安定した駆動条件と制振機能を有することとなる。
＜実施例４＞
位相差を矯正する手法を具体的に説明する。図９（ａ）は、最も振動が小さい逆位相の状態から圧縮機可動部（ピストン）の位置とダイナミックダンパの位置がズレて位相差が発生した状態を示している。
【００３８】
先ず、２個のフォトセンサからの情報である位相差と所定値とを比較する。この情報に差異がなければ、正常の状態にあることから、そのまま駆動を続ける。具体的な例を図９により説明する。
【００３９】
もし、位相差と所定値とに差異があれば圧縮機の駆動周波数を短時間変化させる。通常は１回だけ、瞬間的に駆動周波数よりも大きい（又は小さい）周波数の、位相差分の周波数を与えて矯正する。この際に、初回の高（低）周波印加によっても位相差が矯正できなかった場合には、位相差が修正されるまで繰り返すとよい。
【００４０】
このような位相差を矯正すると、図９（ｂ）の圧縮機可動部の位置は、太い実線で表されたように変化し、位相差のない状態に戻る。通常はこの図９（b）のように、速やかに矯正されて、１周期後では振動の最も少ない状態を再現できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のリニア圧縮機は、単気筒型圧縮機でありながら、対向複気筒型のものと遜色のない制振効果を奏する。要するに、本発明の圧縮機は、位相ずれを除き、オフセットを除去できる検知手段と制御機構とを具えた単気筒型圧縮機であり、小型化されており、しかも省エネルギー化も達成している。設備小型化に伴い圧縮機の占める空間が小さくなり、設計に自由度が増し、機械設備としての熱管理が容易となるなど数々の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である単気筒型リニア圧縮機の概略図である。
【図２】本発明の位相を検知し、位相差を矯正するブロックチャートである。
【図３】本発明の圧縮機における最も振動が小さい位相差の状態を示す位置（振幅）Ｘと時間Ｔとの関係を示す。
【図４】本発明の実施例であるフォトセンサによる位置Ｘとセンサ出力と時間Ｔとの関係を示す。
【図５】本発明の実施例である位相差があり、オフセットがない場合の圧縮機とダイナミックダンパとの位相差を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例であり、位相差がなく、オフセットがある場合に、制御回路は位相ずれがあるかのように判別することを示す説明図である。
【図７】本発明の実施例である位相差がなく、オフセットがある場合のオフセット除去原理を示す説明図である。
【図８】本発明の実施例であって、位相差が有り、オフセットも有る場合の説明図である。
【図９】本発明の実施例であって、位相差があるときの、矯正の状況を示すものである。
【図１０】従来のリニア圧縮機の概略図であり、対向型配置２機の圧縮手段を備えたものである。
【符号の説明】
１ コイル
２ ハウジング
３ ピストン
４ シリンダ
５ 板バネ
６ 圧力容器
７ ダイナミックダンパ
８ フォトセンサ

Claims (4)

1. 単気筒からなる圧縮機と該圧縮機に連結する制振手段とを含み、
   該制振手段と該圧縮機との各々に、２つの可動部の変位の位相差を検知する手段と圧縮機の変位振幅中心のオフセットを検知する手段とを備え、
   位相差が生じると圧縮機の駆動周波数を調整して所望の位相差に矯正する制御機構と、オフセットが生じると振幅中心の位置ズレによる位相差の誤差を矯正する制御機能とを有し、
   圧縮機の振動を抑える機能を備えたことを特徴とする単気筒型リニア圧縮機。
2. 単気筒からなる圧縮機と該圧縮機に連結する制振手段とを含み、
   該制振手段可動部と該圧縮機可動部とはその変位（振幅）がほぼ一致するように調整されており、
   該制振手段と該圧縮機との各々に、２つの可動部の変位の位相差を検知する手段と圧縮機の変位振幅中心のオフセットを検知する手段とを備え、
   位相差が生じると圧縮機の駆動周波数を調整して所望の位相差に矯正する制御機構と、オフセットが生じると振幅中心の位置ズレによる位相差の誤差を矯正する制御機能とを有し、
   圧縮機の振動を抑える機能を備えたことを特徴とする単気筒型リニア圧縮機。
3. 制振手段がバネ機構と重錘とを含むダイナミックダンパであることを特徴とする請求項１又は２に記載の単気筒型リニア圧縮機。
4. 変位差を検知する手段及びオフセットを検知する手段がオプトエレクトロニクスを利用するセンサであって、ダイナミックダンパと圧縮機との２個所に設けられ、該ダイナミックダンパと該圧縮機とにおけるセンサ信号の位相差を制御することにより、圧縮機の振動を抑制することを特徴とする請求項３に記載の単気筒型リニア圧縮機。

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