JPH09112438A - リニアコンプレッサの駆動装置 - Google Patents

リニアコンプレッサの駆動装置

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JPH09112438A
JPH09112438A JP7272252A JP27225295A JPH09112438A JP H09112438 A JPH09112438 A JP H09112438A JP 7272252 A JP7272252 A JP 7272252A JP 27225295 A JP27225295 A JP 27225295A JP H09112438 A JPH09112438 A JP H09112438A
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新一 松村
Takafumi Nakayama
隆文 中山
Hitoo Togashi
仁夫 富樫
Masahiro Maekawa
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷が変動しても高い効率を維持することが
できるリニアコンプレッサの駆動装置を提供する。 【解決手段】 コンピュータ4の位相検出部5は、電圧
検出装置2で検出された交流電源1の出力電圧Vと、電
流検出装置3で検出された交流電源1からリニアコンプ
レッサ30に流れる電流Iとの位相差Dpを検出する。
演算・制御部6は、位相差Dpに応じた値だけ交流電源
1の出力電圧Vの周波数Fを補正し、周波数Fをピスト
ン32の共振周波数Fcに一致させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はリニアコンプレッ
サの駆動装置に関し、特に、リニアモータによってピス
トンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレ
ッサの駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、冷蔵庫のような冷却装置において
膨張した冷媒ガスを圧縮する機構としてリニアコンプレ
ッサの開発が進められている。
【0003】図11は、従来のリニアコンプレッサ30
の構成を示す断面図である。図11において、このリニ
アコンプレッサ30は、シリンダ31と、シリンダ31
内に往復動自在に嵌挿されたピストン32と、ピストン
32のヘッドに面して形成された圧縮室33と、圧縮室
33内のガス圧に応じて開閉する吸込バルブ34および
吐出バルブ35とを備える。
【0004】また、このリニアコンプレッサ30は、ピ
ストン32を往復動させるためのリニアモータ36と、
ピストン32を往復動自在に支持するためのピストンば
ね41とを備える。リニアモータ36は、円筒状の継鉄
部37と、巻回されたコイルを有する固定子38,39
と、円筒状の永久磁石を有する可動体40とを含む。
【0005】継鉄部37は、シリンダ31と同心に設け
られ、その一端はシリンダ31の一端に接合される。固
定子38はシリンダ31の外周壁に設けられ、固定子3
9は継鉄部37の内周壁に設けられる。可動体40は、
固定子38と39の間に往復動自在に挿入され、その一
端はピストン32の一端に接合される。ピストンばね4
1の周辺部は継鉄部37の他端面に固定され、その中央
部41aはピストン32の一端に固定される。
【0006】ピストン32は、ピストン32および可動
体40の重量、圧縮室33内のガスの圧力変動に基づく
ガスばねのばね定数、ピストンばね41のばね定数など
から定まる共振周波数Fcを有する。共振周波数Fc
は、ピストンばね41のばね定数を調整することにより
たとえば商用電力の周波数に設定される。リニアモータ
36の固定子38,39のコイルには、図示しない交流
電源よりリニアモータ36の入力エネルギーに対する出
力エネルギーの比率(以下、効率という)Eが最大にな
るように共振周波数Fcの一定の交流電圧Vが印加され
る。
【0007】なお、これらの部品31〜41は、防音・
防振のためマウントばね42を介してケーシング43内
に収容される。
【0008】次に、このリニアコンプレッサ30の動作
について説明する。前記交流電源によってリニアモータ
36の固定子38,39のコイルに交流電圧Vを印加し
て電流Iを流すと、その電流Iの方向に応じた方向の電
磁力が可動体40の永久磁石に作用し、可動体40およ
びピストン32が往復動する。このピストン32の往復
動により、膨張ガスが吸込バルブ34を介して圧縮室3
3内に吸込まれ、圧縮室33内で生成された圧縮ガスが
吐出バルブ35を介して吐出される。
【0009】圧縮ガスは、冷却装置の熱交換器から熱を
吸収して膨張し、熱交換器を介して被冷却物を冷却させ
る。
【0010】このように、リニアコンプレッサ30で
は、リニアモータ36によってピストン32が直接駆動
されるので、動力源の回転運動がクランク機構などによ
ってピストンの往復運動に変換される回転式のコンプレ
ッサに比べて、エネルギ損失が少なくてすみ、装置の小
型化が可能となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のリニア
コンプレッサ30にあっては、リニアモータ36のコイ
ルにピストン32の共振周波数Fcの一定の交流電圧V
が印加されていたので、図12に示すように、負荷が定
格値から外れてガスばねのばね定数が変化し共振周波数
Fcが変化すると、効率Eが低下するという問題があっ
た。
【0012】それゆえに、この発明の主たる目的は、負
荷が変動しても高い効率を維持することができるリニア
コンプレッサの駆動装置を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】この発明に係る第1のリ
ニアコンプレッサの駆動装置は、リニアモータによって
ピストンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリニアコン
プレッサの駆動装置であって、前記リニアモータに駆動
電力を供給するための出力電圧の周波数の制御が可能な
交流電源、前記交流電源の出力電圧を検出するための電
圧検出手段、前記交流電源から前記リニアモータに流れ
る電流を検出するための電流検出手段、前記電圧検出手
段によって検出された出力電圧と前記電流検出手段によ
って検出された電流との位相差を検出する位相検出手
段、および前記位相検出手段によって検出された位相差
に応じた値だけ前記交流電源の出力電圧の周波数を補正
し、該周波数を前記ピストンの共振周波数に一致させる
制御手段を備えたことを特徴としている。
【0014】この第1のリニアモータの駆動装置では、
交流電源の出力電圧と交流電源からリニアモータに流れ
る電流との位相差が検出され、その検出値に応じた値だ
け交流電源の出力電圧の周波数が補正されて該周波数が
ピストンの共振周波数に保持される。したがって、負荷
が変動しても効率が低下することはない。
【0015】また、この発明に係る第2のリニアモータ
の駆動装置は、リニアモータによってピストンを往復運
動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装
置であって、前記リニアモータに駆動電力を供給するた
めの出力電圧の周波数の制御が可能な交流電源、前記交
流電源の出力電圧を検出するための電圧検出手段、前記
交流電源から前記リニアモータに流れる電流を検出する
ための電流検出手段、前記電圧検出手段と前記電流検出
手段の検出結果に基づいて前記ピストンの速度を検出す
る速度検出手段、前記電流検出手段によって検出された
電流と前記速度検出手段によって検出された速度との位
相差を検出する位相検出手段、および前記位相検出手段
によって検出された位相差に応じた値だけ前記交流電源
の出力電圧の周波数を補正し、該周波数を前記ピストン
の共振周波数に一致させる制御手段を備えたことを特徴
としている。
【0016】この第2のリニアモータの駆動装置では、
交流電源の出力電圧と交流電源からリニアモータに流れ
る電流とが検出され、これらの検出結果に基づいてピス
トンの速度が検出される。そして、その電流とピストン
の速度との位相差が検出され、その検出値に応じた値だ
け交流電源の出力電圧の周波数が補正されて該周波数が
ピストンの共振周波数に保持される。したがって、負荷
が変動しても効率が低下することがない。
【0017】また、好ましくは第1または第2のリニア
コンプレッサの駆動装置において、前記交流電源は出力
電圧の電圧値の制御も可能であり、前記制御手段は前記
交流電源の出力電圧の周波数に応じた値だけ前記交流電
源の出力電圧の電圧値を補正し、前記ピストンのストロ
ークを一定に保持する。これにより、高負荷時ほど大き
な電力が供給されることとなり、適切な冷却特性が得ら
れる。
【0018】
【発明の実施の形態】
[実施の形態1]図1および図2は、この発明の実施の
形態1によるリニアコンプレッサの駆動装置の原理を説
明するための図である。
【0019】図1を参照して、交流電源の出力電圧Vの
周波数Fを共振周波数Fcに一定に保った状態で、負荷
を高くすると、交流電源の出力電圧Vに対する交流電源
からリニアモータ36に流れる電流Iの位相が遅れ、負
荷を低くすると電圧Vに対する電流Iの位相が進む。し
たがって、電圧Vに対する電流Iの位相差Dpを検出す
ることにより負荷を検出することができる。
【0020】また、図2を参照して、負荷を定格に保っ
た状態で、周波数Fを共振周波数Fcよりも高くすると
位相差Dpが正側に大きくなり、周波数Fを共振周波数
Fcよりも低くすると位相差Dpが負側に大きくなる。
したがって、周波数Fを調整することにより、位相差D
pを0度にすることができる。
【0021】以上より、電圧Vと電流Iの位相差Dpを
検出し、その位相差Dpが0度になるように交流電源の
周波数Fを調整することにより、負荷変動に伴って変動
した共振周波数Fcに交流電源の周波数Fを一致させる
ことができ、効率Eを高レベルに維持することができ
る。
【0022】図3は、図1および図2で説明した原理に
基づくリニアコンプレッサの駆動装置の構成を示すブロ
ック図である。
【0023】図3において、このリニアコンプレッサの
駆動装置は、交流電源1、電圧検出装置2、電流検出装
置3およびコンピュータ4を備え、コンピュータ4は位
相検出部5および演算・制御部6を含む。
【0024】交流電源1は、コンピュータ4の演算・制
御部6から与えられた周波数制御信号に応じた周波数f
の電圧Vをリニアコンプレッサ30に出力する。電圧検
出装置2は、交流電源1の出力電圧Vを検出し、検出値
Vをデジタル信号に変換してコンピュータ4の位相検出
部5に与える。電流検出装置3は、交流電源1からリニ
アコンプレッサ30に流れる電流Iを検出し、検出値I
をデジタル信号に変換してコンピュータ4の位相検出部
5に与える。
【0025】コンピュータ4の位相検出部5は、電圧検
出装置2および電流検出装置3から与えられたデジタル
信号に基づいて、交流電源1の出力電圧Vに対する電流
Iの位相差Dpを算出する。コンピュータ4の演算・制
御部6には、図4に示すように、交流電源1の出力電圧
Vの周波数Fをピストン32の共振周波数Fcに一致さ
せるために必要な、位相差Dpと周波数補正量ΔFの関
係が計算式またはデータテーブルとして格納されてい
る。演算・制御部6は、位相検出部5で検出された位相
差Dpに応じた周波数補正量ΔFを算出し、算出結果に
基づいた周波数制御信号を交流電源1に与える。
【0026】図5は、コンピュータ4の動作を示すフロ
ーチャートである。このフローチャートに従って、この
リニアコンプレッサの駆動装置の動作について説明す
る。交流電源1からリニアコンプレッサ30に駆動電力
が供給され、リニアコンプレッサ30が駆動される。交
流電源1の出力電圧Vが電圧検出装置2によって検出さ
れ、交流電源1からリニアコンプレッサ30に流れる電
流Iが電流検出装置3によって検出される。
【0027】コンピュータ4の位相検出部5は、ステッ
プS1において電圧検出装置2および電流検出装置3か
ら電圧値Vおよび電流値Iを読込む。次に、位相検出部
5は、ステップS2において電圧値Vおよび電流値Iの
波形の立上がりタイミングなどを算出し、その算出結果
に基づきステップS3において電圧Vに対する電流Iの
位相差Dpを算出する。演算・制御部6は、ステップS
4において位相差Dpに応じた周波数補正量ΔFを算出
し、ステップS5において周波数制御量Ff=Ff+Δ
Fを算出し、ステップS6において周波数制御量Ffに
応じた周波数制御信号を交流電源1に出力する。
【0028】コンピュータ4は、ステップS7において
制御処理が終了したか否かを判別し、制御処理が終了し
ていない場合は再びステップS1に戻る。
【0029】したがって、この実施の形態1において
は、図6に示すように、負荷の変動に伴ってピストン3
2の共振周波数Fcが変動しても交流電源1の出力電圧
Vの周波数Fは常に共振周波数Fcに一致するように制
御され、効率Eが常に高レベルに維持される。
【0030】なお、図7に示すように、駆動周波数Fが
高くなるに従ってピストン32のストロークが小さくな
る傾向があるので、駆動周波数Fの補正量に応じた値だ
け駆動電圧Vを制御することによりピストン32のスト
ロークを最適値に保持する構成としてもよい。
【0031】[実施の形態2]図8は、この発明の実施
の形態2によるリニアコンプレッサの駆動装置の原理を
説明するための図であって、特に、図8(a)は、交流
電源の出力電圧Vに対する電流IのゲインGieと、電
圧Vに対するピストン32の速度vのゲインGveとの
周波数特性を示す図、図8(b)は、電圧Vに対する交
流電源からリニアモータ36に流れる電流Iの位相差D
pieと、電圧Vに対するピストン32の速度vの位相
差Dpveとの周波数特性を示す図である。
【0032】図8において、位相差DpieとDpve
は、共振周波数Fcにおいて一致しかつ0度(図では−
360度)になっている。また、駆動周波数Fが共振周
波数Fcよりも高い範囲では電流Iが速度vよりも位相
が進み、駆動周波数Fが共振周波数Fcよりも低い範囲
では電流Iが速度vよりも位相が遅れる。したがって、
電流Iが速度Vよりも位相が進んでいる場合は駆動周波
数Fを下げ、電流Iが速度vよりも位相が遅れている場
合は駆動周波数Fを上げるように制御することによって
共振周波数Fcで駆動することができ、効率Eを高レベ
ルに維持することができる。
【0033】図9は、図8で説明した原理に基づくリニ
アコンプレッサの駆動装置の構成を示すブロック図であ
る。
【0034】図9において、このリニアコンプレッサの
駆動装置は、直流電源11、インバータ12およびコン
ピュータ13を備え、コンピュータ13は速度推定部1
4および周波数調整部15を含む。
【0035】直流電源11は、所定の直流電圧をインバ
ータ12に出力する。インバータ12は、直流電源11
から入力された直流電圧を、コンピュータ13の周波数
調整部15から与えられた周波数制御信号に応じた周波
数Fの交流電圧Vに変換する。インバータ12の出力電
圧Vはリニアコンプレッサ30のリニアモータ36のコ
イルに印加される。
【0036】コンピュータ13の速度推定部14は、イ
ンバータ12の出力電圧Vと、インバータ12からリニ
アコンプレッサ30に流れる電流Iとに基づいてリニア
コンプレッサ30のピストン32の速度vを推定する。
コンピュータ13の周波数調整部15は、電流Iと速度
vの位相差Dpを検出し、その位相差Dpが0度になる
ようにインバータ12に周波数制御信号を与える。
【0037】図10は、図9に示したリニアコンプレッ
サの駆動装置の動作を示すブロック線図である。このブ
ロック線図に従って、リニアコンプレッサの駆動装置の
動作について説明する。
【0038】インバータ12からリニアコンプレッサ3
0に電圧Vが印加されると、リニアコンプレッサ30の
リニアモータ36のコイルが有するインダクタンスL、
容量値Cおよび抵抗値Rに応じた電流Iがインバータ1
2からリニアコンプレッサ30に流れ、電流Iに比例し
た力kfIが発生する。この力kfIと、ピストン32
および可動体40の質量と、圧縮室33内のガス圧に基
づくガスばねおよびピストンばね41のばね定数とによ
りピストン32の速度vが決まり、速度vに比例した電
圧kfvがリニアモータ36のコイルに負帰還される。
したがって、リニアモータ36のコイルに流れる電流I
は、ピストン32の速度vが大きくなって負帰還される
誘起電圧kfvが大きくなると小さくなる。
【0039】インバータ12の出力電圧Vとリニアモー
タ36のコイルに流れる電流Iとがコンピュータ14の
速度推定部14に与えられ、これらの値V,Iと予め測
定されているリニアモータ36のコイルのインピーダン
スとからピストン32の速度vが次式に基づいて算出さ
れる。
【0040】
【数1】
【0041】速度の算出値vと電流Iがコンピュータ1
3の周波数調整部15に与えられ、これらの位相差Dp
に応じた値だけインバータ12の周波数Fが周波数調整
部15によって補正される。これにより、インバータ1
2の周波数Fがピストン32の共振周波数Fcに一致す
ることとなる。
【0042】この実施の形態2でも、実施の形態1と同
様の効果が得られる。
【0043】
【発明の効果】以上のように、この発明の第1のリニア
モータの駆動装置では、交流電源の出力電圧と交流電源
からリニアモータに流れる電流との位相差が検出され、
その検出値に応じた値だけ交流電源の出力電圧の周波数
が補正されて該周波数がピストンの共振周波数に保持さ
れる。したがって、負荷が変動しても効率が低下するこ
とはない。
【0044】また、この発明の第2のリニアモータの駆
動装置では、交流電源の出力電圧と交流電源からリニア
モータに流れる電流とが検出され、これらの検出結果に
基づいてピストンの速度が検出される。そして、その電
流とピストンの速度との位相差が検出され、その検出値
に応じた値だけ交流電源の出力電圧の周波数が補正され
て該周波数がピストンの共振周波数に保持される。した
がって、負荷が変動しても効率が低下することがない。
【0045】また、第1または第2のリニアコンプレッ
サの駆動装置において、交流電源の出力電圧の周波数に
応じた値だけ交流電源の出力電圧の電圧値を補正してピ
ストンのストロークを一定に保持すれば、高負荷時ほど
大きな電力が供給され低負荷時ほど小さな電力が供給さ
れることとなり、適切な冷却特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1によるリニアコンプレ
ッサの駆動装置の原理を説明するための図である。
【図2】この発明の実施の形態1によるリニアコンプレ
ッサの駆動装置の原理を説明するための他の図である。
【図3】図1および図2で説明した原理に基づくリニア
コンプレッサの駆動装置の構成を示すブロック図であ
る。
【図4】図3に示したコンピュータ4の演算・制御部6
に格納されている電圧Vに対する電流Iの位相差Dpと
周波数補正量ΔFとの関係を示す図である。
【図5】図3に示したコンピュータ4の動作を示すフロ
ーチャートである。
【図6】図1ないし図5で説明したリニアコンプレッサ
の駆動装置の効果を説明するための図である。
【図7】図1ないし図6で説明したリニアコンプレッサ
の駆動装置の改良例を説明するための図である。
【図8】この発明の実施の形態2によるリニアコンプレ
ッサの駆動装置の原理を説明するための図である。
【図9】図8で説明した原理に基づくリニアコンプレッ
サの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図10】図9に示したリニアコンプレッサの駆動装置
の動作を示すブロック線図である。
【図11】従来のリニアコンプレッサの構成を示す断面
図である。
【図12】図11に示したリニアコンプレッサの問題点
を説明するための図である。
【符号の説明】
1 交流電源 2 電圧検出装置 3 電流検出装置 4,13 コンピュータ 5 位相検出部 6 演算・制御部 11 直流電源 12 インバータ 14 速度推定部 15 周波数調整部 30 リニアコンプレッサ 31 シリンダ 32 ピストン 33 圧縮室 36 リニアモータ 41 ピストンばね
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前川 正弘 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リニアモータによってピストンを往復運
    動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装
    置であって、 前記リニアモータに駆動電力を供給するための出力電圧
    の周波数の制御が可能な交流電源、 前記交流電源の出力電圧を検出するための電圧検出手
    段、 前記交流電源から前記リニアモータに流れる電流を検出
    するための電流検出手段、 前記電圧検出手段によって検出された出力電圧と前記電
    流検出手段によって検出された電流との位相差を検出す
    る位相検出手段、および前記位相検出手段によって検出
    された位相差に応じた値だけ前記交流電源の出力電圧の
    周波数を補正し、該周波数を前記ピストンの共振周波数
    に一致させる駆動手段を備える、リニアコンプレッサの
    駆動装置。
  2. 【請求項2】 リニアモータによってピストンを往復運
    動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装
    置であって、 前記リニアモータに駆動電力を供給するための出力電圧
    の周波数の制御が可能な交流電源、 前記交流電源の出力電圧を検出するための電圧検出手
    段、 前記交流電源から前記リニアモータに流れる電流を検出
    するための電流検出手段、 前記電圧検出手段と前記電流検出手段の検出結果に基づ
    いて前記ピストンの速度を検出する速度検出手段、 前記電流検出手段によって検出された電流と前記速度検
    出手段によって検出された速度との位相差を検出する位
    相検出手段、および前記位相検出手段によって検出され
    た位相差に応じた値だけ前記交流電源の出力電圧の周波
    数を補正し、該周波数を前記ピストンの共振周波数に一
    致させる制御手段を備える、リニアコンプレッサの駆動
    装置。
  3. 【請求項3】 前記交流電源は、出力電圧の電圧値の制
    御も可能であり、 前記制御手段は、前記交流電源の出力電圧の周波数に応
    じた値だけ前記交流電源の出力電圧の電圧値を補正し、
    前記ピストンのストロークを一定に保持する、請求項1
    または2に記載のリニアコンプレッサの駆動装置。
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