JPH09195949A - リニアコンプレッサの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 所望の駆動電力を得ると共に、高効率を維持
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。 【課題解決手段】 リニアモータ１に駆動電力を供給す
るための出力電圧及びその周波数の制御が可能な交流電
源１１と、ピストン３２又は可動体４０の往復移動経路
途中の所定位置に設けられ、該所定位置を前記ピストン
３２又は可動体４０が通過する時間間隔を検出する時間
間隔検出手段１３と、該時間間隔検出手段１３によって
検出された時間間隔に基づき現在の負荷状態を検知する
負荷状態検知手段１４と、該負荷状態検知手段１４によ
って検出された負荷状態に応じて、前記出力電圧及び周
波数を制御する制御手段１５と、を備える。

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、冷蔵庫のような冷凍装置において
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９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９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及び吐出バ
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。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３９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３
９の間に往復動自在に挿入され、その一端はピストン３
２の一端に接合される。ピストンばね４１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。

【０００５】ピストン３２は、ピストン３２及び可動体
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。従って、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
交流電源より共振周波数Ｆｃの一定の交流電圧が印加さ
れる。

【０００６】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。一方、代表的な冷凍装置として、図１０
に示す如く、リニアコンプレッサ３０（圧縮機）、凝縮
器１０１、膨張弁１０２及び蒸発器１０３をガス流路１
０４にて接続した密閉式の冷凍装置が知られており、リ
ニアコンプレッサ３０は、蒸発器１０３で気化した冷媒
ガスを、ガス流路１０４を通じて吸入して高圧に圧縮
し、高圧となった冷媒ガスをガス流路１０４を経て凝縮
器１０１に吐出する装置として使用されている。このた
め、図９に示すように、圧縮室３３には、吸込バルブ３
４及び吐出バルブ３５からなる弁機構を介して外部のガ
ス流路１０４が接続されている。

【０００７】以上の構成により、従来装置では吸込バル
ブ３４から吸入された冷媒ガスを圧縮室３３で高圧に圧
縮した後、吐出バルブ３５を介して凝縮器１０１に供給
している。

【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を印加して
電流を流すと、その電流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及びピスト
ン３２が往復動する。このピストン３２の往復動によ
り、冷媒ガスが吸込バルブ３４を介して圧縮室３３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】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済み、装置の小
型化が可能となる。

【００１０】

【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には以下のような問題があった。すな
わち、冷凍装置の起動開始後又は熱負荷の増加等の場合
には、予め設定されたリニアコンプレッサ３０の吐出圧
力（以下、定格吐出圧力という）に比較してその吐出圧
力が高くなり、即ちリニアコンプレッサ３０に対する負
荷が高い状態（以下、高負荷状態という）では、図１１
に示すように、ピストン３２の中立位置（ピストン３２
の振幅中心）が下降して出力が低下し、かえって冷凍能
力が低下してしまう虞れがあった。逆に、冷凍装置の定
常運転中又は熱負荷の減少等の場合には、リニアコンプ
レッサ３０の吐出圧力が定格吐出圧力以下となり、即ち
リニアコンプレッサ３０に対する負荷が低い状態（以
下、低負荷状態という）では、ピストン３２の中立位置
が上昇して出力が上昇し、必要以上に冷凍能力が上昇し
てしまう虞れがあった。

【００１１】また、上述の共振周波数Ｆｃは、、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と
上述の関係を有するため、定格吐出圧力時を想定して駆
動周波数を決定した場合、高負荷状態或いは低負荷状態
においてばね定数ｋ１が変化することによって、共振周
波数が変化して駆動周波数と一致せず、効率が低下する
という問題があった。

【００１２】本発明は斯かる点に鑑みて為されたもので
あって、リニアコンプレッサに対する負荷状態を検知
し、その負荷状態に応じて駆動電圧及び駆動周波数を制
御して、所望の駆動電力を得ると共に、高効率を維持す
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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のリニアコンプレ
ッサの駆動装置は、リニアモータに駆動電力を供給する
ための出力電圧及びその周波数の制御が可能な交流電源
と、前記ピストン又は可動体の往復移動経路途中の所定
位置に設けられ、該所定位置を前記ピストン又は可動体
が通過する時間間隔を検出する時間間隔検出手段と、該
時間間隔検出手段によって検出された時間間隔に基づき
現在の負荷状態を検知する負荷状態検知手段と、該負荷
状態検知手段によって検出された負荷状態に応じて、前
記出力電圧及び周波数を制御する制御手段と、を備えて
いる。更に、具体的には、前記負荷状態検知手段は、前
記時間間隔検出手段によって検出された時間間隔に基づ
きピストンの振幅中心位置を求め、該振幅中心位置に基
づいて現在の負荷状態を検知しており、また、前記制御
手段は、前記負荷状態検知手段により検出された負荷状
態に対する共振周波数に制御するものである。

【００１４】この構成を用いることにより、負荷状態に
拘わらず、常に共振状態でリニアコンプレッサ１を駆動
させることが可能となると共に、常に負荷状態に応じた
適切な駆動電力に制御でき、所望の冷凍能力が得られ
る。

【００１５】また、前記ピストン又は可動体に一体的に
取り付けられた磁石部材と、該磁石部材の往復移動経路
途中の所定位置に設けられたソレノイドと、該ソレノイ
ドに誘起される誘起起電力を検出する起電力検出手段
と、を備え、前記時間間隔検出手段は、前記起電力検出
手段からの検出結果に基づいて、前記磁石部材が前記ソ
レノイドを通過する時間間隔を検出する構成としてもよ
い。

【００１６】この構成を用いることにより、ピストンの
振幅中心位置（中立位置）を検出するための回路及び部
品等を簡易な構成で実現することができる。更に、前記
負荷状態検知手段は、前記時間間隔検出手段によって検
出された時間間隔と、前記交流電源の出力電圧値とに基
づいてピストンの振幅中心位置を求める構成としてもよ
い。これにより、交流電源の出力電圧値の変化に基づく
ピストンのストローク変化を考慮したピストンの中立位
置検出が可能となり、正確にピストンの中立位置が検出
される。

【００１７】或いは、前記負荷状態検知手段は、前記時
間間隔検出手段によって検出された時間間隔と、前記起
電力検出手段によって検出された誘起起電力のピーク値
とに基づいて、ピストンの振幅中心位置を求める構成と
してもよい。これにより、ピストンの移動速度が直接検
出され、ピストンの中立位置検出の精度を一層向上させ
ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明のリ
ニアコンプレッサの駆動装置の一実施形態について説明
する。尚、前述の従来装置（図９）と同じ構成について
は同一符号を付して示しており、これらの部分の詳細な
説明は省略する。

【００１９】本発明のリニアコンプレッサ１は、上述し
た如く、密閉形の冷凍装置の圧縮機として用いられる。
そして、そのリニアコンプレッサ１には、図１に示す如
く、ピストン３２の一端が固定されたピストンばね４１
の中央部４１ａの裏面側に永久磁石２が一体的に固定さ
れており、ピストン３２の往復移動に伴って一体的に移
動する。

【００２０】そして、往復移動中の磁石２が所定位置に
来たときに対向する場所に、ソレノイド３が設けられて
おり、磁石２による磁界によってこのソレノイド３に誘
起される起電力を検出する起電力検出手段４がリニアコ
ンプレッサ１外部に設けられている。これによって、磁
石２がソレノイド３と対向する場所を通過するとき、起
電力検出手段４によって検出されるソレノイド３の誘起
起電力が最大となるため、その事を利用して磁石２の通
過を検知することができる。尚、本実施形態では、定格
負荷状態において、ピストン３２が中立位置に位置する
時に、磁石２がソレノイド３に対向するように設けてい
る。その他の構成は、上述の従来装置と同様であるので
詳細な説明は省略する。

【００２１】次に、本発明のリニアコンプレッサの駆動
装置の回路構成について、図２に示す機能的ブロック図
に基づいて説明する。図２に示すように、このリニアコ
ンプレッサ１の駆動装置は、交流電源１１、起電力検出
手段４、電圧検出手段１２、時間間隔検出手段１３、負
荷状態検知手段１４、制御手段１５、第１記憶手段１６
及び第２記憶手段１７を備えている。尚、時間間隔検出
手段１３、負荷状態検知手段１４及び制御手段１５は、
ともにマイクロコンピュータにより構成されており、同
一のマイクロコンピュータによって構成しても構わな
い。

【００２２】交流電源１１は、制御手段１５から与えら
れた電圧値制御信号及び駆動電圧の周波数制御信号に応
じた値の電圧Ｖｃ及び周波数ｆｃをリニアコンプレッサ
１に出力する。電圧検出装置１２は、交流電源１１の出
力電圧を検出し、その検出結果を制御手段１５に与え
る。

【００２３】時間間隔検出手段１３は、起電力検出手段
４からの検出誘起起電力値に基づいて、磁石２がソレノ
イド３を通過してから、再び磁石２がソレノイド３を通
過するまでの時間間隔を検出し、その検出結果を負荷状
態検知手段１４に送出している。具体的には、図３に示
すように、ピストン３２は交流電源１１からの駆動電圧
波形（図３（ａ））に対して約９０度の位相差をもって
が往復移動する。このため、可動体４０に一体的に取り
付けられている磁石２がソレノイド３付近を通過すると
き、ソレノイド３に誘起起電力が発生する。このことを
利用して、ソレノイド３に発生する誘起起電力が発生す
る時間間隔（例えば図３（ｃ）中のｔａ１，ｔａ２，ｔ
ｂ１，ｔｂ２）を検出している。

【００２４】負荷状態検知手段１４は、時間間隔検出手
段１３からの検出時間間隔及び制御手段１５からの出力
電圧情報に基づいて、現在の負荷状態を検知してその結
果を制御手段１５に与えている。ここで、リニアコンプ
レッサ１のピストン３２は、上述したように低負荷状態
では中立位置が上昇し、高負荷状態では中立位置が下降
する（図３（ｂ））ため、低負荷状態では定格負荷状態
に比較して、ピストン３２が上死点側に移動の際の前記
時間間隔（ｔａ１＞ｔａ２）が長くなり、一方、高負荷
状態では定格負荷状態に比較して、ピストン３２が下死
点側に移動の際の前記時間間隔（ｔｂ１＜ｔｂ２）が長
くなる。

【００２５】このため、負荷状態検知手段１４では、制
御手段１５からの出力電圧情報に基づいて、現在のピス
トン３２の振幅の大きさ（ストローク）及びピストン３
２の移動状態を検知し、その検知結果と、上死点側に移
動の際の時間間隔検出手段１３の検出時間間隔とに基づ
いて、ピストン３２の中立位置を検出している。そし
て、その検出されたピストン３２の中立位置に基づい
て、発生負荷を特定して制御手段１５に与えている。

【００２６】具体的には、図４に示す、検出ピストン中
立位置に対する発生負荷のデータが第１記憶手段１６に
格納されており、その格納データに基づいて発生負荷を
特定している。ここで、制御手段１５からの出力電圧情
報とは、ストロークに関係する駆動電圧値と、ピストン
３２の位置に関係する駆動電圧の極性をいう。これら
は、ピストン３２のストロークが駆動電圧値に基づいて
決定され、駆動電圧値が高ければストロークが長くなる
関係にあり、一方、ピストン３２の移動状態が駆動電圧
波形に対して約９０度の遅れ位相となる関係にあるため
である。尚、第１記憶手段１６への格納データについて
は、予め実験で確認した結果に基づいて決定されてい
る。

【００２７】制御手段１５は、負荷状態検知手段１４か
らの発生負荷データに基づいて、第２記憶手段１７の格
納データに従い制御駆動電圧Ｖｂ及び駆動周波数ｆｂを
決定し、電圧検出装置１２からの検出電圧値Ｖ及び周波
数ｆがそれぞれ制御駆動電圧Ｖｂ及び駆動周波数ｆｂと
なるように、交流電源１１に制御信号を送出している。
具体的には、図５に示す発生負荷に対する制御駆動電圧
データと、図６に示す発生負荷に対する制御駆動周波数
データとに基づいて、制御電圧及び周波数をそれぞれ決
定している。尚、図５に示す制御駆動電圧データは、負
荷状態に応じて図７に示す関係の駆動電力Ｗがリニアコ
ンプレッサ１から得られる場合の制御駆動電圧を表して
おり、一方、図６に示す制御周波数データは、各負荷状
態における共振周波数を表している。そして、図５及び
図６に示すデータは、予め実験で確認した結果に基づい
て決定され、そのデータが第２記憶手段１７に格納され
ている。

【００２８】これにより、負荷状態に拘わらず、常に共
振状態でリニアコンプレッサ１を駆動させることがで
き、高効率を実現できる。また、負荷状態に応じた適切
な駆動電力に制御でき、所望の冷凍能力が得られる。

【００２９】次に、本発明のリニアコンプレッサの駆動
装置の動作内容について、図８に示すフローチャートに
基づいて説明する。先ず、制御手段１５からの指令信号
の入力に従い、交流電源１１からリニアコンプレッサ１
に周波数６０Ｈｚ、電圧１００Ｖの駆動電力が供給され
てリニアコンプレッサ１が駆動される（Ｓ１）。

【００３０】そして、次のステップＳ３では、交流電源
１１の出力電圧Ｖ及び駆動周波数ｆが電圧検出装置１２
によって検出されると共に、負荷状態検知手段１４によ
って現在の発生負荷を検出する。

【００３１】そして、検出された発生負荷に基づいて、
制御駆動電圧Ｖｂ及び駆動周波数ｆｂを決定し（Ｓ
５）、電圧検出装置１２からの検出電圧値Ｖ及び周波数
ｆがそれぞれ制御駆動電圧Ｖｂ及び駆動周波数ｆｂとな
るように、交流電源１１に制御信号を送出する（Ｓ
７）。

【００３２】その後、ステップＳ９においてリニアコン
プレッサ１の停止指令が入力されたか否かを判別し、Ｎ
Ｏの場合には再びステップＳ１に戻り、ＹＥＳの場合に
は制御処理を終了させてリニアコンプレッサ１を停止さ
せる。

【００３３】尚、上記実施の形態の説明では、負荷状態
検知手段１４において、出力電圧情報に基づいてピスト
ン３２のストロークを検知する場合について説明した
が、この他に、起電力検出手段４において検出される検
出誘起起電力のピーク値が、ピストン３２の移動速度に
比例することを利用して、ピストン３２の速度を直接検
出し、その結果及び前記検出時間間隔に基づいて、ピス
トン３２のストロークを検出することも可能である。こ
の場合には、直接ピストン３２のストロークが検出され
ることとなり、検出精度を向上させることができる。

【００３４】上記実施の形態の説明は、本発明を説明す
るためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を
限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。
又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許
請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能で
あることは勿論である。

【００３５】例えば、上記実施の形態の説明では、ソレ
ノイド３により磁石２の通過を検出する場合について説
明したが、この他にホール素子等の磁気検出手段を用い
て磁石２の通過を検出させても構わない。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、負荷
状態に拘わらず、常に共振状態でリニアコンプレッサ１
を駆動させることができ、負荷状態が変動しても効率が
低下させることなく、高効率を維持することができる。

【００３７】また、負荷状態に応じた適切な駆動電力が
供給され、所望の冷凍能力が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態によるリニアコンプレッサ
の構成を説明するための概略構成図である。

【図２】図１装置のリニアコンプレッサの駆動装置の回
路構成を示すブロック図である。

【図３】図２に示した時間間隔検出手段１３及び負荷状
態検知手段１４での処理内容を説明するための図であ
る。

【図４】図２に示した第１記憶手段１６の格納データの
内容を説明するための図である。

【図５】図２に示した第２記憶手段１７に格納されてい
る、発生負荷に対する制御駆動電圧データの内容を説明
するための図である。

【図６】図２に示した第２記憶手段１７に格納されてい
る、発生負荷に対する制御駆動周波数データの内容を説
明するための図である。

【図７】図５に示した制御駆動電圧データの基準とな
る、発生負荷に対する駆動電力の関係を説明するための
図である。

【図８】図２に示したリニアコンプレッサの駆動装置の
動作内容を示すフローチャートである。

【図９】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１０】従来の代表的な冷凍装置の概略システム構成
図である。

【図１１】図９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 リニアコンプレッサ ２ 永久磁石 ３ ソレノイド ４ 起電力検出器（起電力検出手段） １１ 交流電源 １２ 電圧検出装置 １３ 時間間隔検出手段 １４ 負荷状態検知手段 １５ 制御手段 １６ 第１記憶手段 １７ 第２記憶手段 ３０ リニアコンプレッサ ３２ ピストン ３６ リニアモータ ４１ ピストンばね

Claims (6)

【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及び該ピス
   トンに一体的に設けられた可動体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
   及びその周波数の制御が可能な交流電源と、 前記ピストン又は可動体の往復移動経路途中の所定位置
   に設けられ、該所定位置を前記ピストン又は可動体が通
   過する時間間隔を検出する時間間隔検出手段と、 該時間間隔検出手段によって検出された時間間隔に基づ
   き現在の負荷状態を検知する負荷状態検知手段と、 該負荷状態検知手段によって検出された負荷状態に応じ
   て、前記出力電圧及び周波数を制御する制御手段と、を
   備えていることを特徴とするリニアコンプレッサの駆動
   装置。
2. 【請求項２】前記負荷状態検知手段は、前記時間間隔検
   出手段によって検出された時間間隔に基づきピストンの
   振幅中心位置を求め、該振幅中心位置に基づいて現在の
   負荷状態を検知していることを特徴とする請求項１記載
   のリニアコンプレッサの駆動装置。
3. 【請求項３】前記制御手段は、前記負荷状態検知手段に
   より検出された負荷状態に対する共振周波数に制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のリニアコンプレッサの
   駆動装置。
4. 【請求項４】前記ピストン又は可動体に一体的に取り付
   けられた磁石部材と、 該磁石部材の往復移動経路途中の所定位置に設けられた
   ソレノイドと、 該ソレノイドに誘起される誘起起電力を検出する起電力
   検出手段と、を備え、 前記時間間隔検出手段は、前記起電力検出手段からの検
   出結果に基づいて前記磁石部材が前記ソレノイドを通過
   する時間間隔を検出することを特徴とする請求項１ない
   し３のいずれかに記載のリニアコンプレッサの駆動装
   置。
5. 【請求項５】前記負荷状態検知手段は、前記時間間隔検
   出手段によって検出された時間間隔と、前記交流電源の
   出力電圧値とに基づいて、ピストンの振幅中心位置を求
   めることを特徴とする請求項４記載のリニアコンプレッ
   サの駆動装置。
6. 【請求項６】前記負荷状態検知手段は、前記時間間隔検
   出手段によって検出された時間間隔と、前記起電力検出
   手段によって検出された誘起起電力のピーク値とに基づ
   いて、ピストンの振幅中心位置を求めることを特徴とす
   る請求項４記載のリニアコンプレッサの駆動装置。