JP4662991B2 - リニア圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に依存して変化する可動部材の固有周波数に、リニアモータの運転周波数を同期させると同時に、別個に負荷に依存して可動部材のストロークを変化させることによって負荷を解消するだけでなく、圧縮の効率を高めことのできるリニア圧縮機に関する。

従来、圧縮機は、電気モータやタービン等の動力発生装置から動力を伝達されて空気や冷媒、又はその他の多様な作動ガスを圧縮させて圧力をくれる機械装置であって、冷蔵庫とエアコン等のような家電機器、又は産業全般に亘って広くて使用されている。

このような圧縮機を大別すると、ピストンとシリンダの間に作動ガスが吸入、吐出される圧縮空間を形成してピストンがシリンダ内部で直線往復運動しながら冷媒を圧縮させる往復動式圧縮機と、偏心回転するローラとシリンダの間に作動ガスが吸入、吐出される圧縮空間を形成してローラがシリンダ内壁を偏心回転しながら冷媒を圧縮させる回転式圧縮機と、旋回スクロールと固定スクロールの間に作動ガスが吸入、吐出される圧縮空間を形成して、旋回スクロールが固定スクロールに沿ってか回転しながら冷媒を圧縮させるスクロール式圧縮機とがある。

最近では、往復動式圧縮機のうち、特に、ピストンが往復直線運動する駆動モータに直接連結されるようにして、運動転換による機械的な損失なく圧縮効率を向上させるだけでなく、簡単な構造のリニア圧縮機が多く開発されている。

一般に、リニア圧縮機は、モータの直線駆動力を利用して冷媒を吸入、圧縮、吐出するが、これは、冷媒ガスを圧縮させるシリンダ及びピストン等が含まれた圧縮部と、圧縮部に駆動力を供給するリニアモータが含まれた駆動部とに大きく分けられる。

具体的には、リニア圧縮機は、密閉容器内部にシリンダが固定されるように設置され、シリンダの内部にピストンが往復直線運動可能に設置され、ピストンがシリンダの内部で往復直線運動することによって、シリンダの内部の圧縮空間に冷媒を吸入して圧縮した後、吐出するように構成され、圧縮空間には吸入弁アセンブリ及び吐出弁アセンブリが設置され、圧縮空間の内部の圧力によって冷媒の吸入及び吐出を調節する。

また、ピストンに直線運動力を発生させるリニアモータが互いに連結されるように設置されるが、リニアモータは、シリンダの周辺に複数個のラミネーションが円周方向に積層されるように構成されたインナステータ及びアウタステータが所定の間隙をおいて設置される。インナステータ、又はアウタステータの内側には、コイルが巻かれるように設置され、インナステータとアウタステータ間の間隙には、永久磁石がピストンと連結されるように設置される。

ここで、永久磁石は、ピストンの運動方向に移動可能に設置され、コイルに電流が流れることによって発生する電磁気力によりピストンの運動方向に往復直線運動するが、通常、リニアモータは一定の運転周波数ｆｃで作動され、かつピストンが所定のストロークＳで往復直線運動する。

一方、ピストンは、リニアモータにより往復直線運動しても、運動方向に弾性支持されるように各種スプリングが設置されるが、具体的には、機械スプリングの一種であるコイルスプリングがピストンの運動方向に密閉容器及びシリンダに弾性支持されるように設置され、圧縮空間に吸入された冷媒もガススプリングとして作用する。

ここで、コイルスプリングは、一定の機械スプリング定数Ｋｍを有し、ガススプリングは負荷によって変化するガススプリング定数Ｋｇを有するが、機械スプリング定数Ｋｍ及びガススプリング定数Ｋｇを考慮してピストン（又はリニア圧縮機）の固有周波数ｆｎが算出される。

このように算出されたピストンの固有周波数ｆｎは、リニアモータの運転周波数ｆｃを決定することになるが、リニアモータは運転周波数ｆｃをピストンの固有周波数ｆｎと一致させて、すなわち共振状態で運転させることによって効率を上げることができる。

したがって、このように構成されたリニア圧縮機は、リニアモータに電流が印加されると、コイルに電流が流れ、これによるアウタステータ及びインナステータとの相互作用により電磁気力が発生し、この電磁気力により永久磁石及びこれと連結されたピストンが往復直線運動する。

ここで、リニアモータは、一定の運転周波数ｆｃで運転し、リニアモータの運転周波数ｆｃは、ピストンの固有周波数ｆｎと一致して共振状態で運転が行われることによって効率を最大にすることができる。

このように、ピストンがシリンダの内部で往復直線運動することによって圧縮空間の内部圧力が変化して、このような圧縮空間の圧力変化によって冷媒が圧縮空間に吸入された後、圧縮されて吐出される。

前述のように構成されたリニア圧縮機は、リニアモータが設計上考慮した負荷下でコイルスプリングの機械スプリング定数Ｋｍ及びガススプリングのガススプリング定数Ｋｇにより算出されるピストンの固有周波数ｆｎに一致する運転周波数ｆｃで運転されるように構成される。このため、効率を上げるために、リニアモータは設計上考慮した負荷下でのみ共振状態で運転される。

しかし、このようなリニア圧縮機では、実際、負荷が変化するのでガススプリングのガススプリング定数Ｋｇ及びこれを考慮して算出されたピストンの固有周波数ｆｎが変更される。

具体的には、リニアモータは図１Ａに示すように設計時に中負荷領域において、ピストンの固有周波数ｆｎと一致するように運転周波数ｆｃが決定され、負荷が変化してもこのように決定された一定の運転周波数ｆｃで運転されるが、ピストンの固有周波数ｆｎは負荷が大きくなることによって大きくなる。

ここで、ｆｎは、ピストンの固有周波数であって、Ｋｍ及びＫｇは、機械スプリング定数及びガススプリング定数であり、Ｍはピストンの質量である。

通常、設計時には、全体スプリング定数Ｋｔに対するでガススプリング定数Ｋｇの比率が小さいため、ガススプリング定数Ｋｇを考慮しないか、又はガススプリング定数Ｋｇを一定の値に設定して適用し、ピストンの質量Ｍ及び機械スプリング定数Ｋｍも一定の値を有するので、ピストンの固有周波数ｆｎも式（１）に依存して一定の値として算出される。

しかし、実際、負荷が増加すると、制限された空間における冷媒の圧力及び温度が高まる。これによってガススプリング自体の弾性力が大きくなってガススプリング定数Ｋｇが大きくなり、このようなガススプリング定数Ｋｇに比例するように算出されるピストンの固有周波数ｆｎも大きくなる。

したがって、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、中負荷領域においては、リニアモータの運転周波数ｆｃとピストンの固有周波数ｆｎが一致するため、ピストンが上死点（ＴＤＣ）に到達するように運転されて安定的に圧縮作用がなされる。これに加えて、リニアモータは共振状態で運転が行えることによって圧縮機の効率が最大となる。

これに対して、低負荷領域においては、リニアモータの運転周波数ｆｃよりピストンの固有周波数ｆｎが小さくなるため、ピストンが上死点以上に過度に運動して過度な圧縮力が作用されるだけでなく、ピストン及びシリンダの摩擦及び摩耗が発生し、共振状態で運転できなくなるので圧縮機の効率が低下する。

一方、高負荷領域においては、リニアモータの運転周波数ｆｃよりピストンの固有周波数ｆｎが大きくなるため、ピストンが上死点に到達することなく運転されることにより圧縮力が低下し、共振状態で運転できなくなるので圧縮機の効率が低下する。

結果的に、従来のリニア圧縮機は、負荷が変化することによってピストンの固有周波数ｆｎが変化する反面、リニアモータの運転周波数ｆｃは一定である。このためにリニアモータが共振状態で運転できなくなるので、その効率が低下する。更に、リニア圧縮機は、能動的に負荷に対応できなくなり、負荷を迅速に解消することができないという問題点があった。

一方、従来のリニア圧縮機は負荷を迅速に解消するために、リニアモータに入力される電圧（又は、電流）の大きさを調節し、図２Ａ及び２Ｂに示すように、ピストン６がシリンダ４の内部で高冷却力モード又は低冷却力モードで運転されるが、各運転モードによってピストンのストロークＳが変化して圧縮容量が変化する。

図２Ａに示すように、電圧Ｖ１は高冷却力モードのためのもので、電圧Ｖ２は低冷却力モードのためのものである。これらの電圧Ｖ１、Ｖ２が零点に対して正の値を有する時は圧縮行程が行われ、負の値を有する時は吸入行程が行われる。ここで、電圧Ｖ１、Ｖ２のピーク値は、リニア圧縮機で出力可能な最大電圧閾値Ｖｐ以下でなければならない。

電圧のピーク―ピーク値がピストン６のストロークを決定する要因となるため、このピーク―ピーク値を変化させることによって、ピストン６のストロークを制御する。高冷却力モードでは、この電圧Ｖ１のピーク―ピーク値が最大電圧閾値Ｖｐによるピーク―ピーク値２Ｖｐと同一になり、ピストン６が上死点（ＴＤＣ）に到達することになるが（高冷却力モードストロークＳ１）、低冷却力モードではこの電圧Ｖ２のピーク―ピーク値が減少し、ピストン６が上死点に到達せずに往復直線運動する。

ここで、リニア圧縮機は、比較的に負荷の大きい状態で高冷却力モードで運転されるが、高冷却力モードではリニアモータの運転周波数ｆｃがピストンの固有周波数ｆｎに一致するようにして、ピストンが所定のストロークＳ１を維持しながらピストンが上死点に到達するように作動される。

しかし、リニア圧縮機は、比較的に負荷の小さい状態で低冷却力モードで運転されるが、低冷却力モードではリニアモータに入力される電圧を低減して圧縮容量を低減することができるが、これとともに機械スプリング及びガススプリングが所定の弾性力でピストン６の運動方向に弾性支持された状態でピストンのストロークＳ２が低減されて、ピストンが上死点に到達できなくなるとともに、変化されたピストンの固有周波数ｆｎと運動周波数ｆｃが相違するようになり、これによって圧縮機の効率及び圧縮力が低下するという問題点がある。

ここで、本発明は、ピストンの固有周波数が負荷に依存して変化してもリニアモータの運転周波数及び／又は、ピストンのストロークを調節するので、全ての負荷に対応して効率的に圧縮容量を変更し得るリニア圧縮機を提供することを目的とする。

また、本発明は、ピストンのストロークを変化させると同時に、ピストンが必ず上死点に到達するように往復直線運動して最大効率が得られるリニア圧縮機を提供することを目的とする。

目的を達成するために、本発明によるリニア圧縮機は、内部に圧縮空間を含む固定部材と、固定部材の内部から軸方向に往復直線運動しながら圧縮空間に吸入された冷媒を圧縮させる可動部材と、可動部材を可動部材の運動方向に弾性支持するように設置されて、負荷に依存してスプリング定数が変化する少なくとも一つのスプリングと、可動部材と連結されるように設置されて可動部材を往復直線運動させて、所定の冷却力により可動部材のストロークを変化させるが、可動部材が上死点まで往復直線運動を行うようにするリニアモータとからなる。

ここで、リニア圧縮機は、冷凍／空調用サイクル内に設置され、負荷は、冷凍／空調用サイクルで冷媒が凝縮される圧力（凝縮圧）と蒸発機で冷媒が蒸発される圧力（蒸発圧）の差に比例して算出されることが好ましい。

また、負荷は、さらに凝縮圧と蒸発圧の平均圧力（平均圧）に比例して算出されることが好ましい。

また、リニアモータは、運転周波数を負荷に比例して変化する可動部材の共振周波数に同期させることが好ましい。

また、リニアモータは、固定部材の周辺を囲む洋に、複数個のラミネーションが円周方向に積層されるように構成されたインナステータとインナステータの外軸に所定の間隔をおいて位置され、複数個のラミネーションが円周方向に積層されるように構成されたアウタステータとインナステータ、又はアウタステータ間に電磁気力を発生させるようにコイルが捲線されたコイル捲線体と、インナステータとアウタステータ間の間隙に位置され、可動部材と連結されるように設置されてコイル捲線体の電磁気力と相互作用により直線往復運動する永久磁石を含み、リニアモータは、外部交流電圧を整流して直流電圧を印加する電源部と、電源部から直流電圧の印加を受けて所定のインバータ制御信号によって交流電圧を生成し、コイル捲線体に印加するインバータ部と、冷却力による可動部材のストロークの変化量を設定して、この変化量による非対称交流電圧を生成するためのインバータ制御信号を生成してインバータ部に印加する制御部を含むことが好ましい。

また、非対称交流電圧のピーク値がインバータ部の最大電圧閾値のピーク値と同一であることが好ましい。

また、非対称交流電圧は、零点に対して非対称であることが好ましい。

また、非対称交流電圧は、所定のオフセット電圧に対して対称であることが好ましい。

また、非対称交流電圧がオフセット電圧より大きいと、可動部材が圧縮行程を遂行し、オフセット電圧より小さいと可動部材が吸入行程を遂行することが好ましい。

また、制御部は、非対称交流電圧のピーク―ピーク値を変化させて可動部材のストロークを変化させることが好ましい。

また、冷却力が低冷却力である時、非対称交流電圧のピーク―ピーク値はインバータ部の最大電圧閾値によるピーク―ピーク値より小さいことが好ましい。

また、オフセット電圧は正の値であることが好ましい。

また、冷却力が高冷却力である時、非対称交流電圧のピーク―ピーク値はインバータ部の最大電圧閾値によるピーク―ピーク値より大きいことが好ましい。

また、オフセット電圧は負の値であることが好ましい。

また、非対称交流電圧の負のピーク値が変化量により変化することが好ましい。

また、非対称交流電圧が零点より大きいと、可動部材が圧縮行程を遂行し、零点より小さいと、可動部材が吸入行程をするようにすることが好ましい。

また、冷却力が低冷却力である時、非対称交流電圧の負のピーク値が正のピーク値より変化量に比例して小さく、冷却力が高冷却力である時、非対称交流電圧の負のピーク値が正のピーク値より変化量に比例して大きいことが好ましい。

また、このような目的を達成するために、本発明によるリニア圧縮機の制御装置は、外部交流電圧を整流して直流電圧を印加する電源部と、電源部から直流電圧の印加を受けて所定のインバータ制御信号によって交流電圧を生成してリニアモータのコイル捲線体に印加するインバータ部と、冷却力によるリニア圧縮機の可動部材のストロークの変化量を設定して、変化量による非対称交流電圧を生成するためのインバータ制御信号を生成してインバータ部に印加する制御部を含む。

また、このような目的を達成するために、本発明によるリニア圧縮機の制御方法は、冷却力によるリニア圧縮機の可動部材のストロークの変化量を基準に非対称交流電圧を設定する段階と、非対称交流電圧を生成するためのインバータ制御信号を生成する段階とを含む。

このように、本発明においては、負荷によってガススプリング定数及び固有周波数が変化することを周波数推定アルゴリズムにより推定し、固有周波数にリニアモータの運転周波数（すなわち、非対称交流電圧の周波数）を同期させることにより、共振状態で運転が行われるようにし、結果的に圧縮効率を極大化させることができる。

本発明の特徴及び利点は、後述する本発明の実施形態の詳細な説明と添付図面を参考してよりよく理解することができるだろう。

以下、本発明の目的が具体的に実現される本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。

本発明によるリニア圧縮機は、図３に示すように、密閉容器２の一側に冷媒が吸入、吐出される流入管２ａ及び流出管２ｂが設置され、密閉容器２の内側にシリンダ４が固定設置され、シリンダ４の内部の圧縮空間Ｐに吸入された冷媒を圧縮することができるように、シリンダ４の内部にピストン６が往復直線運動可能に設置されるとともに、ピストン６の運動方向に弾性支持されように各種スプリングが設置され、ピストン６は直線往復駆動力を発生させるリニアモータ１０と連結されるように設置されるが、ピストンの固有周波数ｆｎが負荷に依存して変化してもリニアモータ１０は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、ピストンの固有周波数ｆｎと同期するようにその運転周波数ｆｃを制御すると同時に、圧縮容量が変化するようにピストン６のストロークＳを制御する。

また、圧縮空間Ｐと接しているピストン６の一端に吸入弁２２が設置され、圧縮空間Ｐと接しているシリンダ４の一端に吐出弁アセンブリ２４が設置され、吸入弁２２及び吐出弁アセンブリ２４はそれぞれ圧縮空間Ｐの内部圧力によって開閉されるように自動制御される。

ここで、密閉容器２は、内部が密閉されるように、上部シェルと下部シェルが結合するように設置され、その一側に冷媒が流入される流入管２ａと、冷媒が吐出される流出管２ｂが設置され、シリンダ４の内側にピストン６が往復直線運動可能に運動方向に弾性支持されるように設置されるとともに、シリンダ４の外側にリニアモータ１０がフレーム１８により組み立てられて組立体を構成し、このような組立体が密閉容器２の内側に底面が支持スプリング２９により弾性支持されるように設置される。

また、密閉容器２の内部の底面には所定のオイルが充填され、組立体の下端にはオイルをポンピングするオイル供給装置３０が設置されるとともに、組立体の下側フレーム１８の内部には、オイルをピストン６とシリンダ４の間に供給するようにオイル供給管１８ａが形成され、これによりオイル供給装置３０はピストン６の往復直線運動による振動により動作してオイルをポンピングし、このポンピングされたオイルはオイル供給管１８ａを通してピストン６とシリンダ４の間の間隙に供給されて冷却及び潤滑作用をする。

次に、シリンダ４はピストン６が往復直線運動できるように中空形状に形成されるとともに、一側に圧縮空間Ｐが形成され、流入管２ａの内側に一端が近接するように位置された状態で流入管２ａと同一直線上に設置されることが好ましい。

シリンダ４は流入管２ａと近接した一端の内部にピストン６が往復直線運動できるように設置され、流入管２ａと反対側の一端に吐出弁アセンブリ２４が設置される。

ここで、吐出弁アセンブリ２４はシリンダ４の一端側に所定の吐出空間を形成するように設置される吐出カバー２４ａと、シリンダの圧縮空間Ｐ側の一端を開閉するように設置される吐出弁２４ｂと、吐出カバー２４ａと吐出弁２４ｂの間に軸方向に弾性力を与える一種のコイルスプリングである弁スプリング２４ｃとからなるが、シリンダ４の一端の内周にＯリングＲが嵌合するように設置されて吐出弁２４ａがシリンダ４の一端を密着するようにする。

また、吐出カバー２４ａの一側と流出管２ｂとの間には、屈曲形成されたループパイプ２８が連設されるが、ループパイプ２８は圧縮された冷媒が外部に吐出されるように案内するだけでなく、シリンダ４、ピストン６、リニアモータ１０の相互作用による振動が密閉容器２全体に伝えられることを緩衝させる。

したがって、ピストン６がシリンダ４の内部で往復直線運動して、圧縮空間Ｐの圧力が所定の吐出圧力以上になると、弁スプリング２４ｃが圧縮されて吐出弁２４ｂを開放させ、冷媒が圧縮空間Ｐから吐出された後、上述のループパイプ２８及び流出管２ｂを通じて外部に完全に排出される。

さらに、ピストン６は流入管２ａから流入した冷媒が流動するように冷媒流路６ａが中央に形成され、流入管２ａと近接した一端が連結部材１７によりリニアモータ１０と直接連結されるように設置されるとともに、流入管２ａと反対側の一端に吸入弁２２が設置され、ピストン６の運動方向に弾性支持するように各種スプリングが設置される。

ここで、吸入弁２２は薄板形状でピストンの冷媒流路６ａを開閉させるようにその中央部分が一部切開されるように形成され、一側がピストン６の一端にスクリューにより固定されるように設置される。

したがって、ピストン６がシリンダ４の内部で往復直線運動することにより、圧縮空間Ｐの圧力が吐出圧力より低い所定の吸入圧力以下になると、吸入弁２２が開放されて冷媒が圧縮空間Ｐに吸入され、圧縮空間Ｐの圧力が所定の吸入圧力以上になると、吸入弁２２が閉じた状態で圧縮空間Ｐの冷媒が圧縮される。

特に、ピストン６は運動方向に弾性支持されるように設置されるが、具体的には、流入管２ａと近接したピストン６の一端に、半径方向に突出したピストンフランジ６ｂがコイルスプリング等のような機械スプリング８ａ、８ｂによりピストン６の運動方向に弾性支持され、流入管２ａと反対側の圧縮空間Ｐに含まれた冷媒がそれ自体の弾性力によりガススプリングとして作用してピストン６を弾性支持する。

ここで、機械スプリング８ａ、８ｂは負荷と関係なく、一定の機械スプリング定数Ｋｍを有するが、機械スプリング８ａ、８ｂは、ピストンフランジ６ｂを基準に、リニアモータ１０に固定される所定の支持フレーム２６とシリンダ４に、それぞれ軸方向に平行するように設置されることが好ましく、支持フレーム２６に支持される機械スプリング８ａとシリンダ４に設置される機械スプリング８ａとが同一の機械スプリング定数Ｋｍを有するように構成されることが好ましい。

しかし、ガススプリングは、負荷に依存して変化するガススプリング定数Ｋｇを有するが、圧縮空間Ｐに含まれたガスは、周囲温度が高くなるほど冷媒の圧力が大きくなることにより、それ自体の弾性力が大きくなり、ガススプリングは負荷が大きくなるほどガススプリング定数Ｋｇが大きくなる。

ここで、機械スプリング定数Ｋｍは一定である反面、ガススプリング定数Ｋｇは負荷に依存して変化するため、全体スプリング定数も負荷に依存して変化し、式（１）に依存してピストンの固有周波数ｆｎもガススプリング定数Ｋｇに依存して変化する。

したがって、負荷が変化しても機械スプリング定数Ｋｍ及びピストンの質量Ｍは一定である反面、ガススプリング定数Ｋｇが変化するため、ピストンの固有周波数ｆｎは負荷に依存するガススプリング定数Ｋｇにより大きく影響を受けることになるが、このようなピストンの固有周波数ｆｎが負荷によって変化する周波数推定アルゴリズムを把握し、それによりリニアモータの運転周波数ｆｃがピストンの固有周波数ｆｎと同期するように制御することにより、圧縮機の効率を上げることができるだけでなく、負荷を解消することができる。

負荷は多様な方法で測定できるが、このようなリニア圧縮機は、冷媒が圧縮、凝縮、蒸発、膨脹される冷凍／空調用サイクルに含まれるように構成されるため、負荷は冷媒が凝縮される圧力である凝縮圧と、冷媒が蒸発される圧力である蒸発圧の差で定義されるが、さらに精度を高めるために凝縮圧と蒸発圧を平均した平均圧を考慮して決定される。

すなわち、負荷は、凝縮圧と蒸発圧の差、及び平均圧に比例するように算出され、負荷が大きくなるほどガススプリング定数Ｋｇが大きくなるが、例えば、凝縮圧と蒸発圧の差が大きいほど負荷が大きくなり、凝縮圧と蒸発圧の差が同一でも平均圧が大きいほど負荷が大きくなるように算出され、このような負荷に対応してガススプリング定数Ｋｇが大きくなるように算出される。

ここで、上記負荷は、実際、図５に示すように、凝縮圧に比例する凝縮温度及び蒸発圧に比例する蒸発温度を測定して、凝縮温度と蒸発温度の差及び平均温度に比例するように算出されるが、このようなデータは所定の周波数推定アルゴリズムによりピストンの固有周波数ｆｎを推定することに使用される。

具体的には、機械スプリング定数Ｋｍ及びガススプリング定数Ｋｇは多様な実験により決定されるが、従来のリニア圧縮機に比べて機械スプリング定数の小さい機械スプリングを適用することにより、全体スプリング定数に対するガススプリング定数の比率を高くなるようにして、負荷によってピストンの共振周波数が比較的に広い範囲で変動するようにし、このように負荷によって変化するピストンの固有周波数ｆｎにリニアモータの運転周波数を容易に同期させるように制御することができる。

さらに、リニアモータ１０は、図６に示すように、複数個のラミネーション１２ａが円周方向に積層されるように構成され、フレーム１８によりシリンダ４の外側に固定されるように設置されるインナステータ１２と、コイルが巻かれるように構成されたコイル捲線体１４ａの周囲に複数個のラミネーション１４ｂが円周方向に積層されるように構成され、フレーム１８によりシリンダ４の外側にインナステータ１２と所定の間隙をおいて設置されるアウタステータ１４と、インナステータ１２とアウタステータ１４の間の間隙に位置され、ピストン６と連結部材１７により連結されるように設置される永久磁石１６とからなるが、コイル捲線体１４ａはインナステータ１２の外側に固定設置されてもよい。

特に、リニアモータ１０は、ピストン６と連結されるように設置されてピストン６を往復直線運動させて、所定の負荷（又は、冷却力）によってピストン６のストロークを変化させるが、ピストン６が上死点（ＴＤＣ）まで往復直線運動を行うようにする。このために、リニアモータ１０は交流電圧を整流して直流電圧を印加する電源部１８と、電源部１８から整流された直流電圧の印加を受けて所定のインバータ制御信号（例えば、ＰＷＭ信号）によって正弦波交流電圧を生成してコイル捲線体１４ａに印加するインバータ部１９と、負荷によるピストン６のストロークの変化量を設定して、この変化量による非対称交流電圧を生成するためのインバータ制御信号を生成してインバータ部１９に印加する制御部２０とからなる。

ここで、電源部１８は一般的な整流回路であり、インバータ部１９も従来のインバータ素子が同じく使用される。

制御部２０は、上述した通り、温度情報の印加を受けて、この温度情報に対応する負荷（又は、冷却力）によってピストン６のストロークを変化させるために、零点に対して非対称である正弦波交流電圧が生成されるように、これに対応するインバータ制御信号を生成する。

この制御部２０は、ピストン６がシリンダ４の内部で往復直線運動しながら圧縮空間Ｐを形成するが、ピストン６のストロークＳが変化してもピストン６がシリンダ４の内部で完全に圧縮されて圧縮空間Ｐが形成されない地点である上死点まで往復直線運動をする。このような上死点までの往復直線運動は、ピストン６のストロークＳが変化しても圧縮効率が低下しないようにする。

この制御部２０の動作及び機能を、下記の図７Ａ〜７Ｄを参照して説明する。下記において、制御部２０は，非対称交流電圧を設定し（ここで、交流電圧は一種の電圧指令値である）、上述した負荷による固有周波数ｆｎを所定の周波数推定アルゴリズムによって図５に示すデータを利用して演算し、この非対称交流電圧の周波数（すなわち、運動周波数ｆｃ）がこの固有周波数ｆｎと同一になるように設定する過程を遂行するが、以下ではその説明を省略する。

まず、図７Ａの電圧は、図２Ａにおける電圧Ｖ２と同一であり、すなわち、負荷（低負荷）によってピストン６のストロークを低減するために、電圧Ｖ２のピーク―ピーク値が低下した状態である。しかし、この電圧Ｖ２のピーク値Ｖ２ｐは最大電圧閾値Ｖｐより小さいので、ピストン６が上死点に到達しなくなる。

したがって、制御部２０は、図７Ｂに示すように、電圧Ｖ２に所定のオフセット電圧Ｖoffsetを加算して新しい電圧Ｖ２’を設定する。この時、オフセット電圧Ｖoffsetの大きさはＶｐ−Ｖ２ｐで、直流電圧となり、このオフセット電圧Ｖoffsetは正の値を有する。

上述したように、制御部２０は、（１）負荷によってピストン６のストロークを減少させるためのピーク―ピーク値を有する（正弦波）電圧を設定し、（２）設定された電圧のピーク値が最大電圧閾値と同一になるように、所定のオフセット電圧Ｖoffsetを算定して加算し、零点に対して非対称、又はオフセット電圧Ｖoffsetに対して対称である正弦波交流電圧を設定する。ここで制御部２０は、この設定された非対称交流電圧に対応するインバータ制御信号を生成してインバータ部１９で伝送すると、このインバータ制御信号によって、インバータ部１９はこの設定された非対称交流電圧を生成してコイル捲線体１４ａに印加し、ピストン６が往復直線運動するようにする。また、制御部２０は、段階（２）をまず遂行し、段階（１）を遂行して非対称交流電圧を設定することができるが、この時オフセット電圧Ｖoffsetの大きさと、ピーク―ピーク値の減少幅は適切に設定されるが、このような変形は本発明の属する技術分野における習熟した人により容易に理解できる。

詳しくは、非対称交流電圧Ｖ２’がオフセット電圧Ｖoffsetより大きいと、制御部２０はピストン６が圧縮行程を遂行するようにし、オフセット電圧Ｖoffsetより小さいと、ピストン６が吸入行程を遂行するようにする。

図７Ｃは、図２Ａにおける電圧Ｖ１に、所定の大きさのオフセット電圧Ｖoffsetが加算された電圧Ｖ４を示す。この時のオフセット電圧Ｖoffsetは、負の値を有する直流電圧となる。

この電圧Ｖ４のピーク値Ｖ４ｐは、最大電圧閾値Ｖｐより小さいので、電圧Ｖ４のピーク―ピーク値を増加させて、電圧Ｖ４’のピーク値が、図７Ｄに示すように、最大電圧閾値Ｖｐと同一になるようにする。このような非対称交流電圧の設定は、高負荷（又は、高冷却力）の場合にピストン６のストロークを増加させるためのものである。この新しい電圧Ｖ４’も零点に対して非対称であるが、オフセット電圧Ｖoffsetに対して対称である正弦波交流電圧である。

ここで、制御部２０は、この設定された非対称交流電圧に対応するインバータ制御信号を生成してインバータ部１９に伝送すると、このインバータ制御信号によってインバータ部１９はこの設定された非対称交流電圧を生成してコイル捲線体１４ａに印加し、ピストン６が往復直線運動するようにする。

図７Ｃ及び７Ｄによるピストン６ストロークの増加方法もまず電圧のピーク―ピーク値を増加させた後、電圧のピーク値が最大電圧閾値Ｖｐと同一になるように所定の負の直流電圧であるオフセット電圧Ｖoffsetを加算する段階で実現することができる。

また、非対称交流電圧Ｖ２’がオフセット電圧Ｖoffsetより大きいと、制御部２０はピストン６が圧縮行程を遂行するようにし、オフセット電圧Ｖoffsetより小さいと、ピストン６が吸入行程を遂行するようにする。

図８Ａ及び８Ｂはピストン６のストロークが変化する状態図である。

図８Ａでは、制御部２０が、図７Ｂに示すように設定された非対称交流電圧に対するインバータ制御信号を生成してインバータ部１９に伝送した時、このインバータ部１９からコイル捲線体１４ａに印加されてピストン６を直線往復運動させる時のピストン６のストロークＳ’が図示される。ストロークＳは零点に対して対称である交流電圧（図２Ａの電圧Ｖ１）が生成されて印加される時、所定の中心Ｃに対して圧縮行程距離と吸入行程距離が同一であり、ピストン６が上死点に到達する時のピストン６の移動距離である。

同図に示すように、非対称交流電圧によるピストン６のストロークＳ’は対称交流電圧によるピストン６のストロークＳに比べて低下したが、上死点までの往復運動が行われ、ピストン６は以前の下死点（ＤＤＣ）ではなく低減したストロークＳ’により新しい下死点（ＤＤＣ’）に到達して往復運動する。

これに対して、図８Ｂでは、制御部２０が図７Ｄが設定された非対称交流電圧に対するインバータ制御信号を生成して、インバータ部１９に伝送した時、このインバータ部１９から、コイル捲線体１４ａに印加されてピストン６を直線往復運動させる時のピストン６のストロークＳ”が図示される。ストロークＳは零点に対して対称である交流電圧（図２Ａの電圧Ｖ１）が生成されて印加される時、所定の中心Ｃに対して圧縮行程距離と吸入行程距離が同一であり、ピストン６が上死点に到達するまでのピストン６の移動距離である。

図８Ｂに示したように、非対称交流電圧によるピストン６のストロークＳ”は対称交流電圧によるピストン６のストロークＳに比べて増加しており、従来技術では行われなかった上死点への往復運動が行われ、ピストン６は増加したストロークにより以前の下死点（ＤＤＣ）ではない新しい下死点（ＤＤＣ”）に到達するように往復運動する。

図９は、図６の第１実施形態による結果を示すグラフであり、Ｘ軸は、オフセット比率であり、Ｙ軸は、ストローク比率である。ここで、オフセット比率は（オフセット電圧によるピストン６の移動距離）/（機構的初期値）と定義される。詳しくは、オフセット電圧によるピストン６の移動距離は、加算されるオフセット電圧Ｖoffsetによるピストン６の上死点方向への移動距離で、上述した図８Ａ及び８Ｂでのストロークの中心が移動距離と同一である。すなわち、対称交流電圧でのストロークＳの中心ＣとストロークＳ’とＳ”の中心間の差を意味する。また、機構的初期値は電圧の印加されていない状態で上死点から中心Ｃまでの固定された間隔を意味する。したがって、オフセット比率が正の値であると、負荷が低冷却力である時、ピストン６の上死点方向に押されることを意味し、オフセット比率が負の値である場合は、負荷が高冷却力である時ピストン６の下死点（ＤＤＣ）方向に押されることを意味する。また、ストロークの比率は（オフセット電圧が加算された時のストローク）／（対称交流電圧によるストローク）と定義される。

したがって、オフセット比率とストローク比率の関係は、オフセット電圧によりピストン６が上死点方向に押されると、すなわちオフセット比率が正の値であると、全体のストロークが低減されるので、ストローク比率は１００％より小さくなり、オフセット比率が負の値であると、全体ストロークが増加するのでストロークの比率は１００％より大きくなる。このような関係により、非対称交流電圧を通してストロークの変更が可能となり、また冷却力の変更が可能となる。このような冷却力の変更能力は変化する負荷に迅速に対応することを可能にする。

図１０Ａ及び１０Ｂは、図６のリニアモータでの正弦波駆動電圧を設定する第２実施例に関するグラフである。

この第２実施例においてもピストン６が上死点ＴＤＣまで到達しなければならないので、電圧Ｖ５、Ｖ６の正のピーク値は最大電圧閾値Ｖｐと同一にすべく、図２Ａの電圧Ｖ２で正の領域（圧縮行程）は同一に維持されるが、ピストン６のストロークの変化のために電圧Ｖ２の負の領域（吸入行程）は変更される。

図１０Ａに示すように、制御部２０は負荷（低負荷）によって負荷電圧Ｖ２の負の領域でのピーク値Ｖ５ｐが最大電圧閾値Ｖｐより少ないように設定する。このような変更は電圧Ｖ２の負の領域を負荷に対応する所定の比率だけ（すなわち、ストロークの変化量だけ低減させるか、所定の交流電圧を加算して負荷に対応する分だけ（すなわち、ストロークの変更量だけ）低減させることによって行われる。結局、この電圧Ｖ５のピーク―ピーク値は電圧Ｖ２のピーク―ピーク値より減少されたもので、ピストン６のストロークは減少される。このような減少変更は図８Ａと同じ結果をもたらすことになる。

図１０Ｂに示すように、制御部２０は電圧Ｖ２の負の領域でのピーク値Ｖ６ｐが最大電圧閾値Ｖｐより大きいように設定する。このような変更は電圧Ｖ２の負の領域を負荷に対応する所定の比率だけ（すなわち、ストロークの変更量だけ）増加させるか、所定の交流電圧を加算して負荷に対応する分だけ（すなわち、ストロークの変更量だけ）増加させることによって行われる。この電圧Ｖ６のピーク―ピーク値は電圧Ｖ２のピーク―ピーク値より増加したものであるので、ピストン６のストロークは増加する。このような増加変化は、図８Ｂと同一の結果をもたらすことになる。

図１０Ａ及び１０Ｂにおいて、制御部２０は非対称交流電圧を設定し、この時、上述した負荷による固有周波数ｆｎを演算してこの非対称交流電圧の周波数（すなわち、運動周波数ｆｃ）がこの固有周波数ｆｎと同一になるように設定する過程を行うが、その説明はここでは省略する。

図１０Ａ及び１０Ｂに示す非対称交流電圧によるピストン６のストロークの変化は、図８Ａ及び８Ｂにそれぞれ対応し、これについての説明は省略する。

図１１は、図６の第２実施例による結果を示すグラフである。ここで、Ｘ軸は非対称比率で、Ｙ軸はストローク比率である。ここで、非対称比率は（吸入行程時のストロークの振幅）／（圧縮行程時のストロークの振幅）と定義され、ストローク比率は（非対称交流電圧印加時のストローク）／（対称交流電圧印加時のストローク）と定義される。

詳しくは、非対称比率は、図１０Ａに示すように、負のピーク値が正のピーク値より低い非対称交流電圧である場合、その値が「１」より小さくなり、この時、全体ストロークが減少することが分かる。それに対して、図１０Ｂに示すように、負のピーク値が正のピーク値より大きい非対称交流電圧である場合、その値が「１」より大きくなり、この時、全体ストロークが増加することが分かる。このような関係により、非対称交流電圧によりストロークの変更が可能となり、また冷却力の変更が可能となる。このような冷却力変更能力は変化する負荷に迅速に対応することができるようにする。

また、負荷が大きく作用することによりガススプリング定数が大きくなると同時に、ピストンの固有周波数も大きくなり、リニアモータの運転周波数も周波数推定アルゴリズムにより、ピストンの固有周波数に同期させるように非対称交流電圧の周波数を調節し、これによってリニア圧縮機は共振状態で運転が行われるようにして圧縮効率を高めることができる。

また、負荷が小さく作用することにより、ガススプリング定数が小さくなるとともに、ピストンの固有周波数も小さくなり、リニアモータの運転周波数も周波数推定アルゴリズムによりピストンの固有周波数に同期させるように非対称交流電圧の周波数を調節し、これによってリニア圧縮機は共振状態で運転が行われるようにして圧縮効率を最大化することができる。

以上、本発明の実施形態及び添付図面に基づいてムービングマグネット型のリニアモータが作動し、これと連結されたピストンがシリンダの内部で往復直線移動しながら冷媒を吸入、圧縮、吐出させるリニア圧縮機を例に上げて詳細に説明した。しかし、本発明の範囲は、以上の実施形態及び図面によって制限されるものではなく、後述する特許請求の範囲に記載された内容によってのみ限定される。

従来技術によるリニア圧縮機において、負荷によるストロークを示すグラフである。 従来技術によるリニア圧縮機において、負荷による効率を示すグラフである。 従来技術によるリニア圧縮機の運転モードによる電圧特性を示す波形図である。 従来技術によるリニア圧縮機の運転モードによるストロークを示す構成図である。 本発明によるリニア圧縮機を示す断面図である。 本発明によるリニア圧縮機において負荷によるストロークを示すグラフである。 本発明によるリニア圧縮機において負荷による効率を示すグラフである。 本発明によるリニア圧縮機において負荷によるガススプリング定数の変化を示すグラフである。 図２に示すリニアモータの構成を示す図である。 図６のリニアモータにおける正弦波駆動電圧を設定する第１実施例に関するグラフである。 図６のリニアモータにおける正弦波駆動電圧を設定する第１実施例に関するグラフである。 図６のリニアモータにおける正弦波駆動電圧を設定する第１実施例に関するグラフである。 図６のリニアモータにおける正弦波駆動電圧を設定する第１実施例に関するグラフである。 ピストン６のストロークが変化する状態図である。 ピストン６のストロークが変化する状態図である。 図６の第１実施例による結果を示すグラフである。 図６のリニアモータにおいて正弦波駆動電圧を設定する第２実施例に関するグラフである。 図６のリニアモータにおいて正弦波駆動電圧を設定する第２実施例に関するグラフである。 図６の第２実施例による結果を示すグラフである。

Claims (19)

1. 外部交流電圧を整流して直流電圧を印加する電源部と、
   前記電源部から直流電圧の印加を受け、所定のインバータ制御信号によって交流電圧を生成してリニアモータのコイル捲線体に印加するインバータ部と、
   冷却力によるリニア圧縮機の可動部材のストロークの変化量を設定して、前記変化量による非対称交流電圧を生成するための前記インバータ制御信号を生成して、前記インバータ部に印加する制御部を含み、
   前記制御部は、非対称交流電圧のピーク−ピーク値を変化させて前記可動部材のストロークを変化させ、
   前記冷却力が高冷却力である時、前記非対称交流電圧のピーク−ピーク値は、前記インバータ部の生成する交流電圧の最大電圧閾値によるピーク−ピーク値より大きい、
   ことを特徴とするリニア圧縮機の制御装置。
2. 前記非対称交流電圧の正のピーク値が、前記インバータ部の生成する交流電圧の最大電圧閾値と同一であることを特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機の制御装置。
3. 前記非対称交流電圧は、零点に対して非対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニア圧縮機の制御装置。
4. 前記非対称交流電圧は、所定のオフセット電圧に対して対称であることを特徴とする請求項３に記載のリニア圧縮機の制御装置。
5. 前記非対称交流電圧が、前記オフセット電圧より大きいと、前記可動部材が圧縮行程を遂行するようにし、オフセット電圧より小さいと、前記可動部材が吸入行程を遂行するようにすることを特徴とする請求項４に記載のリニア圧縮機の制御装置。
6. 前記冷却力が低冷却力である時、前記非対称交流電圧のピーク―ピーク値は、前記インバータ部の生成する交流電圧の最大電圧閾値によるピーク―ピーク値より小さいことを特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機の制御装置。
7. 前記オフセット電圧は、正の値であることを特徴とする請求項６に記載のリニア圧機の制御装置。
8. 前記オフセット電圧は、負の値であることを特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機の制御装置。
9. 前記非対称交流電圧の負のピーク値は、前記変化量によって変化することを特徴とする請求項３に記載のリニア圧縮機の制御装置。
10. 前記非対称交流電圧が前記零点より大きいと、前記可動部材が圧縮行程を遂行するようにし、零点より小さいと、前記可動部材が吸入行程を遂行するようにすることを特徴とする請求項９に記載のリニア圧縮機の制御装置。
11. 前記冷却力が低冷却力である時、前記非対称交流電圧の負のピーク値が前記正のピーク値より前記変化量に比例して小さく、前記冷却力が高冷却力である時、前記非対称交流電圧の負のピーク値が、前記正のピーク値より前記変化量に比例して大きいことを特徴とする請求項９に記載のリニア圧縮機の制御装置。
12. 冷却力によるリニア圧縮機の可動部材のストロークの変化量を基準にして非対称交流電圧を設定する段階と、
    前記非対称交流電圧を生成するためのインバータ制御信号を生成する段階を含み、
    前記冷却力が高冷却力である時、前記非対称交流電圧のピーク―ピーク値が、リニア圧縮機の生成する交流電圧の最大電圧閾値によるピーク―ピーク値より前記変化量に比例して大きくなるように設定する段階をさらに含むことを特徴とするリニア圧縮機の制御方法。
13. 前記非対称交流電圧を設定する段階は、前記非対称交流電圧の正のピーク値が前記最大電圧閾値と同一になるようにする段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載のリニア圧縮機の制御方法。
14. 前記非対称交流電圧を設定する段階は、所定のオフセット電圧を設定して前記非対称交流電圧の正のピーク値が前記最大電圧閾値と同一になるようにすることを特徴とする請求項１３に記載のリニア圧縮機の制御方法。
15. 前記非対称交流電圧を設定する段階は、前記冷却力が低冷却力である時、前記非対称交流電圧のピーク―ピーク値が、リニア圧縮機の生成する交流電圧の最大電圧閾値によるピーク―ピーク値より前記変化量に比例して小さくなるように設定する段階を含むことを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか一項に記載のリニア圧縮機の制御方法。
16. 前記非対称交流電圧は、前記オフセット電圧に対して対称であり、前記オフセット電圧は前記冷却力が低冷却力である時は正の値であり、前記冷却力が高冷却力である時は負の値であることを特徴とする請求項１５に記載のリニア圧縮機の制御方法。
17. 前記オフセット電圧は、零でないことを特徴とする請求項１５に記載のリニア圧縮機の制御方法。
18. 前記非対称交流電圧を設定する段階は、非対称交流電圧の負のピーク値を前記変化量によって変化させる段階を含むことを特徴とする請求項１３に記載のリニア圧縮機の制御方法。
19. 前記冷却力が低冷却力である時、前記非対称交流電圧の負のピーク値が前記正のピーク値より前記変化量に比例して小さく、前記冷却力が高冷却力である時、前記非対称交流電圧の負のピーク値が前記正のピーク値より変化量に比例して大きいことを特徴とする請求項１８に記載のリニア圧縮機の制御方法。

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