JP4744451B2 - リニアモータ、リニア圧縮機、リニア圧縮機制御方法、冷却システムとリニア圧縮機制御システム - Google Patents
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Description
機構の共振周波数は完全には固定されない。圧縮時に、ガスは、ばね(「ガスばね」としても知られる)に類似の機械的効果を有し、この「ガスばね」は、ピストンと弁板の間の距離とリニア圧縮機が動作する圧力の2個の要因によって主に影響される。
冷却器には、基本的に、簡略型冷却器と電子技術搭載冷却器の2個の型式がある。一般の冷却器への適用に加えて、本発明の教示は、一般の冷却システム、例えば、空調システムに適用される。この場合、その唯一の概念的差異は、空調システムが部屋(又は冷却された環境)に適用されるのに対し、冷却器又は冷凍機の場合、そのシステムは閉鎖キャビネット内で使用される事実に存する。
リニア圧縮機を含むシステムの効率を改良する方法の一つは、ピストンを夫々のストローク端にできるだけ近づけることである。これらの手法の例は、米国特許第5,156,005号と米国特許第5,342,176号の文献に記載されている。これらの2件の文献では、ピストン範囲の制御が記載されている。しかしながら、これらの手法のいずれも、リニア圧縮機が共振で動作するように振幅の制御を予見していない。よって、これらの文献の教示に基づけば、リニア圧縮機は、その負荷条件に応じて低効率で動作する。
本発明は、従来のサーモスタット(オン/オフ型)を有するいかなるシステムへもリニア圧縮機の使用を許容すると共に、更に、動作容量の調整を許容することにより、リニア圧縮機の全ポテンシャルを使用する。
本発明は、システムを常にできるだけ最大効率で動作させるように、リニア圧縮機の機能を最適化する。
本発明は、常に最適機能状態で動作すべき共振リニアモータを、その挙動を制御する外部回路を使用する必要無しに、運転する。
ここで、kは定数であり、δDPはピストン変位導関数であり、δtは時間導関数である。
図3は、簡略型冷却器に適用される冷却システム20を図示する。理解されるように、この場合、冷却システム20は、処理ユニット22をオンオフする信号だけを供給する。このようにして、冷却システム20は、電子技術搭載冷却器/冷却システムに予見される全ての電子技術を免除することができる。更に、この構造により、処理ユニット22を、各種の冷却器/冷凍機/冷却システム20メーカーに供給されるリニア圧縮機100に組込むことができることにより(番号31参照)、従来の装置と比較して高い融通性を有する装置となる。処理ユニット22に連係する近接センサー30は、ピストン1が夫々のストローク端に接近する時にピストン1の位置を提供する。実際上、ピストンストロークの小さな変動はリニア圧縮機の容量の大きな変動に対応するので、例えば、8.5mmの最大ストローク(最大容量)に対して、最小ストロークは約6.5mm(零に近い容量)となる、即ち、容量に対するストローク変動範囲の約2mmは、零から最大まで変動する。
図5は、リニア圧縮機100を共振に保持できるように、リニアモータ10に印加すべき被制御電圧VMを得るようにする、本発明の第1の実施の形態にかかるアルゴリズムを図示する。理解されるように、被制御電圧VMの値を計算するために、動的位相φPと電流供給位相φCの差、即ち、
φPC=φP−φC
から得られる測定位相φPCを計算する必要がある。
EDP=DPREF−DPMAX
ここで、制御における標準的な専門用語から知られるように、KPは比例定数であり、KDは微分定数であり、Kiは積分定数である。
ここで、定数は上記のものと同じである。
構造的に、リニア圧縮機100とリニア圧縮機100を制御するシステムは、以下の特性を有する。リニア圧縮機100は、ピストン1を備える共に、リニアモータ10によって駆動され、更に、リニアモータ10は、被制御電圧VMで制御される変位範囲を生じ、この被制御電圧VMは電圧周波数fPを有する。ピストン1の変位範囲は、冷却システム20の可変要求量の関数として処理ユニット22を介して動的に制御され、処理ユニット22が、ピストン1の変位範囲を調整することにより、リニア圧縮機100が、冷却システム20の要求量の変動の間じゅう動的に共振に保持される。よって、変位範囲は、冷却システム20によって要求される負荷の変動に起因する変化の間じゅう調整されて、リニア圧縮機に共振動作させる。リニア圧縮機100を制御するシステムは、単体で捉えた時、リニア圧縮機に共振動作させるべく変位範囲の動的調整をするように、リニア圧縮機に適用可能であるべきである。
既述したように、冷却器/冷凍機又は空調システム及び類似のシステムを含む冷却システム20は、リニア圧縮機100によって作動されるオン/オフ型サーモスタットを備えて、サーモスタットがリニア圧縮機をオンする時間の間にピストンの変位範囲を冷却システム20の可変要求量の関数として動的に制御するようにすべきである。処理ユニット22は、冷却システム20の要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機に共振動作させるように、ピストンの変位範囲を動的に調整すべきである。
一般のリニア圧縮機に使用可能な制御部を想定して、本発明の教示を他の型式の利用に適用されるリニアモータ10に用いることができる。この場合、アクチュエータ(不図示)は、圧縮機100に使用されるピストン1と同じ機能を有する。即ち、アクチュエータは、固定子411において発生される力を受けて、負荷を移動させると共に、共振周波数を有する共振組立物を形成する。
制御方法を実行するために、処理ユニット22は、リニア圧縮機100の運転の間じゅうピストン1の変位範囲を監視すると共に、リニア圧縮機100の要求量の変動の関数として変位範囲を動的に調整する。よって、リニア圧縮機100は、冷却システム20の要求量の変動の間じゅう共振に保持される。
本発明の第2の好ましい実施の形態によれば、圧縮機を常に共振で運転させるべく、モータに印加される周波数を制御するように、圧縮機を制御する別の方法が提供される。
この場合、可変周波数インバータ(不図示)を使用することにより、制御が可変周波数で行われる。このようにして、リニア圧縮機100に印加される負荷が変更される時、システムの動的位相φPの変化もあり、それが本発明の制御システムによって検出されて、圧縮機を共振で運転するように周波数を変化させる。この制御は、冷却システム20の要求量の変動が生じるにつれて、可変周波数インバータによりリニア圧縮機100の共振周波数に等しい値に電圧周波数fVPを調整することにより、動的に行われる。
リニア圧縮機を従来のサーモスタットを備える簡単なシステムに適用すると共に、可変容量の利点を用いることができることと、
冷却/冷凍システム20のコストを低減することと、
リニア圧縮機の機能を最適化すること(リニア圧縮機が常に最大効率で動作すること)と、
リニア圧縮機の性能が改善されることと、
冷却システム20の必要に応じたリニア圧縮機のポンピング容量に補正があることとである。
2 シリンダ
3 ヘッド
8 コイルばね
10 リニアモータ
11 コイル
20 冷却システム
22 処理ユニット
40 マイクロコントローラ
41 トライアック
100 リニア圧縮機
Claims (19)
- 固定子(411)と、アクチュエータとを備えるリニアモータ(10)において、
リニアモータ(10)に印加されると共に可変周波数インバータで処理ユニット(22)によって調整される被制御電圧(VM)が、固定子(411)に供給され、又、リニアモータ(10)は、アクチュエータの変位から負荷を移動させると共に、共振周波数を有する共振組立物を負荷と形成し、更に、処理ユニット(22)が、アクチュエータの変位範囲を被制御電圧(VM)によって制御するように構成され、且つ、処理ユニット(22)が、共振組立物を共振に動的に保持するように、負荷変動の間じゅう共振周波数の変動に比例して変位範囲を選択的に増減するリニアモータ。 - 冷却システム(20)に適用可能なリニア圧縮機(100)において、
リニアモータ(10)によって駆動されるピストン(1)を備えると共に共振周波数を有し、又、ピストン(1)が、被制御電圧(VM)によって制御される変位範囲を有し、又、被制御電圧(VM)が、リニアモータ(10)に印加されると共に処理ユニット(22)によって調整される電圧周波数(FVM)を有し、更に、処理ユニット(22)が、ピストン(1)の変位範囲を冷却システム(20)の可変要求量の関数として動的に制御するように構成され、且つ、リニア圧縮機(100)が冷却システムの要求量の変動の間じゅう共振に動的に保持されるように、処理ユニット(22)がピストンの変位範囲を調整し、又、ピストンの変位の制御が、可変周波数インバータによって調整される被制御電圧(VM)によって行われ、更に、冷却システム(20)の要求量の変動が生じると、可変周波数インバータが、リニア圧縮機(100)の共振周波数の値に等しい値に被制御電圧(VM)の電圧周波数(fVM)を動的に調整するリニア圧縮機。 - 被制御電圧(VM)が、リニアモータ(10)内を循環する供給電流(iA)を発生する一方、処理ユニット(22)が、供給電流(iA)の供給位相(φC)とリニア圧縮機(100)のピストン(1)の動的位相(φP)を測定し、更に、処理ユニット(22)が、供給位相(φC)と動的位相(φP)の間の差を測定することにより、測定位相(φPC)を確定し、且つ、測定位相(φPC)の値が零になるように、処理ユニット(22)が被制御電圧(VM)を調整する請求項2に記載のリニア圧縮機。
- 測定位相(φPC)の値が正である時に被制御電圧(VM)が減少させられる一方、測定位相(φPC)の値が負である時に被制御電圧(VM)が増加させられる請求項3に記載のリニア圧縮機。
- 供給位相(φC)が、供給電流(iA)の予備設定時点から得られる請求項4に記載のリニア圧縮機。
- 供給電流(iA)の予備設定時点が、供給電流(iA)による零の通過である請求項5に記載のリニア圧縮機。
- 予備設定時点が、供給電流(iA)を零に保留する平均点において得られる請求項6に記載のリニア圧縮機。
- 動的位相(φP)が、ピストン(1)の変位(DP)の信号から得られる請求項7に記載のリニア圧縮機。
- 動的位相(φP)の値が、処理ユニット(22)に電気的に連係する変位センサー(30)によって得られる請求項8に記載のリニア圧縮機。
- 動的位相(φP)の値が、ピストン(1)の変位(DP)の位置から得られる請求項9に記載のリニア圧縮機。
- リニアモータ(10)によって駆動されるピストン(1)を備えるリニア圧縮機(100)を制御する方法において、
リニアモータ(10)が、リニアモータ(10)の電圧周波数(FVP)を有する被制御電圧(VM)を供給されると共にリニア圧縮機(100)の容量を発生し、又、リニアモータ(10)の供給周波数(fVP)を測定すると共に、その測定値を基準周波数(RF)と比較することにより、供給周波数(fVP)を補償するステップと、電圧周波数(fVP)が基準周波数(RF)より高い場合にリニア圧縮機(100)の容量を増加させるか、又は、電圧周波数(fVP)が基準周波数(RF)より低い場合にリニア圧縮機(100)の容量を減少させるステップとを備える方法。 - リニア圧縮機(100)の容量を増加又は減少させるステップの後で、安定化時間の経過を待つステップを設けた請求項11に記載の方法。
- 安定化時間の経過後に、リニアモータ(10)の供給周波数を再び測定する請求項12に記載の方法。
- リニアモータ(10)によって駆動されるピストン(1)を備えるリニア圧縮機(100)を制御する方法において、
ピストン(1)は、被制御電圧(VM)によって制御される変位範囲を有し、又、被制御電圧(VM)が、リニアモータ(10)に印加されると共に処理ユニット(22)によって調整される電圧周波数(fVM)を有し、且つ、被制御電圧(VM)が、リニアモータ(10)内を循環する供給電流(iA)を発生する一方、供給電流(iA)の供給位相(φC)とリニア圧縮機(100)のピストン(1)の動的位相(φP)を測定するステップと、供給位相(φC)と動的位相(φP)の間の差を測定することにより、測定位相(φPC)を確定するステップと、測定位相(φPC)の値が零になるよう冷却システム(20)の要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機(100)が共振に保持されるように、リニア圧縮機(100)の要求量の変動の関数として変位範囲を動的に調整するステップとを備える方法。 - 測定位相(φPC)を確定するステップの後で、測定位相(φPC)の値が負である時はピストン(1)の変位範囲を増加させるステップ又は測定位相(φPC)の値が正である時はピストン(1)の変位範囲を減少させるステップを設けた請求項14に記載の方法。
- ピストン(1)の変位範囲を増加又は減少させるステップの後で、安定化時間の経過を待つことを最初に行う請求項15に記載の方法。
- 安定化時間の経過後に、供給位相(φC)と動的位相(φP)の間の差を新たに測定する請求項16に記載の方法。
- リニア圧縮機(100)と、リニア圧縮機(100)を作動させるオン/オフ型サーモスタットとを備える冷却システム(20)において、
リニア圧縮機(100)が、リニアモータ(10)によって駆動されるピストン(1)を備え、又、ピストン(1)が、被制御電圧(VM)によって制御される変位範囲を有し、更に、被制御電圧(VM)が、リニアモータ(10)に印加されると共に処理ユニット(22)によって調整される電圧周波数(fVM)を有する一方、サーモスタットがリニア圧縮機(100)をオンしている間、ピストン(1)の変位範囲が、冷却システム(20)の可変要求量に関して動的に制御され、又、リニア圧縮機(100)が共振周波数を有し、更に、冷却システム(20)の要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機(100)が共振に動的に保持されるように、処理ユニット(22)がピストン(1)の変位範囲を調整し、又、変位が、被制御電圧(VM)で可変周波数インバータによって調整され、更に、冷却システム(20)の要求量の変動が生じると、可変周波数インバータが、リニア圧縮機(100)の共振周波数の値に等しい値に被制御電圧(VM)の電圧周波数を動的に調整する冷却システム。 - リニア圧縮機(100)を制御する制御システムにおいて、
ピストン(1)の変位範囲を測定する処理ユニット(22)を備え、又、冷却システム(20)の要求量の変動の間じゅうリニア圧縮機(100)を共振に動的に保持するように、処理ユニット(22)がピストン(1)の変位範囲を調整し、更に、制御部が、供給電流(iA)の供給位相(φC)とリニア圧縮機(100)のピストン(1)の動的位相(φP)を測定するように構成され、又、処理ユニット(22)が、供給位相(φC)と動的位相(φP)の間の差を測定することにより、測定位相(φPC)を確定し、且つ、測定位相(φPC)の値が零になるように、処理ユニット(22)が被制御電圧(VM)を調整する一方、変位が、被制御電圧(VM)で可変周波数インバータによって調整され、更に、冷却システム(20)の要求量の変動が生じると、可変周波数インバータが、リニア圧縮機(100)の共振周波数の値に等しい値に被制御電圧(VM)の電圧周波数を動的に調整する制御システム。
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