DE112004002954B4

DE112004002954B4 - Linearkompressor

Info

Publication number: DE112004002954B4
Application number: DE112004002954.6T
Authority: DE
Inventors: Bong-Jun Choi; Chang-Yong Jang; Man-Seok Cho; Shin-Hyun Park; Hyun Kim; Jong-Min Shin; Young-Hoan Jeon; Chul-Gi Roh
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2018-06-07
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: CN101305512A; WO2006025619A2; JP2008511791A; CN101305512B; JP4662991B2; US20090047154A1; BRPI0419022B1; US9243620B2; DE112004002954T5; WO2006025619A3; BRPI0419022A

Abstract

Vorrichtung zum Steuern eines Linearkompressors, mit:einer Spannungsquelleneinheit zum Liefern einer Gleichspannung durch Gleichrichten einer externen Wechselspannung;einer Umrichtereinheit zum Empfangen der Gleichspannung von der Spannungserzeugungseinheit, zum Erzeugen einer dem Invertersteuerungssignal entsprechenden Wechselspannung und zum Anlegen derselben an einen Spulenwicklungskörper; undeiner Steuerungseinheit zum Einstellen einer Wechselspannung aufweisend einen Spitze-Spitze-Wert entsprechend dem Kühlvermögen, wobei der positive Spitzenwert dieser Wechselspannung mit einem positiven Spitzenwert eines Maximalspannungs-Schwellenwerts der Umrichtereinheit übereinstimmt,wobei die Steuerungseinheit das Invertersteuerungssignal erzeugt, um die einzustellende Wechselspannung zu erzeugen und dieses der Umrichtereinheit bereitzustellen,wobei die Steuerungseinheit einen negativen Spitzenwert der einzustellenden Wechselspannung gemäß einer Last variiert, wobei jedoch der positive Spitzenwert der einzustellenden Wechselspannung identisch beibehalten wird,wobei, wenn das Kühlvermögen hoch ist, der Spitze-Spitze-Wert der variierenden Wechselspannung größer ist als der Spitze-Spitze-Wert des Maximalspannungs-Schwellenwerts der Umrichtereinheit, undwobei, wenn das Kühlvermögen niedrig ist, der Spitze-Spitze-Wert der variierenden Wechselspannung kleiner ist als der Spitze-Spitze-Wert des Maximalspannungs-Schwellenwerts der Umrichtereinheit.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Linearkompressor, der eine Last schnell bewältigen kann und die Kompression dadurch verbessern kann, dass er gleichzeitig/einzeln die Betriebsfrequenz eines Linearmotors mit der lastabhangig variierenden natürlichen Frequenz eine beweglichen Elements synchronisiert und den Hub des beweglichen Elements entsprechend der Last variiert.
HINTERGRUNDBILDENDE TECHNIK
Kompressoren, die mechanische Geräte zur Druckerhöhung durch Empfangen von Energie von einem Energieeinheitssystem wie einem Elektromotor oder einer Turbine sind, und die Luft, Kuhlmittel oder andere verschiedene Betriebsgase komprimieren, werden in weitem Umfang für Haushaltsgeräte wie Kuhlschränke und Klimaanlagen oder auf allen industriellen Gebieten verwendet.
Kompressoren werden grob in Hubkompressoren mit einem Kompressionsraum, durch den Betriebgase zwischen einem Kolben und einem Zylinder angesaugt oder ausgestoßen werden, wobei der Kolben innerhalb des Zylinders linear hin- und herbewegt werden kann, um Kühlmittel zu komprimieren, Rotationskompressoren mit einem Kompressionsraum, durch den Betriebsgase zwischen einer sich exzentrisch drehenden Rolle und einem Zylinder angesaugt oder ausgestoßen werden, wobei die Rolle exzentrisch auf den Innenwanden des Zylinders rollt, um Kuhlmittel zu komprimieren, und Spiralkompressoren mit einem Kompressionsraum, durch den Betriebsgase zwischen einer umlaufenden Spirale und einer festen Spirale angesaugt oder ausgestoßen werden, wobei die umlaufende Spirale mit der festen Spirale gedreht werden kann, um Kuhlmittel zu komprimieren, unterteilt.
In jüngerer Zeit wurden, unter den Hubkompressoren, Linearkompressoren wegen ihrer Kompressionseffizienz und einfachen Konstruktion wegen eines Beseitigens mechanischer Verluste durch Bewegungswandlung durch direktes Verbinden eines Kolbens mit einem eine lineare Hin- und Herbewegung ausführenden Antriebsmotor in Massen hergestellt.
Ein Linearkompressor, der Kühlmittel unter Verwendung einer linearen Antriebskraft des Motors komprimiert und ausstoßt, verfugt über eine Kompressionseinheit aus einem Zylinder und einem Kolben zum Komprimieren von Kuhlmittelgasen sowie eine Antriebseinheit aus einem Linearmotor zum Liefern einer Antriebskraft an die Kompressionseinheit.
Genauer gesagt, ist bei einem Linearkompressor der Zylinder fest in einem geschlossenen Behälter installiert, und der Kolben ist so im Zylinder installiert, dass er eine lineare Hin- und Herbewegung ausführt. Wenn der Kolben linear im Zylinder hin- und herläuft, werden Kuhlmittel in einen Kompressionsraum im Zylinder gesaugt, komprimiert und ausgestoßen. Im Kompressionsraum sind eine Saugventilanordnung und eine Ausstoßventilanordnung installiert, um das Ansaugen und Ausstoßen der Kuhlmittel entsprechend dem Innendruck im Kompressionsraum zu kontrollieren.
Außerdem wird der Linearmotor zum Erzeugen einer Linearbewegungskraft für den Kolben so installiert, dass er mit diesem verbunden wird. Ein Innenstator und ein Außenstator, die durch Aufschichten mehrerer Laminate am Umfang des Zylinders in der Umfangsrichtung aufgebaut werden, sind mit einem vorbestimmten Spalt am Linearmotor installiert. Innerhalb des Innenstators oder des Außenstators wird eine Spule aufgewickelt, und im Zwischenraum zwischen dem Innenstator und dem Außenstator wird ein mit dem Kolben zu verbindender Permanentmagnet installiert.
Hierbei wird der Permanentmagnet so installiert, dass er in der Bewegungsrichtung des Kolbens beweglich ist und durch eine elektromagnetische Kraft, wie sie erzeugt wird, wenn ein Strom durch die Wicklung fließt, in der Bewegungsrichtung des Kolbens linear hin- und herbewegt wird. Normalerweise wird der Linearmotor mit einer konstanten Betriebsfrequenz f_c betrieben, und der Kolben wird mit einem vorbestimmten Hub S linear hin- und herbewegt.
Andererseits sind verschiedene Federn installiert, um den Kolben elastisch in der Bewegungsrichtung zu halten, obwohl er durch den Linearmotor linear hin- und herbewegt wird. Genauer gesagt, wird eine Schraubenfeder, die eine Art einer mechanischen Feder ist, so installiert, dass sie durch den geschlossenen Behälter und den Zylinder elastisch in der Bewegungsrichtung des Kolbens gehalten wird. Auch dienen die in den Kompressionsraum gesaugten Kühlmittel als Gasfeder.
Die Schraubenfeder verfügt uber eine konstante mechanische Federkonstante K_m, und die Gasfeder verfugt uber eine Gasfederkonstante K_g, die durch die Last variiert. Eine natürliche Frequenz f_n (oder des Linearkompressors) wird unter Berücksichtigung der mechanischen Federkonstante K_m und der Gasfederkonstante K_g berechnet.
Die so berechnete naturliche Frequenz f_n bestimmt die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors. Die Effizienz des Linearmotors wird dadurch verbessert, dass seine Betriebsfrequenz f_c mit seiner natürlichen Frequenz f_n gleichgesetzt wird, d. h., dass er im Resonanzzustand betrieben wird.
Demgemaß fließt im Linearkompressor, wenn dem Linearmotor ein Strom zugefuhrt wird, dieser Strom durch die Wicklung, um durch Wechselwirkungen mit dem Außenstator und dem Innenstator eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, und der Permanentmagnet und der mit ihm verbundene Kolben werden durch die elektromagnetische Kraft linear hin- und herbewegt.
Hierbei wird der Linearmotor mit der konstanten Betriebsfrequenz f_c betrieben. Die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors wird mit der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens gleichgesetzt, so dass der Linearmotor im Resonanzzustand betrieben werden kann, um die Effizienz zu maximieren.
Wie oben beschrieben, andert sich der Innendruck im Kompressionsraum, wenn der Kolben linear im Zylinder hin- und herbewegt wird. Die Kühlmittel werden in den Kompressionsraum gesaugt, komprimiert und ausgestoßen, was mit Änderungen des Innendrucks des Kompressionsraums einhergeht.
Der Linearkompressor ist so aufgebaut, dass er mit einer Betriebsfrequenz f_c betrieben wird, die mit der naturlichen Frequenz f_n des Kolbens übereinstimmt, die durch die mechanische Federkonstante K_m der Schraubenfeder und die Gasfederkonstante K_g der Gasfeder unter derjenigen Last, die zum Designzeitpunkt fur den Linearmotor angenommen wurde, berechnet wurde. Daher wird der Linearmotor lediglich bei der beim Design berücksichtigten Last im Resonanzzustand betrieben, um die Effizienz zu verbessern.
Da jedoch die tatsachliche Last des Linearkompressors variiert, andern sich die Gasfederkonstante K_g der Gasfeder und die aus dieser berechnete naturliche Frequenz f_n des Kolbens.
Genauer gesagt, wird, wie es in der 1A dargestellt ist, die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors zum Designzeitpunkt so bestimmt, dass sie in einem mittleren Lastbereich mit der naturlichen Frequenz f_n des Kolbens übereinstimmt. Selbst wenn die Last variiert, wird der Linearmotor mit der konstanten Betriebsfrequenz f_c betrieben. Wenn jedoch die Last zunimmt, nimmt die natürliche Frequenz f_n des Kolbens zu. $f_{n} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{K_{m} + K_{g}}{M}}$
Hierbei repräsentiert f_n die natürliche Frequenz des Kolbens, K_m und K_g repräsentieren die mechanische Federkonstante bzw. die Gasfederkonstante, und M reprasentiert die Kolbenmasse.
Im Allgemeinen wird, da die Gasfederkonstante K_g innerhalb der Gesamtfederkonstante K_t einen kleinen Anteil hat, die Gasfederkonstante K_g vernachlässigt oder auf einen konstanten Wert eingestellt. Die Kolbenmasse M und die mechanische Federkonstante K_m werden ebenfalls auf konstante Werte eingestellt. Daher wird die naturliche Frequenz f_n des Kolbens durch die obige Formel 1 als konstanter Wert berechnet.
Jedoch steigt der Druck und die Temperatur der Kuhlmittel im eingeschränkten Raum umso mehr an, je mehr die aktuelle Last ansteigt. Demgemaß steigt die Elastizitatskraft der Gasfeder selbst an, wodurch die Gasfederkonstante K_g zunimmt. Auch nimmt die proportional zur Gasfederkonstante K_g berechnete natürliche Frequenz f_n des Kolbens zu.
Gemaß den 1A und 1B sind die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors und die natürliche Frequenz f_n des Kolbens im mittleren Lastbereich identisch, so dass der Kolben so betrieben werden kann, dass er den oberen Totpunkt (OT) erreicht, um dadurch den Kompressionsvorgang stabil auszuführen. Außerdem wird der Linearmotor im Resonanzzustand betrieben, wodurch die Effizienz des Linearkompressors maximiert ist.
Jedoch wird die natürliche Frequenz f_n des Kolbens in einem niedrigen Lastbereich kleiner als die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors, und so wird der Kolben über den OT hinaus verschoben, wodurch eine ubermaßige Kompressionskraft ausgeubt wird. Darüber hinaus werden der Kolben und der Zylinder durch Reibung abgenutzt. Da der Linearmotor nicht im Resonanzzustand arbeitet, ist die Effizienz des Linearkompressors verringert.
Außerdem wird die natürliche Frequenz f_n des Kolbens in einem hohen Lastbereich größer als die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors, und so erreicht der Kolben den OT nicht, wodurch die Kompressionskraft verringert ist. Der Linearmotor wird nicht im Resonanzzustand betrieben, wodurch die Effizienz des Linearkompressors abnimmt.
Im Ergebnis variiert beim herkömmlichen Linearkompressor die natürliche Frequenz f_n des Kolbens, wenn die Last variiert, jedoch bleibt die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors konstant. Daher wird der Linearmotor nicht im Resonanzzustand betrieben, was zu niedriger Effizienz führt. Ferner kann der Linearkompressor die Last nicht aktiv handhaben und schnell überwinden.
Andererseits ermöglicht es, wie es in den 2A und 2B dargestellt ist, der herkömmliche Linearkompressor, um eine Last schnell zu bewaltigen, den Kolben 6 im Zylinder 4 dadurch in einem Modus mit hoher oder niedriger Kuhlung zu betreiben, dass der Wert der an den Linearmotor gelegten Spannung (oder des ihm zugeführten Stroms) eingestellt wird. Der Hub S des Kolbens 6 wird entsprechend den Betriebsmodi variiert, um die Kompressionskapazität zu ändern.
Wie es in der 2A dargestellt ist, wird fur den Modus mit hoher Kuhlung eine Spannung V1 verwendet, und fur den Modus mit niedriger Kühlung wird eine Spannung V2 verwendet. Wenn die Spannungen V1 und V2 ausgehend von einem Nullpunkt (0) positive Werte aufweisen, fuhrt der Kolben 6 eine Kompression aus, und wenn die Spannungen V1 und V2 negative Werte aufweisen, führt der Kolben 6 ein Ansaugen aus. Hierbei müssen die Spitzenwerte der Spannungen V1 und V2 kleiner als der vom Linearkompressor ausgegebene Maximalspannungs-Schwellenwert V_p sein.
Da Spitze-Spitze-Werte der Spannungen V1 und V2 den Hub S des Kolbens 6 bestimmen, wird dieser Hub S des Kolbens 6 durch Ändern der Spitze-Spitze-Werte kontrolliert. Im Modus mit hoher Kühlung entspricht der Spitze-Spitze-Wert der Spannung V1 dem Spitze-Spitze-Wert 2V_p, entsprechend dem Maximalspannungs-Schwellenwert V_p, und demgemaß erreicht der Kolben 6 den OT (Hub S1 im Modus mit hoher Kühlung). Im Modus mit niedriger Kuhlung ist der Spitze-Spitze-Wert der Spannung V2 verringert, und so lauft der Kolben 6 linear so hin und her, dass er den OT nicht erreicht.
Der Linearkompressor wird in einem Zustand, in dem die Last relativ groß ist, im Modus mit hoher Kühlung betrieben. Im Modus mit hoher Kuhlung entspricht die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6, so dass dieser so betrieben werden kann, dass er mit einem vorbestimmten Hub S1 den OT erreicht.
Außerdem wird der Linearkompressor im Modus mit niedriger Kühlung in einem Zustand betrieben, in dem die Last relativ klein ist. Im Modus mit niedriger Kuhlung kann die Kompressionskapazitat durch Verringern der an den Linearmotor gelegten Spannung verringert werden. Jedoch ist in einem Zustand, in dem der Kolben 6 durch die elastische Kraft der mechanischen Feder und der Gasfeder in der Bewegungsrichtung elastisch abgestutzt ist, sein Hub S2 verringert. Demgemaß kann der Kolben 6 den OT nicht erreichen. Darüber hinaus unterscheidet sich die Betriebsfrequenz f_c von der veranderten naturlichen Frequenz f_n des Kolbens 6, was zu niedriger Effizienz und niedriger Kompressionskraft des Linearkompressors fuhrt.
Die DE 696 31 405 T2 beschreibt einen linearen Kompressor, welcher für einen Kühlschrank verwendet werden kann. Ein Kolben bewegt sich dabei axial in einem Zylinder mit der Hilfe einer Antriebskraft eines Kolbenantriebsabschnittes. Ein Versatz-Erfassungsabschnitt enthält einen Differentialumformer und ist in einer axialen Richtung des Kolbens verbunden, um einen Versatz des Kolbens als ein Kolbenpositionssignal, wie zum Beispiel ein Ausgabespannungswert des Differentialumformers, zu erfassen. Dadurch wird ein, in den Kompressionsraum gesaugtes Fluid komprimiert. Ein obere-Totpunktposition-Erfassungsabschnitt vergleicht eine obere Endposition des Kolbens mit der derzeitigen oberen Totpunktposition, und zwar basierend auf dem Positionssignal des Kolbens, welches durch den Versatz-Erfassungsabschnitt erfasst wird, und erfasst einen Punkt, welcher näher an einem Ventil ist, welches in dem Zylinder eingebaut ist, als eine obere Totpunktposition des Kolbens.
Die WO 2004 / 008 626 A1 offenbart eine Motorantriebsvorrichtung zum Antreiben eines linearen Vibrationsmotors mit einer Ordnungsausgabebestimmungseinheit zum Bestimmen einer Motorausgabe, die für den linearen Vibrationsmotor erforderlich ist, und einer Antriebsfrequenzbestimmungseinheit zum Bestimmen einer Ansteuerfrequenz des linearen Vibrationsmotors auf der Basis der bestimmten Motorausgabe, und eine amplitudenfeste Wechselspannung mit einer Frequenz gleich der bestimmten Ansteuerfrequenz wird an den linearen Vibrationsmotor angelegt, wodurch der Ausgang des linearen Vibrationsmotors gesteuert werden kann, ohne den Amplitudenwert der an den linearen Vibrationsmotor angelegten Ansteuerspannung zu ändern.
Die US 2003 / 0 108 430 A1 beschreibt eine Antriebsvorrichtung eines Linearkompressors mit einer Stromquelle, die den Ausgangsstrom steuern und die elektrische Ausgangsleistung messen kann. Die Frequenz des Linearkompressors wird so gesteuert, dass die Amplitude des Stroms, der dem Linearkompressor zugeführt wird, konstant gehalten wird. Die elektrische Leistung, die dem Linearkompressor zugeführt wird, wird maximal. Damit ist es möglich, den linearen Kompressor effizient zu betreiben, während er der Resonanzfrequenz folgt, die sich mit der Variation einer Last ändert. Ferner ist eine Stromerfassungseinrichtung vorgesehen, die in der Lage ist, den Ausgangsstrom und die elektrische Leistung von dem Wechselrichtereingangsstrom zu erfassen, und es ist nicht notwendig, einen Stromsensor neu hinzuzufügen.
Die WO 2004/ 063 569 A1 betrifft ein System zum Steuern eines Kolbens in einem Linearkompressor, ein Verfahren zum Steuern eines Kolbens in einem Linearkompressor sowie einen Linearkompressor, insbesondere anwendbar auf Kühlsysteme, die beispielsweise Kühlschränke, Konditionierungssysteme und dergleichen. Der Linearkompressor weist eine bewegliche Anordnung und einen Motor auf, der von einer Anlegespannung gespeist wird, die einen zirkulierenden Strom erzeugt, eine elektronische Schaltvorrichtung und eine elektronische Schaltung, die die elektronische Schaltvorrichtung steuert, um die an den Motor angelegte Anlegungsspannung und den Motor zu steuern. Der Motor treibt die bewegliche Anordnung an, wobei die elektronische Schaltung eine Betätigungsphase des in dem Motor zirkulierenden Stroms und eine dynamische Phase der beweglichen Anordnung misst. Der Motor stellt eine Beziehung zwischen der Betätigungsphase und der dynamischen Phase, die eine gemessene Phase bestimmt, her. Dabei erhält die elektronische Schaltung aus dem Wert der gemessenen Phase einen Wert einer Korrekturspannung, wobei die elektronische Schaltung aus einer physikalischen Position einen Wert einer definierten Spannung auf der beweglichen Baugruppe erhält, wobei die elektronische Schaltung den Wert der angelegten Spannung aus der Summe der Korrekturspannung und der definierten Spannung auslöst.
Die US 4 353 220 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines resonanten Kolbenkompressors, der zyklisch durch eine Wechselstromquelle angetrieben werden kann und mindestens einen Kolben aufweist, der mit einem selektiv ventilierten Arbeitszylinder gekoppelt ist und von diesem angetrieben werden kann. Eingekapselte Gasvolumina wirken als elastische Gasfedern, die mit dem Kolben und mit dem linearen Kolbenmotor zusammenwirken, um ein mechanisches Resonanzsystem mit einer Resonanzfrequenz zu bilden, die im Wesentlichen auf die Frequenz der Wechselstromquelle zentriert ist. Eine Mittenhub-Öffnungsanordnung spricht auf die Position des Resonanzkolbens an, um selektiv ein Gasfedersteuerventil mit den Gasfedern zu verbinden. Mit dem Gasfedersteuerventil wird der Druck des Gases in den Gasfedern variabel gesteuert, um dadurch die Steifigkeit der elastischen Gas-Feder dynamisch zu modulieren, um den Hub des resonanten Kolbenkompressors innerhalb vorbestimmter sicherer Grenzen zu steuern. Das Verfahren und die Vorrichtung umfassen ferner das Erfassen einer Vielzahl von verschiedenen Betriebsparametern des Resonanzkolbenverdichters und das Ableiten der für die jeweiligen Parameter repräsentativen Ausgangssignale und das Kombinieren der erfassten Parameterausgangssignale, um daraus ein Ausgangssteuersignal abzuleiten und das Ausgangssteuersignal an das Ausgangssteuersignal anzulegen Gasfedersteuerventil zum variablen Steuern des Öffnens und Schließens des Gasfedersteuerventils.
Die US 4 345 442 A beschreibt ein Steuersystem zum Steuern des Betriebs eines sich hin- und herbewegenden resonanten Freikolben-Kompressors mit variablem Hub des von elektrodynamischen Linearmotoren angetriebenen Typs, wobei das Feder-Masse-System des Kompressors, das durch den Linearmotor in Vibration versetzt wird, selektiv angeordnet ist. Eine variable mechanische Resonanzfrequenz, die im Allgemeinen auf die Netzfrequenz der Wechselstromquelle, die zum Antreiben des Linearmotors verwendet wird, ist zentriert. Dadurch wird das Öffnen und Schließen eines Gasfedersteuerventils variabel gesteuert, das seinerseits den Druck von mit Gas gefüllten Volumina reguliert, die selektiv mit einem Verteiler verbunden sind, der durch das Ventil entlüftet wird. Die Volumina umfassen die elastischen Gasfedern für den resonanten Kolbenkompressor. Zu diesem Zweck umfasst das Steuersystem einen Wechselstromsensor zum Ableiten eines abgetasteten Ausgangssignals, das die Größe und Phase des dem linearen Hubkolbenmotor zugeführten Wechselstroms darstellt, einen hin- und hergehenden Kolbenverstellungs- / Geschwindigkeitssensor zum Ableiten eines für die Hin- und Her-Bewegung repräsentativen Signals freie Kolbengeschwindigkeit und ein α-Winkeldetektor, der auf das Signal von dem Wechselstromsensor und das Kolbengeschwindigkeitssignal von dem Kolbenverschiebungs- / Geschwindigkeitssensor anspricht, zum Vergleichen der Phase des dem linearen Kolbenmotor zugeführten Wechselstroms mit dem hin- und herbewegenden freischwingenden Kolben Verschiebung / Geschwindigkeit und Ableitung eines Ausgangs-α-Winkelsteuersignals, das dann einer RPC-Steuerlogikschaltung für die RCP-Wärmepumpe zugeführt wird. Die RPC-Steuerlogikschaltung leitet Motorspannungssteuerrelais zum Steuern des Versorgungsspannungsventils zu den A-C-Spulen des Linearmotors ab.
Immer einen linearen Kompressor unter Resonanzbedingungen unabhängig von Lastzuständen anzutreiben, indem Mittel zum Steuern der Ausgangsspannung und einer Frequenz entsprechend den erfassten Lastzuständen bereitgestellt werden wird in der JP 09195949 A folgendermaßen gelöst. Die Lastzustandserfassungseinrichtung ermittelt die Amplitudenmittelposition des Kolbens eines Linearkompressors auf der Grundlage von Zeitintervallen, die ein von der Zeitintervall-Erfassungseinrichtung erfasster Kolben durchlaufen hat, und erfasst die gegenwärtigen Lastzustände auf der Grundlage von der Amplitudenmittelposition. Außerdem steuert die Steuereinrichtung die Ausgangsspannung und eine Frequenz auf eine Resonanzfrequenz gegen Lastbedingungen, die durch die Lastzustandserfassungseinrichtung erfasst werden. Durch diesen Aufbau kann ein Linearkompressor immer unter einer Resonanzbedingung unabhängig von Lastzuständen betrieben werden, und dies kann auch immer entsprechend den Lastbedingungen auf geeignete elektrische Antriebsleistung gesteuert werden, und eine gewünschte Gefrierfähigkeit kann erhalten werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde zum Lösen der obigen Probleme geschaffen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Linearkompressor zu schaffen, der die Kompressionskapazität lastabhängig selbst dann, wenn die natürliche Frequenz des Kolbens aufgrund der Last variiert, dadurch effizient variieren kann, dass die Betriebsfrequenz eines Linearmotors und/oder der Hub des Kolbens kontrolliert werden.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Linearkompressor zu schaffen, der dadurch maximale Effizienz erreichen kann, dass der Hub eines Kolbens variiert wird und dieser gleichzeitig linear so hin- und herbewegt wird, dass er den oberen Totpunkt erreicht.
Die oben beschriebenen Aufgaben werden durch die im Hauptanspruch beschriebenen Maßnahmen gelöst. Um die oben angegebene Aufgabe der Erfindung zu lösen, ist ein Linearkompressor unter anderem mit Folgendem geschaffen: einem festen Element mit einem Kompressionsraum im Inneren; einem beweglichen Element, das in der axialen Richtung im festen Element linear hin- und herbewegt wird, um in den Kompressionsraum gesaugte Kühlmittel zu komprimieren; einer oder mehreren Federn, die zum elastischen Abstützen des beweglichen Elements in der Bewegungsrichtung desselben installiert sind, wobei ihre Federkonstanten lastabhängig variieren; und einem Linearmotor, der in Verbindung mit dem beweglichen Element installiert ist, um es in der axialen Richtung linear hin- und herzubewegen, und um den Hub des beweglichen Elements entsprechend einem vorbestimmten Kühlvermögen so zu variieren, dass es linear so hin- und herbewegt werden kann, dass es einen oberen Totpunkt erreicht.
Vorzugsweise ist der Linearkompressor in einem Kühlungs/Luftklimatisierungs-Zyklus installiert; und die Last wird proportional zur Differenz zwischen dem Druck kondensierender Kühlmittel im Kühlungs/Luftklimatisierungs-Zyklus (Kondensationsdruck) und dem Druck verdampfender Kühlmittel in einem Verdampfer (Verdampfungsdruck) berechnet.
Vorzugsweise wird die Last zusätzlich proportional zu einem Druck berechnet, der der Mittelwert aus dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck ist (mittlerer Druck).
Vorzugsweise synchronisiert der Linearmotor seine Betriebsfrequenz mit der proportional zur Last variierenden Resonanzfrequenz des beweglichen Elements.
Vorzugsweise weist der Linearmotor Folgendes auf: einen Innenstator, der durch Aufstapeln mehrerer Laminate in der Umfangsrichtung, um den Umfang des festen Elements abzudecken, gebildet ist; einen Außenstator, der mit einem vorbestimmten Abstand außerhalb des Innenstators angeordnet ist und durch Aufstapeln mehrerer Laminate in der Umfangsrichtung gebildet ist; einen Spulenwicklungskörper zum Erzeugen einer elektromagnetischen Kraft zwischen dem Innenstator und dem Außenstator; einen Permanentmagnet, der im Zwischenraum zwischen dem Innenstator und dem Außenstator positioniert ist, mit dem beweglichen Element verbunden ist und durch Wechselwirkungen mit der elektromagnetischen Kraft des Spulenwicklungskörpers linear hin- und herbewegt wird. Vorzugsweise weist der Linearmotor Folgendes auf: eine Spannungsquelleneinheit zum Anlegen einer Gleichspannung durch Gleichrichten einer externen Wechselspannung; eine Umrichtereinheit zum Empfangen der Gleichspannung von der Spannungsquelleneinheit zum Erzeugen einer Wechselspannung entsprechend einem vorbestimmten Invertersteuerungssignal und zum Anlegen der Wechselspannung an den Spulenwicklungskörper; und eine Steuerungseinheit zum Einstellen einer variablen Größe des Hubs des beweglichen Elements entsprechend dem Kühlvermögen, zum Erzeugen des Invertersteuerungssignals zum Erzeugen der unsymmetrischen Wechselspannung entsprechend der variablen Größe, und zum Anlegen des Invertersteuerungssignals an die Umrichtereinheit.
Vorzugsweise stimmt der positive Spitzenwert der unsymmetrischen Wechselspannung mit dem Maximalspannungs-Schwellenwert der Umrichtereinheit überein.
Vorzugsweise ist die unsymmetrische Wechselspannung gegenüber einem Nullpunkt unsymmetrisch.
Vorzugsweise ist die unsymmetrische Wechselspannung gegenüber einer vorbestimmten Offsetspannung symmetrisch.
Vorzugsweise führt, wenn die unsymmetrische Wechselspannung höher als die Offsetspannung ist, das bewegliche Element einen Kompressionsvorgang aus, und dann, wenn die unsymmetrische Wechselspannung niedriger als die Offsetspannung ist, es einen Saugvorgang aus.
Vorzugsweise variiert die Steuerungseinheit den Hub des beweglichen Elements durch Variieren des Spitze-Spitze-Werts der unsymmetrischen Wechselspannung.
Vorzugsweise ist, wenn das Kühlvermögen niedrig ist, der Spitze-Spitze-Wert der unsymmetrischen Wechselspannung kleiner als der dem Maximalspannungs-Schwellenwert der Umrichtereinheit entsprechende Spitze-Spitze-Wert.
Vorzugsweise weist die Offsetspannung einen positiven Wert auf.
Vorzugsweise ist, wenn das Kühlvermögen hoch ist, der Spitze-Spitze-Wert der unsymmetrischen Wechselspannung größer als der dem Maximalspannungs-Schwellenwert der Umrichtereinheit entsprechende Spitze-Spitze-Wert.
Vorzugsweise weist die Offsetspannung einen negativen Wert auf.
Vorzugsweise wird der negative Spitzenwert der unsymmetrischen Wechselspannung entsprechend der variablen Größe variiert.
Vorzugsweise führt, wenn die unsymmetrische Wechselspannung höher als der Nullpunkt ist, das bewegliche Element einen Kompressionsvorgang ausführt, und es dann, wenn die unsymmetrische Wechselspannung niedriger als der Nullpunkt ist, einen Saugvorgang aus.
Vorzugsweise ist, wenn das Kühlvermögen niedrig ist, der negative Spitzenwert der unsymmetrischen Wechselspannung proportional zur variablen Größe kleiner als der positive Spitzenwert ist, und dann, wenn das Kühlvermögen hoch ist, der negative Spitzenwert der unsymmetrischen Wechselspannung proportional zur variablen Größe größer als der positive Spitzenwert.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform ist eine Vorrichtung zum Steuern eines Linearkompressors mit Folgendem versehen: einer Spannungsquelleneinheit zum Liefern einer Gleichspannung durch Gleichrichten einer externen Wechselspannung; einer Umrichtereinheit zum Empfangen der Gleichspannung von der Spannungserzeugungseinheit, zum Erzeugen einer dem vorbestimmten Invertersteuerungssignal entsprechenden Wechselspannung und zum Anlegen derselben an einen Spulenwicklungskörper; und einer Steuerungseinheit zum Einstellen einer variablen Größe des Hubs eines beweglichen Elements des Linearkompressors entsprechend dem Kühlvermögen, zum Erzeugen des Invertersteuerungssignals zum Erzeugen der unsymmetrischen Wechselspannung entsprechend der variablen Größe und zum Anlegen des Invertersteuerungssignals an die Umrichtereinheit.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform beinhaltet ein Verfahren zum Steuern eines Linearkompressors die folgenden Schritte: Einstellen einer unsymmetrischen Wechselspannung auf Grundlage einer variablen Größe des Hubs eines beweglichen Elements des Linearkompressors entsprechend einem Kühlvermögen; und Erzeugen eines Invertersteuerungssignals zum Erzeugen der unsymmetrischen Spannung.
Figurenliste
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung beigefügt sind und demgemäß für die Erfindung nicht beschränkend sind, besser verständlich werden.

1A ist ein Kurvenbild, das den Hub über der Last bei einem herkömmlichen Linearkompressor zeigt;
1B ist ein Kurvenbild, das die Effizienz über der Last beim herkömmlichen Linearkompressor zeigt;
2A und 2B sind Strukturansichten zum Veranschaulichen des Hubs in jedem Betriebsmodus des herkömmlichen Linearkompressors;
3 ist eine Schnittansicht zum Darstellen eines Linearkompressors gemäß der Erfindung;
4A ist ein Kurvenbild, das den Hub über der Last beim Linearkompressor gemäß der Erfindung zeigt;
4B ist ein Kurvenbild, das die Effizienz über der Last beim Linearkompressor gemäß der Erfindung zeigt;
5 ist ein Kurvenbild, das Anderungen einer Gasfederkonstante abhängig von der Last beim Linearkompressor gemaß der Erfindung zeigt;
6 ist eine Strukturansicht zum Darstellen eines Linearmotors in der 3;
7A bis 7D sind Kurvenbilder zum Veranschaulichen eines ersten Beispiels zum Einstellen einer Sinusansteuerspannung beim Linearmotor der 6;
8A und 8B sind Zustandsansichten zum Veranschaulichen von Änderungen des Hubs eines Kolbens;
9 ist ein Kurvenbild, das Ergebnisse zum ersten Beispiel der 6 zeigt;
10A und 10B sind Kurvenbilder, die ein zweites Beispiel zum Einstellen einer Sinusansteuerspannung beim Linearkompressor der 6 zeigen; und
11 ist ein Kurvenbild, das Ergebnisse zum zweiten Beispiel der 6 zeigt.

BESTE ART ZUM AUSFUHREN DER ERFINDUNG
Nun wird ein Linearkompressor gemaß der bevorzugten Ausfuhrungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefugten Zeichnungen detailliert beschrieben.
Wie es in der 3 dargestellt ist, sind bei diesem Linearkompressor eine Einlassleitung 2a und eine Auslassleitung 2b, durch die Kuhlmittel angesaugt und ausgestoßen werden, an einer Seite eines geschlossenen Behalters 2 installiert, ein Zylinder 4 ist fest im Inneren des geschlossenen Behalters 2 installiert, ein Kolben 6 ist innerhalb des Zylinders 4 so installiert, dass er sich linear hin- und herbewegen kann, um die in einen Kompressionsraum P im Zylinder 4 gesaugten Kühlmittel zu komprimieren, und es sind verschiedene Federn für elastische Halterung in der Bewegungsrichtung des Kolbens 6 installiert. Hierbei ist der Kolben 6 mit einem Linearmotor 10 zum Erzeugen einer linearen Hin-Her-Antriebskraft verbunden. Wie es in den 4A und 4B dargestellt ist, wird selbst dann, wenn die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 aufgrund der Last variiert, die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 so kontrolliert, dass sie mit der naturlichen Frequenz f_n des Kolbens 6 synchronisiert ist, so dass Resonanzbetrieb in allen Lastbereichen ausgefuhrt werden kann, um die Kompressionseffizienz zu ändern.
Außerdem ist an einem Ende des Kolbens 6 ein Ansaugventil 22 in Kontakt mit dem Kompressionsraum P installiert, und eine Auslassventilanordnung 24 ist an einem Ende des Zylinders 4 in Kontakt mit dem Kompressionsraum P installiert. Das Ansaugventil 22 und die Auslassventilanordnung 24 werden abhangig vom Innendruck im Kompressionsraum P automatisch so gesteuert, dass sie offnen oder schließen.
Die obere und die untere Schale des geschlossenen Behälters 2 sind so verbunden, dass sie diesen hermetisch abdichten. Die Einlassleitung 2a, uber die die Kuhlmittel angesaugt werden, und die Auslassleitung 2b, uber die sie ausgestoßen werden, sind an einer Seite des geschlossenen Behalters 2 installiert. Der Kolben 6 ist so im Zylinder 4 installiert, dass er in der Bewegungsrichtung elastisch gehalten wird, um die lineare Hin- und Herbewegung auszufuhren. Der Linearmotor 10 ist mit einem Rahmen 18 außerhalb des Zylinders 4 verbunden um eine Baugruppe zu bilden. Die Baugruppe ist an der inneren Bodenflache des geschlossenen Behalters 2 so installiert, dass sie durch eine Haltefeder 29 elastisch gehalten wird.
Die innere Bodenflache des geschlossenen Behälters 2 enthält Öl, eine Ölzuführvorrichtung 30 zum Pumpen des Öls ist am unteren Ende der Baugruppe installiert, und eine Ölzuführleitung 18a zum Zuführen von Öl zwischen dem Kolben 6 und dem Zylinder ist im Rahmen 18 an der Unterseite der Baugruppe ausgebildet. Demgemaß wird die Ölzuführvorrichtung 30 durch Schwingungen betrieben, wie sie durch die lineare Hin- und Herbewegung des Kolbens 6 erzeugt werden, um das Öl zu pumpen, und das Öl wird entlang der Ölzuführleitung 18a zur Kuhlung und Schmierung in den Zwischenraum zwischen den Kolben 6 und dem Zylinder 4 geliefert.
Der Zylinder 4 ist mit hohler Form ausgebildet, so dass der Kolben 6 die lineare Hin- und Herbewegung ausfuhren kann, und er verfügt an seiner einen Seite über den Kompressionsraum P. Vorzugsweise ist der Zylinder 4 in einer geraden Linie mit der Einlassleitung 2a installiert, und zwar in einem Zustand, in dem sein eines Ende benachbart zum Innenabschnitt des Einlassrohrs 2a liegt.
Der Kolben 6 ist innerhalb eines Endes des Zylinders 4 benachbart zur Einlassleitung 2a installiert, um die lineare Hin- und Herbewegung auszuführen, und die Auslassventilanordnung 24 ist am einen Ende des Zylinders 4 in der Richtung entgegengesetzt zur Einlassleitung 2a installiert.
Hierbei verfügt die Auslassventilanordnung 24 uber eine Auslassabdeckung 24a zum Ausbilden eines vorbestimmten Auslassraums an einem Ende des Zylinders 4, ein Auslassventil 24b zum Offnen oder Schließen des Endes des Zylinders 4 nahe dem Kompressionsraum P, und eine Ventilfeder 24c, die eine Art Schraubenfeder zum Ausuben einer elastischen Kraft zwischen der Auslassabdeckung 24a und dem Auslassventil 24b in der axialen Richtung ist. An der inneren Umfangsflache eines Endes des Zylinders 4 ist ein O-Ring R eingesetzt, damit das Auslassventil 24a dicht am einen Ende des Zylinders 4 anliegen kann.
Zwischen einer Seite der Auslassabdeckung 24a und der Auslassleitung 2b ist ein Schleifenleitung 28 mit Vertiefung installiert, um die komprimierten Kühlmittel so zu leiten, dass sie nach außen ausgestoßen werden, und um zu verhindern, dass durch Wechselwirkungen des Zylinders 4, des Kolbens 6 und des Linearmotors 10 erzeugte Schwingungen auf den gesamten geschlossenen Behälter 2 übertragen werden.
Daher wird, wenn der Kolben 6 linear im Zylinder 4 hin- und herlauft, wenn der Druck im Kompressionsraum P über einem vorbestimmten Auslassdruck liegt, die Ventilfeder 24c zusammengedruckt, um das Auslassventil 24b zu öffnen, und die Kuhlmittel werden aus dem Kompressionsraum P ausgestoßen und dann entlang der Schleifenleitung 28 und der Auslassleitung 2b nach außen ausgelassen.
Im Zentrum des Kolbens 6 ist ein Kuhlmittelkanal 6a ausgebildet, durch den die von der Einlassleitung 2a zugeführten Kühlmittel fließen. Der Linearmotor 10 ist durch ein Verbindungselement 17 direkt mit einem Ende des Kolbens 6, benachbart zur Einlassleitung 2a, verbunden, und das Ansaugventil 22 ist an einem Ende des Kolbens 6 in der entgegengesetzten Richtung zur Einlassleitung 2a installiert. Der Kolben 6 ist durch verschiedene Federn elastisch in der Bewegungsrichtung gelagert.
Das Ansaugventil 22 ist in Form einer dünnen Platte ausgebildet. Das Zentrum des Ansaugventils 22 ist teilweise ausgeschnitten, um den Kuhlmittelkanal 6a des Kolbens 6 zu offnen oder zu schließen, und eine Seite des Ansaugventils 22 ist durch Schrauben an einem Ende des Kolbens 6a befestigt.
Demgemaß wird, wenn der Kolben 6 linear im Zylinder 4 hin- und herläuft, wenn der Druck im Kompressionsraum P unter einem vorbestimmten Saugdruck unter dem Ausstoßdruck liegt, das Ansaugventil 22 geöffnet, so dass die Kuhlmittel in den Kompressionsraum P gesaugt werden konnen, und wenn der Druck im Kompressionsraum P über dem vorbestimmten Saugdruck liegt, werden die Kühlmittel im Kompressionsraum P im geschlossenen Zustand des Ansaugventils 22 komprimiert.
Insbesondere ist der Kolben 6 so installiert, dass er elastisch in der Bewegungsrichtung gelagert ist. Genauer gesagt, ist ein Kolbenflansch 6b, der in der radialen Richtung vom einen Ende des Kolbens 6 benachbart zur Einlassleitung 2a vorsteht, durch mechanische Federn 8a und 8b wie Schraubenfedern elastisch in der Bewegungsrichtung des Kolbens 6 gelagert. Die Kühlmittel, die im Kompressionsraum P in der Richtung entgegengesetzt zur Einlassleitung 2a enthalten sind, wirken aufgrund einer Elastizitätskraft als Gasfeder, um dadurch den Kolben 6 elastisch zu lagern.
Hierbei verfügen die mechanischen Federn 8a und 8b über konstante mechanische Federkonstanten K_m, unabhängig von der Last, und sie sind vorzugsweise mit einem am Linearmotor 10 und am Zylinder 4 befestigten Halterahmen 26 nebeneinander in der axialen Richtung des Kolbenflanschs 6b installiert. Auch verfugen die durch den Halterahmen 26 gelagerte mechanische Feder 8a und die am Zylinder 4 installierte mechanische Feder 8b uber dieselbe mechanische Federkonstante K_m.
Jedoch weist die Gasfeder eine mit der Last variierende Gasfederkonstante K_g auf. Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, steigt der Druck der Kuhlmittel an, und so steigt die Elastizitatskraft der Gase im Kompressionsraum P an. Im Ergebnis ist die Gasfederkonstante K_g der Gasfeder umso hoher, je hoher die Last angestiegen ist.
Während die mechanische Federkonstante K_m konstant ist, variiert die Gasfederkonstante K_g mit der Last. Daher variiert auch die Gesamtfederkonstante mit der Last, und die naturliche Frequenz f_n des Kolbens 6 variiert in der obigen Formel 1 mit der Gasfederkonstante K_g.
Selbst wenn die Last variiert, sind die mechanische Federkonstante K_m und die Masse des Kolbens 6 konstant, jedoch variiert die Gasfederkonstante K_g. Demgemaß wird die naturliche Frequenz f_n des Kolbens 6 durch die aufgrund der Last variierende Gasfederkonstante K_g merklich beeinflusst. Wenn ein Algorithmus zum Variieren der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6 mit der Last erhalten wird und die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 mit dieser synchronisiert wird, kann die Effizienz des Linearkompressors verbessert werden, und die Last kann schnell überwunden werden.
Die Last kann auf verschiedene Arten gemessen werden. Da der Linearkompressor in einem Kühlungs/Luftklimatisierungs-Zyklus zum Komprimieren, Kondensieren, Expandieren und Verdampfen von Kuhlmitteln installiert ist, kann die Last als Differenz zwischen dem Kondensationsdruck, der der Druck kondensierender Kuhlmittel ist, und einem Verdampfungsdruck, der der Druck verdampfender Kühlmittel ist, definiert werden. Um die Genauigkeit zu verbessern, wird die Last unter Berucksichtigung des mittleren Drucks betreffend den Kondensationsdruck und den Verdampfungsdruck bestimmt.
D. h., dass die Last proportional zur Differenz zwischen dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck und dem mittleren Druck berechnet wird. Je mehr die Last ansteigt, desto höher ist die Gasfederkonstante K_g. Wenn beispielsweise die Differenz zwischen dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck ansteigt, steigt die Last an. Selbst wenn sich die Differenz zwischen dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck nicht andert, aber der mittlere Druck ansteigt, steigt die Last an. Die Gasfederkonstante K_g steigt entsprechend der Last an.
Wie es in der 5 dargestellt ist, werden eine Kondensationstemperatur proportional zum Kondensationsdruck und eine Verdampfungstemperatur proportional zum Verdampfungsdruck gemessen, und die Last wird proportional zur Differenz zwischen der Kondensationstemperatur und der Verdampfungstemperatur und einer mittleren Temperatur berechnet. Derartige Daten werden dazu verwendet, die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 mittels eines vorbestimmten Frequenzabschatzalgorithmus abzuschatzen.
Genauer gesagt, können die mechanische Federkonstante K_m und die Gasfederkonstante K_g durch verschiedene Versuche bestimmt werden. Gemäß der Erfindung verfügen die mechanischen Federn 8a und 8b des Linearkompressors über eine kleinere mechanische Federkonstante K_m als die mechanischen Federn des herkommlichen Linearkompressors, was das Verhaltnis der Gasfederkonstante K_g zur Gesamtfederkonstante K_T erhoht. Daher variiert die naturliche Frequenz f_n des Kolbens 6 lastabhangig in einem relativ großen Bereich, und die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 wird leicht mit der lastabhängig variierenden natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6 synchronisiert.
Gemäß der 6 verfügt der Linearmotor 10 uber einen durch Aufschichten mehrerer Laminate 12a in der Umfangsrichtung hergestellten und durch den Rahmen 18 fest außerhalb des Zylinders 4 installierten Innenstator 14, einen durch Aufschichten mehrerer Laminate 14b am Umfang eines Spulenwicklungskörpers 14a in der Umfangsrichtung und durch den Rahmen 18 außerhalb des Zylinders 4 mit einem vorbestimmten Zwischenraum zum Innenstator 12 installierten Außenstator 14 sowie einen Permanentmagnet 16, der im Zwischenraum zwischen dem Innenstator 12 und dem Außenstator 14 positioniert ist und durch das Verbindungselement 17 mit dem Kolben 6 verbunden ist. Hierbei kann der Spulenwicklungskorper 14a fest außerhalb des Innenstators 12 installiert sein.
Genauer gesagt, ist der Linearmotor 10 mit dem Kolben 6 verbunden, um ihn in der axialen Richtung hin- und herzubewegen, und um seinen Hub S entsprechend einer vorbestimmten Last (oder Kühlvermögen) zu variieren, so dass er linear so hin- und herbewegt werden kann, dass er den oberen Totpunkt (OT) erreicht. Zu diesem Zweck verfügt der Linearmotor 10 über eine Spannungsquelleneinheit 18 zum Liefern einer Gleichspannung durch Gleichrichten einer externen Wechselspannung, eine Umrichtereinheit 19 zum Empfangen der gleichgerichteten Gleichspannung von der Spannungsquelleneinheit 18 und zum Erzeugen einer Sinuswechselspannung entsprechend einem vorbestimmten Invertersteuerungssignal (beispielsweise PWM-Signal) und zum Anlegen derselben an den Spulenwicklungskörper 14a, und eine Steuerungseinheit 20 zum Einstellen einer variablen Größe des Hubs S des Kolbens 6 entsprechend der Last, um das Invertersteuerungssignal zum Erzeugen der unsymmetrischen Wechselspannung entsprechend der variablen Größe zu erzeugen und um es an die Umrichtereinheit 19 anzulegen.
Hierbei ist die Spannungseinheit 18 eine ubliche Gleichrichterschaltung, und die Umrichtereinheit 19 ist eine übliche Umrichteranordnung.
Wie oben beschrieben, erzeugt die Steuerungseinheit 20 das Invertersteuerungssignal zum Erzeugen der gegenuber einem Nullpunkt unsymmetrischen Sinuswechselspannung, um Temperaturinformation zu empfangen und den Hub S des Kolbens 6 entsprechend der Last (oder dem Kuhlvermogen), entsprechend der Temperaturinformation zu variieren.
Die Steuerungseinheit 20 bewegt den Kolben 6 auf lineare Weise im Zylinder 4 hin und her, um den Kompressionsraum P zu bilden.
Selbst wenn der Hub S des Kolbens 6 variiert wird, bewegt die Steuerungseinheit 20 denselben linear so hin und her, dass er den OT erreicht, bei dem er völlig in den Zylinder 4 geschoben ist, um den Kompressionsraum P nicht zu bilden. Da der Kolben 6 linear zum OT hin- und herbewegt wird, wird die Kompressionseffizienz unabhängig von Variationen des Hubs S des Kolbens 6 beibehalten.
Nun werden die Betriebsabläufe und Funktionen der Steuerungseinheit 20 unter Bezugnahme auf die 7A bis 7D erlautert. Hierbei führt die Steuerungseinheit 20 einen Prozess zum Einstellen der unsymmetrischen Wechselspannung (eine Art Spannungsstellwert), zum Betreiben der lastabhangigen naturlichen Frequenz f_n entsprechend einem vorbestimmten Frequenzabschatzalgorithmus unter Verwendung der Daten der 5 und zum Gleichsetzen der Frequenz der unsymmetrischen Wechselspannung (d. h. der Betriebsfrequenz f_c) mit der natürlichen Frequenz f_n, was unten nicht erläutert wird, aus.
Zunächst entspricht die Spannung V2 in der 7A der Spannung V2 in der 2A. D. h., dass der Spitze-Spitze-Wert der Spannung V2 verringert wird, um den Hub S des Kolbens 6 entsprechend der Last (kleine Last) zu verringern. Jedoch ist der Spitzenwert V2_p der Spannung V2 kleiner als der Maximalspannungs-Schwellenwert V_p, so dass der Kolben 6 den OT nicht erreichen kann.
Daher stellt, wie es in der 7B dargestellt ist, die Steuerungseinheit 20 eine neue Spannung V2' durch Addieren einer vorbestimmten Offsetspannung V_offset zur Spannung V2 ein. Hierbei hat die Offsetspannung V_offset den Wert (V_p - V2_p). Außerdem ist die Offsetspannung V_offset eine Gleichspannung mit positivem Wert.
Wie oben angegeben, stellt die Steuerungseinheit 20 die (Sinus) Spannung mit dem Spitze-Spitze-Wert zum Verringern des Hubs S des Kolbens 6 entsprechend der Last ein (1), und sie stellt die Sinuswechselspannung gegenuber dem Nullpunkt unsymmetrisch aber symmetrisch zur Offsetspannung V_offset dadurch ein, dass die Offsetspannung V_offset so berechnet und addiert wird, dass der positive Spitzenwert der eingestellten Spannung dem Maximalspannungs-Schwellenwert V_p entsprechen kann (2). Wenn die Steuerungseinheit 20 das Invertersteuerungssignal entsprechend der eingestellten unsymmetrischen Wechselspannung erzeugt und das erzeugte Signal an die Umrichtereinheit 19 überträgt, erzeugt diese die eingestellte unsymmetrische Wechselspannung entsprechend dem Invertersteuerungssignal, und sie legt die erzeugte Spannung an den Spulenwicklungskorper 14a an, um dadurch den Kolben 6 linear hin- und herzubewegen. Die Steuerungseinheit 20 kann die unsymmetrische Wechselspannung durch Ausführen des Schritts (2) vor dem Schritt (1) einstellen. In diesem Fall werden die Große der Offsetspannung V_offset und die Verringerungsweite des Spitze-Spitze-Werts geeignet eingestellt, was vom Fachmann auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung leicht realisiert werden kann.
Genauer gesagt, sorgt, wenn die unsymmetrische Wechselspannung V2' höher als die Offsetspannung V_offset ist, die Steuerungseinheit 20 dafür, dass der Kolben 6 eine Kompression ausführt, und wenn die unsymmetrische Wechselspannung V2' niedriger als die Offsetspannung V_offset ist, sorgt die Steuerungseinheit 20 dafur, dass der Kolben 6 einen Ansaugvorgang ausfuhrt.
Die 7C zeigt die Spannung V4, die dadurch erhalten wird, dass eine Offsetspannung V_offset vorbestimmter Größe zur Spannung V1 in der 2 addiert wird. Hierbei ist die Offsetspannung V_offset eine Gleichspannung mit negativem Wert.
Da der Spitzenwert V4_p der Spannung V4 kleiner als der Maximalspannungs-Schwellenwert V_p ist, wie es in der 7D dargestellt ist, wird der Spitze-Spitze-Wert der Spannung V4 erhoht, so dass der Spitzenwert einer Spannung V4' dem Maximalspannungs-Schwellenwert V_p gleich sein kann. Die unsymmetrische Wechselspannung wird zum Erhöhen des Hubs S des Kolbens 6 bei großer Last (oder hohem Kuhlvermögen) eingestellt. Hierbei ist auch die neue Spannung V4' eine Sinuswechselspannung, die unsymmetrisch zum Nullpunkt, jedoch symmetrisch zur Offsetspannung V_offset ist.
Demgemäß erzeugt, wenn die Steuerungseinheit 20 das Invertersteuerungssignal entsprechend der eingestellten unsymmetrischen Wechselspannung erzeugt und das erzeugte Signal an die Umrichtereinheit 19 ubertragt, diese die eingestellte unsymmetrische Wechselspannung entsprechend dem Invertersteuerungssignal, und sie legt die erzeugte Spannung an den Spulenwicklungskörper 14a an, um dadurch den Kolben 6 linear hin- und herzubewegen.
Das Verfahren zum Vergrößern des Hubs S des Kolbens 6 in den 7C und 7D kann auch dadurch realisiert werden, dass der Spitze-Spitze-Wert der Spannung erhoht wird und die Offsetspannung V_offset, die eine negative Gleichspannung ist, addiert wird, so dass der Spitzenwert der Spannung dem Maximalspannungs-Schwellenwert V_p gleich sein kann.
Außerdem sorgt, wenn die unsymmetrische Wechselspannung V2' hoher als die Offsetspannung V_offset ist, die Steuerungseinheit 20 dafur, dass der Kolben 6 einen Kompressionsvorgang ausführt, und wenn die unsymmetrische Wechselspannung V2' niedriger als die Offsetspannung V_offset ist, sorgt die Steuerungseinheit 20 dafur, dass der Kolben 6 einen Ansaugvorgang ausfuhrt.
Die 8A und 8B sind Zustandsansichten zum Veranschaulichen von Anderungen des Hubs S des Kolbens 6.
Die 8A zeigt den Hub S' des Kolbens 6, wenn die Steuerungseinheit 20 das Invertersteuerungssignal fur die eingestellte unsymmetrische Wechselspannung, wie sie in der 7B dargestellt ist, erzeugt und dieses an die Umrichtereinheit 19 ubertragt, und wenn diese die eingestellte unsymmetrische Wechselspannung an den Spulenwicklungskörper 14a anlegt, um den Kolben linear hin- und herzubewegen. Der Hub S ist der Bewegungsweg des Kolbens 6, bis er den OT erreicht. Hierbei sind, wenn die Wechselspannung (Spannung V1 in der 2A) symmetrisch zum Nullpunkt erzeugt und dann angelegt wird, ein Kompressionsweg und ein Saugweg gegenüber einem vorbestimmten Zentrum C identisch.
Gemäß der 8A ist der Hub S' des Kolbens 6 aufgrund der unsymmetrischen Wechselspannung kürzer als der Hub S desselben durch die symmetrische Wechselspannung. Der Kolben 6 wird linear so hin- und herbewegt, dass er den OT erreicht. Hierbei wird der Kolben 6 linear so hin- und herbewegt, dass er aufgrund des verringerten Hubs S' einen neuen UT' (unteren Totpunkt), nicht einen fruheren UT, erreicht.
Umgekehrt zeigt die 8B den Hub S" des Kolbens 6, wenn die Steuerungseinheit 20 das Invertersteuerungssignal für die eingestellte unsymmetrische Wechselspannung, wie sie in der 7D dargestellt ist, erzeugt und es an die Umrichtereinheit 19 überträgt, und wenn diese die eingestellte unsymmetrische Wechselspannung an den Spulenwicklungskorper 14a legt, um den Kolben 6 linear hin- und herzubewegen. Der Hub S ist der Bewegungsweg des Kolbens 6, bis er den OT erreicht. Hierbei sind, wenn die Wechselspannung (Spannung V1 in der 2A) symmetrisch zum Nullpunkt erzeugt und dann angelegt wird, ein Kompressionsweg und ein Ansaugweg gegenüber einem vorbestimmten Zentrum C identisch.
Wie es in der 8B dargestellt ist, ist der Hub S" des Kolbens 6 aufgrund der unsymmetrischen Wechselspannung großer als sein Hub S aufgrund der symmetrischen Wechselspannung. Verschieden von herkommlichen Techniken wird der Kolben 6 linear so hin- und herbewegt, dass er den OT erreicht. Hierbei wird der Kolben 6 linear so hin- und herbewegt, dass er aufgrund des erhohten Hubs S" einen neuen UT", nicht einen fruheren UT, erreicht.
Die 9 ist ein Kurvenbild, das Ergebnisse zum ersten Beispiel der 6 zeigt. Die X-Achse zeigt das Offsetverhältnis, und die Y-Achse zeigt das Hubverhaltnis. Hierbei ist das Offsetverhältnis als (Verschiebeweg des Kolbens 6 aufgrund der Offsetspannung)/(konstruktionsbedingter Anfangswert) definiert. Genauer gesagt, ist der Verschiebeweg des Kolbens 6 aufgrund der Offsetspannung V_offset sein Bewegungsweg zum OT aufgrund der zusätzlichen Offsetspannung V_offset, was mit dem Bewegungsweg des Zentrums des Hubs in den 8A und 8B identisch ist. D. h., dass dies die Differenz zwischen dem Zentrum C des Hubs S und den Zentren der Hube S' und S" bei der symmetrischen Wechselspannung beinhaltet. Außerdem beinhaltet der konstruktionsbedingte Anfangswert ein festes Intervall zwischen dem OT und dem Zentrum C, wenn ein Zustand ohne angelegte Spannung vorliegt. Daher wird, wenn das Offsetverhältnis einen positiven Wert aufweist und die Last niedriger Kühlung entspricht, der Kolben 6 zum OT verschoben, und wenn das Offsetverhaltnis einen negativen Wert aufweist und die Last hoher Kuhlung entspricht, wird der Kolben 6 zum UT verschoben. Das Hubverhältnis ist als (Hub, wenn die Offsetspannung addiert ist)/(Hub aufgrund der symmetrischen Wechselspannung) definiert.
Demgemäß nimmt bei den Beziehungen zwischen dem Offsetverhältnis und dem Hubverhältnis, wenn der Kolben 6 aufgrund der Offsetspannung zum OT verschoben wird, d. h., wenn der Offsetwert positiv ist, der gesamte Hub ab, wodurch das Hubverhaltnis kleiner als 100 % ist, und wenn der Offsetwert negativ ist, ist der gesamte Hub erhöht, und so ist das Hubverhaltnis großer als 100 %. Auf Grundlage dieser Beziehungen kann der Hub durch die unsymmetrische Wechselspannung variiert werden, und es kann auch das Kuhlvermogen variiert werden. Im Ergebnis kann der Linearkompressor durch Andern des Kuhlvermogens schnell variable Lasten handhaben.
Die 10A und 10B sind Kurvenbilder zum Veranschaulichen eines zweiten Beispiels zum Einstellen einer Sinusspannung beim Linearmotor der 6.
Wie beim ersten Beispiel muss der Kolben 6 den OT erreichen, und so müssen positive Spitzenwerte der Spannungen V5 und V6 dem Maximalspannungs-Schwellenwert V_p entsprechen. Der positive Bereich (Kompression) der Spannung V2 in der 2A wird identisch beibehalten, jedoch wird der negative Bereich (Ansaugen) der Spannung V2 verändert, um den Hub des Kolbens 6 zu variieren.
Wie es in der 10A dargestellt ist, stellt die Steuerungseinheit 20 den Spitzenwert V5_p im negativen Bereich der Lastspannung V2 entsprechend der Last (kleine Last) kleiner als den Maximalspannungs-Schwellenwert V_p ein. Dazu verringert die Steuerungseinheit 20 den negativen Bereich der Spannung V2 um ein vorbestimmtes Verhaltnis, das der Last entspricht (d. h. entsprechend der variablen Größe des Hubs), oder sie verringert den negativen Bereich entsprechend der Last (d. h. entsprechend der variablen Größe des Hubs) durch Addieren einer vorbestimmten Wechselspannung. Da der Spitze-Spitze-Wert der Spannung V5 kleiner als der der Spannung V2 ist, nimmt der Hub des Kolbens 6 ab, was zum selben Ergebnis wie dem in der 8A führt.
Wie es in der 10B dargestellt ist, stellt die Steuerungseinheit 20 einen Spitzenwert V6_p im negativen Bereich der Lastspannung V2 großer als den Maximalspannungs-Schwellenwert V_p ein. Dazu vergroßert die Steuerungseinheit 20 den negativen Bereich der Spannung V2 um ein vorbestimmtes Verhaltnis entsprechend der Last (d. h. entsprechend der variablen Größe des Hubs), und sie vergroßert den negativen Bereich entsprechend der Last (d. h. entsprechend der variablen Große des Hubs) durch Addieren einer vorbestimmten Wechselspannung. Da der Spitze-Spitze-Wert der Spannung V6 großer als derjenige der Spannung V2 ist, nimmt der Hub des Kolbens 6 zu, was zum selben Ergebnis wie dem gemaß der 8B führt.
In den 10A und 10B fuhrt die Steuerungseinheit 20 einen Prozess zum Einstellen einer unsymmetrischen Wechselspannung, zum Betreiben der natürlichen Frequenz f_n entsprechend der Last und zum Gleichsetzen der Frequenz der unsymmetrischen Wechselspannung (d. h. der Betriebsfrequenz f_c) mit der natürlichen Frequenz f_n, was unten nicht erläutert wird, aus.
Die Variationen des Hubs des Kolbens 6 aufgrund der unsymmetrischen Wechselspannung, wie in den 10A und 10B dargestellt, entsprechen denen der 8A bzw. 8B, was unten nicht erlautert wird.
Die 11 ist ein Kurvenbild, das Ergebnisse zum zweiten Beispiel gemäß der 6 zeigt. Die X-Achse zeigt ein Unsymmetrieverhältnis, und die Y-Achse zeigt ein Hubverhältnis. Hierbei ist das Unsymmetrieverhaltnis als (Amplitude des Saughubs)/(Amplitude des Kompressionshubs) definiert, und das Hubverhaltnis ist als (Hub, wenn die unsymmetrische Wechselspannung angelegt wird)/(Hub, wenn die symmetrische Wechselspannung angelegt wird, definiert.
Genauer gesagt, ist bei der unsymmetrischen Wechselspannung mit einem negativen Spitzenwert, der kleiner als der positive Spitzenwert ist, wie es in der 10A dargestellt ist, das Unsymmetrieverhaltnis kleiner als ‚1‘, und der Gesamthub ist verkleinert. Umgekehrt ist bei einer unsymmetrischen Wechselspannung mit einem negativen Spitzenwert, der großer als der positive Spitzenwert ist, wie es in der 10B dargestellt ist, das Unsymmetrieverhaltnis großer als ‚1‘, und der Gesamthub ist vergroßert. Auf Grundlage dieser Beziehungen kann der Hub durch die Wechselspannung variiert werden, und es kann auch das Kuhlvermogen variiert werden. Im Ergebnis kann der Linearkompressor eine variable Last durch Andern des Kühlvermogens schnell handhaben.
Wenn die Last zunimmt, nehmen gleichzeitig die Gasfederkonstante K_g und die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 zu. Die Frequenz der unsymmetrischen Wechselspannung wird so kontrolliert, dass die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 durch den Frequenzabschätzalgorithmus mit der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6 synchronisiert werden kann. Daher wird der Linearkompressor im Resonanzzustand betrieben, wodurch die Kompressionseffizienz verbessert ist.
Andererseits nehmen, wenn die Last zunimmt, die Gasfederkonstante K_g und die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 gleichzeitig ab. Die Frequenz der unsymmetrischen Wechselspannung wird so kontrolliert, dass die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 durch den Frequenzabschätzalgorithmus mit der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6 synchronisiert werden kann. Demgemaß wird der Linearkompressor im Resonanzzustand betrieben, wodurch die Kompressionseffizienz verbessert ist.
Wie bereits erörtert, wird, gemäß der Erfindung, der Linearkompressor dadurch im Resonanzzustand betrieben, dass Änderungen der Gasfederkonstante und der natürlichen Frequenz aufgrund der Last durch den Frequenzabschatzalgorithmus abgeschatzt werden und die Betriebsfrequenz des Linearmotors (d. h. die Frequenz der unsymmetrischen Wechselspannung) mit der naturlichen Frequenz synchronisiert wird, um dadurch die Kompressionseffizienz zu maximieren.
Auf Grundlage der bevorzugten Ausfuhrungsformen und der beigefügten Zeichnungen wurde ein Linearkompressor beschrieben, bei dem der sich bewegende Linearkompressor vom Magnettyp betrieben wird und der mit ihm verbundene Kolben linear im Zylinder hin- und herbewegt wird, um die Kuhlmittel anzusaugen, zu komprimieren und auszustoßen. Jedoch ist es zu beachten, dass zwar die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, die Erfindung jedoch nicht auf diese bevorzugten Ausfuhrungsformen eingeschränkt werden soll, sondern dass vom Fachmann innerhalb des Grundgedankens und des Schutzumfangs der nachfolgend beanspruchten Erfindung verschiedene Anderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können.

Claims

Vorrichtung zum Steuern eines Linearkompressors, mit: einer Spannungsquelleneinheit zum Liefern einer Gleichspannung durch Gleichrichten einer externen Wechselspannung; einer Umrichtereinheit zum Empfangen der Gleichspannung von der Spannungserzeugungseinheit, zum Erzeugen einer dem Invertersteuerungssignal entsprechenden Wechselspannung und zum Anlegen derselben an einen Spulenwicklungskörper; und einer Steuerungseinheit zum Einstellen einer Wechselspannung aufweisend einen Spitze-Spitze-Wert entsprechend dem Kühlvermögen, wobei der positive Spitzenwert dieser Wechselspannung mit einem positiven Spitzenwert eines Maximalspannungs-Schwellenwerts der Umrichtereinheit übereinstimmt, wobei die Steuerungseinheit das Invertersteuerungssignal erzeugt, um die einzustellende Wechselspannung zu erzeugen und dieses der Umrichtereinheit bereitzustellen, wobei die Steuerungseinheit einen negativen Spitzenwert der einzustellenden Wechselspannung gemäß einer Last variiert, wobei jedoch der positive Spitzenwert der einzustellenden Wechselspannung identisch beibehalten wird, wobei, wenn das Kühlvermögen hoch ist, der Spitze-Spitze-Wert der variierenden Wechselspannung größer ist als der Spitze-Spitze-Wert des Maximalspannungs-Schwellenwerts der Umrichtereinheit, und wobei, wenn das Kühlvermögen niedrig ist, der Spitze-Spitze-Wert der variierenden Wechselspannung kleiner ist als der Spitze-Spitze-Wert des Maximalspannungs-Schwellenwerts der Umrichtereinheit.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn ein Wert der variierenden Wechselspannung positiv ist, führt ein bewegliches Element des Kompressors einen Kompressionsvorgang aus, und wenn ein Wert der variierenden Wechselspannung negativ ist, führt das bewegliche Element einen Saugvorgang aus.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der negative Spitzenwert der einzustellenden Wechselspannung durch ein vorbestimmtes Verhältnis korrespondierend zur Last variiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der negative Spitzenwert der einzustellenden Wechselspannung durch Addieren einer Wechselspannung variiert wird.