シリンダ位置認識システムを有する、リニアモータによって駆動されるピストンとシリンダとの組合せ体、リニアモータ圧縮機、および誘導センサ

专利摘要:
本発明は、シリンダ位置認識システムを有する、リニアモータによって駆動されるピストンとシリンダとの組合せ体であって、エアギャップ（１２）を形成する支持構造体（４）と、エアギャップ（１２）の少なくとも一部に沿った可変電磁流を生成するモータ巻線（６）と、その一方の端部にヘッドを有するシリンダ（２）と、磁石（５）に接続されたピストン（１）であって、エアギャップ（１２）を少なくとも部分的に含む変位経路の内部で移動するために、前記磁石が、前記モータ巻線（６）の電磁流によって駆動され、磁石の変位によってピストン（１）がシリンダ（２）の内部で往復移動するピストン（１）と、磁石（５）の変位経路の或る場所に配置された誘導センサ（８）であって、ピストン（１）がシリンダのヘッドに最も近い位置に到達するとき、誘導センサが、磁石の対応する位置に起因する磁界の変化を検出し、この磁界の変化から生じる電圧信号を生成するように誘導センサ（８）とを備えるピストンとシリンダとの組合せ体を開示する。さらに、本発明は、本発明のようなピストンとシリンダとの組合せ体を備え、シリンダの位置を認識ことができる、リニアモータ圧縮機を開示する。
公开号:JP2011509063A
申请号:JP2010539974
申请日:2008-12-29
公开日:2011-03-17
发明作者:クニース，マルセロ；セルジオ ダイネジュ，パウロ；フェルナンド フェレイラ，ネリアン；エリシュ；ベルンハルド リリイ，ディートマー
申请人:ワールプール，ソシエダッド アノニマ；
IPC主号:H02K33-00

专利说明:

[0001] 本発明は、ピストン動作の振幅を検出することができ、ピストンの圧縮能力を最大化することのできるシリンダ位置認識システムを有する、リニアモータによって駆動されるピストンとシリンダとの組合せ体を開示する。さらに、本発明は、この種のピストンとシリンダとの組合せ体が応用されるリニアモータ圧縮機、および本発明の目的である圧縮機に応用できる誘導センサを開示する。]
背景技術

[0002] 関連出願の相互参照
本出願は、２００７年１２月２８日出願のブラジル国特許出願第ＰＩ０７０４９４７−１号の優先権を主張し、その開示は、参照することによって本明細書に含まれる。]
[0003] 現在、リニアモータによって駆動されるピストンとシリンダとの組合せ体の使用が非常に一般的である。この種のピストンとシリンダとの組合せ体は有利にも、例えば、冷蔵庫および空調器具といった冷却システムのリニア圧縮機に応用されている。リニア圧縮機は、低いエネルギー消費量を提示しているので、当該用途では効率が高い。]
[0004] リニア圧縮機は普通、シリンダの内部で移動するピストンを備える。このシリンダのヘッドは、低圧気体の流入とシリンダの内部からの高圧気体の排出とを調節する吸入バルブと気体排出バルブとを収容する。リニア圧縮機のシリンダの内部のピストンの軸方向移動は、吸入バルブによって受け入れられた気体を圧縮し、その圧力を増大させ、排出バルブを通じて高圧ゾーンにそれを排出する。]
[0005] リニア圧縮機は、シリンダの内部のピストンの位置を識別し、ピストンが、シリンダのヘッドまたはピストン経路のもう一方の端部に配置された他の構成要素と衝突するのを防止するためにその変位を制御できなければならない。ピストンの衝突は、機器の磨耗および断裂に加えて、大きく不快な騒音の原因になる。]
[0006] しかし、リニア圧縮機の効率と性能を最適化し、圧縮機のエネルギー消費量を最小化するためには、シリンダの内部でピストンができるだけ大きく変位し、ピストンヘッドに衝突せずにそれにできる限り近づくことが望ましい。これを可能にするためには、圧縮機が動作しているときのシリンダの変位振幅を正確に知らなければならないが、考慮されるこの振幅の推定誤差が大きいほど、その衝突を回避するためのピストンの経路の最大点とシリンダのヘッドとの間の安全距離を大きくすることになる。この安全距離は、圧縮機の効率を低下させる。]
[0007] 圧縮機のシリンダの内部のピストンの軸方向変位を制御するいくつかの機構およびシステムが、先行技術においてすでに知られている。これらの中には、特許文献１が含まれる。これは、永久磁石リニアモータに印加される電流および電圧といったモータ変数を監視することによってピストン動作の振幅を予測する方法を提案する。別言すれば、リニアモータ自体がピストン位置トランスデューサである。この解決法は、圧縮機の内部の、センサのような追加のトランスデューサを使用する必要がないという利点を提示する。しかし、提案された方法は、衝突を避けるためにピストンとシリンダのヘッドとの間に大きな安全距離を必要とするため、圧縮機の性能をかなり低下する原因となる、非常に低い精度という大きな欠点を有する。]
[0008] 特許文献２は、位置センサによって測定される不連続な位置信号を使用し、その後それらを補間してピストンの最大前進位置を決定するピストン位置制御ユニットを説明する。この解決法によれば、ピストンの変位振幅の高度な精度を達成することが可能である。しかし、ピストンの変位振幅の測定は、ピストンとシリンダのヘッドとの間の距離を測定する好都合な位置で行われない。この理由から、この発明のシステムは、位置センサの組立位置の公差の影響を受けやすい。]
[0009] 特許文献３は、軸方向に変位させることが可能な圧縮機の位置を検出するのに特に適した位置センサを説明する。圧縮機は、ヘッドと、ピストンが移動する場所である中空の本体との間に配置されたバルブブレードを備える。センサは、制御回路に電気的に接続されたプローブを備え、このプローブは、中空本体の或る場所でピストンの通過を捕捉し、制御回路に信号を送ることができる。したがって、このシステムは、ピストンとシリンダのヘッドとの間の距離を測定できるが、シリンダ位置トランスデューサとして使用される電気回路の構造は、電気接点の不良による不要な電気ノイズを発生し、それにより読み取り精度を不正確にする。]
[0010] 特許文献４は、圧縮機の動作条件、またさらには電源電圧に変化が発生したとき、ピストンが流体移送ボードと衝突するのを防止するため、リニア圧縮機のピストン位置を検出する別の形態を提案する。この特許出願で提案された解決法は、ピストンの上部で直接ピストンと流体ボードとの間の距離を測定するので、きわめて正確な解決法である。しかし、この構造は、コストが多くかかると共に、バルブボードの上にセンサを設置するための空間を必要とする。]
[0011] したがって、先行技術の文献はどれも、ピストン位置を良好な精度で制御および決定することと、ピストンと、バルブボードが配置されているシリンダのヘッドとの間の距離を直接測定する低費用なピストン変位測定システムとを結合することができない。]
先行技術

[0012] 米国特許第５，３４２，１７６号明細書
特開平１１−３３６６６１号公報
ブラジル国特許出願第０００１４０４−４号明細書
ブラジル国特許出願第０２０３７２４−６号明細書]
発明が解決しようとする課題

[0013] 本発明の第１の目的は、電気ノイズのない信号を提供し高い精度と解像度を有する、シリンダの内部のピストンの変位振幅を測定する手段を提供することである。]
[0014] 本発明の別の目的は、簡素で低コストな機器によって、位置センサの信号を処理する電子回路を使用せず、シリンダの内部のピストンの変位振幅を検出できるピストンとシリンダとの組合せ体を提供することである。]
[0015] さらに、本発明の目的は、シリンダのヘッドと、バルブボードと、ピストン経路のもう一方の端部に配置されうる任意の他の要素とピストンが衝突するのを防止することである。]
課題を解決するための手段

[0016] 本発明の目的は、
シリンダ位置認識システムを有する、リニアモータによって駆動されるピストンとシリンダとの組合せ体であって、
エアギャップ（１２）を形成する支持構造体（４）と、
前記エアギャップ（１２）の少なくとも一部に沿った可変電磁流を生成するモータ巻線（６）と、
その一方の端部にヘッドを有するシリンダ（２）と、
磁石（５）に接続されたピストン（１）であって、前記エアギャップ（１２）を少なくとも部分的に含む変位経路上で移動するために、前記磁石が、前記モータ巻線（６）の電磁流によって駆動され、前記磁石の変位によって前記ピストン（１）が、前記シリンダ（２）の内部で往復移動するピストン（１）と、
前記磁石（５）の前記変位経路の或る場所に配置された誘導センサ（８）であって、前記ピストン（１）が少なくとも事前選択された位置に到達するとき、前記誘導センサが、前記磁石の対応する位置に起因する磁界の変化を検出し、この磁界の変化から生じる電圧信号を生成するように、誘導センサ（８）と
を備えるピストンとシリンダとの組合せ体により達成される。]
[0017] 好適には、前記ピストン（１）が到達する事前選択された位置は、前記変位経路の、前記シリンダのヘッドに最も近い位置である。前記ピストン（１）が到達する別の事前選択された位置は、前記変位経路の、前記シリンダのヘッドから最も遠い位置である。]
[0018] 好適には、前記誘導センサ（８）は、前記磁石の変位方向に沿って配置されたセンサコイルを備え、前記センサコイル（８）は、前記磁石の変位方向を横切る方向に細長く、前記磁石の変位方向に沿って狭い。]
[0019] 好適には、前記ピストン（１）が前記シリンダのヘッドに最も近い位置に到達したとき、前記誘導センサ（８）は、前記磁石（５）の位置と一致する前記磁石の前記変位経路の或る場所に配置される。さらに好適には、前記ピストン（１）が前記シリンダのヘッドに最も近い位置に到達したとき、前記磁石（５）の下端の位置は、前記センサ（８）の位置と一致し、前記誘導センサに前記磁石（５）によって印加される磁界の変化が、前記誘導センサ（８）の端子同士の間の電圧差を発生する。]
[0020] あるいは、前記ピストン（１）が前記ヘッドから最も遠い位置に到達したとき、前記誘導センサ（８）は、前記磁石（５）の位置と一致する前記磁石の前記変位経路の或る場所に配置される。前記ピストン（１）が前記シリンダのヘッドから最も遠い位置に到達したとき、前記磁石（５）の上端の位置は、前記センサ（８）の位置と一致し、前記誘導センサに前記磁石（５）によって印加される磁界の変化は、前記誘導センサ（８）の端子同士の間の電圧差を発生する。]
[0021] 前記誘導センサ（８）は、前記エアギャップ（１２）の内部に配置され、または前記エアギャップ（１２）の外部に配置される。シリンダのヘッドは、シリンダの内部と連通する吸入バルブおよび排出バルブを有してもよい。]
[0022] さらに、本発明の目的は、
リニアモータ圧縮機であって、
エアギャップ（１２）を形成する支持構造体（４）と、
前記エアギャップ（１２）の少なくとも一部に沿った可変電磁流を生成するモータ巻線（６）と、
バルブボードをその上端に有するシリンダ（２）であって、低圧気体チャンバ（１３）から低圧気体をシリンダ内に受け入れ、前記シリンダ（２）の外に高圧気体を排出するシリンダ（２）と、
磁石（５）に接続されたピストン（１）であって、前記磁石が、前記エアギャップ（１２）を少なくとも部分的に含む変位経路の内部で移動するために前記モータ巻線（６）の電磁流によって駆動され、前記磁石の変位によって前記ピストン（１）が前記シリンダ（２）の内部で往復移動するピストン（１）と、
前記磁石（５）の前記変位経路の或る場所に配置された誘導センサ（８）であって、前記ピストン（１）がバルブボードの少なくとも事前選択された位置に到達するとき、前記誘導センサ（８）が、前記磁石（５）の対応する位置に起因する磁界の変化を検出し、この磁界の変化から生じる電圧信号を生成する誘導センサ（８）と
を備えるリニアモータ圧縮機により達成される。]
[0023] 本発明に係る圧縮機では、前記ピストン（１）が達する事前選択された位置は、好適には、前記変位経路の、前記シリンダのヘッドに最も近い位置である。前記ピストン（１）が到達する別の事前選択された位置は、前記変位経路の、前記シリンダのヘッドから最も遠い位置である。]
[0024] 好適には、本発明に係る圧縮機は、前もって説明された種類のシリンダ位置認識システムを有するリニアモータによって駆動されるピストンとシリンダとの組合せ体を備える。]
[0025] さらに、本発明の目的は、リニアモータ圧縮機に応用できる誘導センサであって、
前記誘導センサ（８）が、前記磁石（５）の変位方向に沿って配置されたセンサコイルを備え、前記センサコイルが、前記磁石の変位方向を横切る方向に実質上細長く、前記磁石（５）の変位方向に実質上狭い
誘導センサにより達成される。]
図面の簡単な説明

[0026] 一般的なリニアモータ圧縮機の断面図。
本発明のピストンとシリンダとの組合せ体に関連付けられ、誘導センサが結合されるコイルの斜視図。
ピストンが第１の位置にある、本発明のシリンダ位置認識システムを有するピストンとシリンダとの組合せ体の概略断面図。
ピストンが第１の位置にある、図２Ａに示されるピストンとシリンダとの組合せ体のＡ−Ａ断面の概略図。
ピストンが第２の位置にある、図２Ａに示されるピストンとシリンダとの組合せ体の概略断面図。
ピストンが第２の位置にある、図３Ａに示されるピストンとシリンダとの組合せ体のＡ−Ａ断面の概略図。
第１の位置にある本発明の圧縮機のピストンとシリンダとの機構の概略断面図。
第１の位置にある本発明の圧縮機のピストンとシリンダとの機構の概略断面図。
その変位経路の内部の磁石の位置の変化に基づいてセンサが生成する信号の電磁流の変化を表すグラフ。
数サイクルのピストンの変位の間に、経時的にセンサが生成する電圧信号を表すグラフ。] 図２Ａ 図３Ａ
実施例

[0027] これより、図面において表される実施形態の実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。]
[0028] 図１は、本発明に係る、シリンダ位置認識システムを有するリニアモータによって駆動されるピストンとシリンダとの組合せ体を応用できるリニアモータを有する圧縮機を示す。] 図１
[0029] 図１の好適実施形態に示されるような、本発明に係るピストンとシリンダとの組合せ体は、シリンダ２を備え、シリンダ２は、バルブヘッドとも呼ばれるバルブボードをその上端に備える。このバルブボードは、ピストンとシリンダとの組合せ体が空気圧縮機に応用される場合、低圧空気をシリンダ２内に導入する空気吸入バルブ３ａと、高圧空気をシリンダの外に排出する空気排出バルブ３ｂとを備える。] 図１
[0030] 本発明に係るピストンとシリンダとの組合せ体の他の応用例では、シリンダ２の内部と連通する吸入バルブ３ａおよび排出バルブ３ｂは、他の種類の流体とともに動作してもよい。例えば、ピストンとシリンダとの組合せ体がポンプに応用される場合、バルブ３ａおよび３ｂは、水のような他の種類の流体を吸入および排出してもよい。]
[0031] さらに、ピストンとシリンダとの組合せ体は、シリンダ２の内部で移動するピストン１を備え、シリンダ２は、ピストン１と共に共振組合せ体を構成する。シリンダ２の内部では、ピストンは、交互の直線運動を続け、排出バルブ３ｂを通じてこの気体を高圧側に排出できる場所まで、吸入バルブ３ａによってシリンダの内部に導入される気体を圧縮する作用を及ぼす。]
[0032] ピストンが少なくとも磁石５に結合されるので、ピストンの変位は、対応する磁石の変位を引き起こし、その逆のことも起こる。図１に見られるように、磁石５は、好適には、ピストンの外面の周囲に配置される。本発明の他の実施形態では、磁石は、例えば、ピストンに接続された軸に固定される等、異なるやり方でピストンに接続されてもよい。] 図１
[0033] さらに、ピストンとシリンダとの組合せ体は、ピストン１の支持体とピストンおよび／または磁石５が変位するためのガイドとの両方または一方として機能しうる支持構造体４を有する。支持構造体４の少なくとも一部に沿って、エアギャップ１２が形成されており、そこで磁石が移動する。]
[0034] 図１に示される本発明の好適な実施形態では、２つの螺旋ばね７ａおよび７ｂが、ピストンに対してそのいずれか一方の側に設置され、前記ばねは、好適には、常に圧縮されている。ピストンは、アクチュエータの可動部品および螺旋ばねと共に、圧縮機の共振組合せ体を形成する。] 図１
[0035] ピストンとシリンダとの組合せ体のアクチュエータは少なくとも、磁界を発生するために電力を供給されるモータ巻線６から構成される。モータ巻線は、それにより生成される磁界がピストン１の磁石５の変位経路上に作用するようなやり方で配置されなければならない。図２、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａおよび図３に示される本発明の好適な実施形態では、ピストンとシリンダとの組合せ体の支持構造体４は、２つのＥ型金属部品から構成されており、モータ巻線６は、これらの部品の各々の中央の脚部の上に結合されている。モータ巻線に結合された２つの金属部品同士の間に形成された空間は、磁石５の変位経路となるエアギャップ１２を構成する。] 図２ 図２Ａ 図２Ｂ 図３Ａ
[0036] したがって、モータ巻線は、電力が供給されるとき、エアギャップ１２の少なくとも一部に沿った、モータ巻線に印加される電源電圧に応じて可変であり、制御可能な電磁流を生成する。したがって、それに印加される電圧の結果、モータ巻線によって生成される磁界の変化は、磁石５をエアギャップ１２に沿って往復移動させ、ピストンをシリンダのバルブボード３ａおよび３ｂから離れたり近づいたりするように移動させ、このようにして、シリンダ２の内部に導入された気体を圧縮する。ピストン動作の振幅は、シリンダ２の内部のピストン１の合計の変位振幅に対応する。]
[0037] ピストン動作の振幅は、アクチュエータによって生成される動力と、気体圧縮において機構によって消費される動力および他の損失とのバランスによって調節される。ピストンとシリンダとの組合せ体の最大ポンピング能力を得るためには、ピストン１が衝突せずに、しかしできるだけバルブボード３ａ、３ｂの近くまで移動する振幅で動作する必要がある。その実現可能性を確保するため、ピストン動作の振幅を正確に知らなければならない。この変位振幅の推定誤差が大きいほど、ピストンとバルブボードとの間の安全距離は、衝突を回避するために大きくしなければならない。そのような衝突は、大きな騒音の原因となり、機器を損傷しうるため望ましくない。]
[0038] このため、本発明のピストンとシリンダとの組合せ体は、組合せ体ができる限り大きな動作振幅で動作し、ピストン１およびシリンダ２のポンピング能力を最適化できるように、ピストン１の位置を認識するリニアモータ駆動システムを備える。]
[0039] ピストンとシリンダとの組合せ体において、ピストン性能およびシリンダ位置認識の機構の好適な実施形態は、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂにおいてさらに詳細に示される。] 図２Ａ 図２Ｂ 図３Ａ 図３Ｂ
[0040] 誘導センサ８は、ピストン１に接続された磁石５の変位経路の或る場所に配置される。電磁気学の原理によれば、インダクタまたはコイルといった誘導性素子は、磁界の変化をコイル終端に見られる電圧に変換する。すなわち、誘導センサ８は、磁石の変位経路上に配置されているので、エアギャップ１２の内部、またはその変位経路の他の場所で、その変位に起因する磁石５によって生成される磁界の変化の影響を受けやすい。したがって、誘導センサ８は、磁石５によって生成される磁界を監視することによってピストンの位置を識別することができ、観察される磁界の変化に応答して電圧信号を発する。]
[0041] しかし、本発明によれば、誘導センサの主要な目的は、ピストンがシリンダと衝突せずにその動作振幅の最大点に到達した時点を識別することである。この最大点はピストンの制御位置、または上死点と見なされる。したがって、センサは、磁石の変位速度が制御位置の決定に干渉しないように構成されなければならない。]
[0042] 本発明の好適な実施形態では、誘導センサ８は、好適には、ここではセンサコイルと呼ばれる、単純なコイルの形態で具体化される。さらに、制御位置を決定する際、速度のより優れた独立性を得るために、センサコイルは、好適には、磁石の変位方向の寸法を狭く、磁石の変位方向を横切る方向に細長く構成される。細長い形状によって、センサ８の位置の分解能に干渉することなくセンサコイルのより大きな出力電圧を得ることができる。したがって、シリンダ内部のピストンの変位が大きく減少するためにセンサによって生成される信号の変化がより大きくなり、それによりセンサの分解能が向上し、システムはノイズ外乱による誤差の影響を受けにくくなる。さらに、センサ８のこの構成は、電気ノイズのない信号を提供し、センサの良好な精度にさらに貢献する低いインピーダンスを有する。]
[0043] 本発明の他の実施形態では、センサ８は、幅広の形態を有するコイルとして構成されてもよい。これによってセンサがピストンのより大きな変位距離を測定でき、したがって、ピストン１が近づくのを前もって検出できる。この幅広の形態によって、センサは、シリンダの内部のピストンの２つの異なる場所を測定できる。しかし、生成される信号が平滑で、シリンダ内部のピストンの変位による変化がより少なくなるほど、位置測定の精度がより低下するので、センサの幅が増大することは、分解能の損失の原因となる。]
[0044] ピストンの制御位置を正確に検出するためには、センサ８は、好適には、ピストンが制御位置に到達するとき、磁石の変位経路の内部、正確には磁石５の下部端縁または少なくともそのうちの１つが到達する位置に配置されなければならない。したがって、磁石５の端縁がセンサを通過するとき、センサは、ピストンがその制御位置または上死点に到達したことを示す信号を発する。]
[0045] 図２によって理解できるように、本発明の好適な実施形態では、センサ８は、モータ巻線６に結合され、脚部によってモータ巻線６に固定され、センサコイル８の一部は、磁石５が移動するエアギャップに面する。この場合、本発明に係るピストンとシリンダとの組合せ体は、ピストン１が上死点（制御位置）にあるとき、センサが配置されるこの位置が磁石の位置に正確に一致するように前もって配置されていた。] 図２
[0046] 図２ａ、図２ｂ、図３ａおよび図３ｂは、シリンダ位置認識システムがどのように働くかを実証するために、圧縮サイクルの２つの異なる時点でのピストンとシリンダとの組合せ体の実施例を示す。これらの図では、センサは、図２に示される同じ位置に配置される。] 図２ 図２ａ 図２ｂ
[0047] 図２ａおよび図２ｂは、シリンダがバルブボードから離れており、磁石５がエアギャップに沿って移動し、磁石５の１つが誘導センサ８の前を横切って移動する状況を示す。図２ｂは、図２ａのＡ−Ａ断面により生じる図を示す。図３ａおよび図３ｂは、圧縮サイクルの第２の時点を示しており、そこではピストンは、その制御位置すなわちそのシリンダのヘッドとバルブボード３ａおよび３ｂとに最も近づいた位置に達している。この時点で、図３ｂに詳細に見られることができるように、１つの磁石５の下部端縁は、センサ８の上端の位置と一致する。その結果、誘導センサ８上の磁石５によって生成される磁界が変化し、それにより、センサの端子同士の間の電圧をより大きく変化させ、ピストン１が制御位置に達したことを示す電気信号を生成する。] 図２ａ 図２ｂ
[0048] 図２および図３の例では、磁石５は常に、モータ巻線６に結合された支持構造体４同士の間に形成されたエアギャップ１２の内部にとどまる。この場合、エアギャップ１２は、磁石５の変位経路と一致する。] 図２
[0049] 図４ａおよび図４ｂは、本発明のピストンとシリンダとの組合せ体の駆動システムの第２の実施形態を示す。これらの２つの図は、シリンダ型ピストンの駆動システムの長手方向断面図を示す。駆動システムは、円筒形の固定子１０を有し、キャビティが固定子１０の内部に形成され、磁石５の変位を誘導する電界を生成するモータ巻線６が結合される。支持構造体４に対応する機能を実行する戻り鉄心（ｒｅｔｕｒｎ ｉｒｏｎ）９は、やはり円筒形で、固定子１０を取り囲むので、戻り鉄心９の内面と固定子１０の外面との間にエアギャップ１２が形成され、それに沿ってピストンの磁石５が往復移動する。ピストンが衝突せずにそのシリンダのヘッドに最も近い位置に達したとき、誘導センサ８は、エアギャップ１２の内部の磁石５の下端と一致する場所に配置される。好適には、固定子１０は、センサを収容する小さな凹部を装備してもよい。]
[0050] さらにセンサ８は、好適には、磁石５の変位方向に狭い形態と、磁石の変位方向を横切る方向に細長い形態とを有するセンサコイルから構成されるが、センサコイルは、その収容部位の湾曲を追従するように湾曲している必要がある。]
[0051] 図４ａは、ピストン１がシリンダのヘッド２から離れ、磁石５が誘導センサ８の前を横切って移動する時点を示す。図４ｂは、ピストン１がピストンとシリンダとの組合せ体の動作振幅の内部のその制御位置に到達し、その結果、磁石５の下部端縁が、その変位経路内の誘導センサ８の上部端縁と同じ高さに位置する瞬間を示す。この場所では、センサ８上の磁界の変化がより大きくなるべきなので、センサの端子同士の間の電圧差が発生し、対応する電圧信号が生成され、ピストン１が制御位置に達したことを示す。]
[0052] ここで説明されるピストンとシリンダとの組合せ体を有するリニア圧縮機は、やはりここで説明されたのと同じ原理により、シリンダの内部のピストンの位置を検出することが同様にでき、それによって、エネルギー消費およびポンピング能力に関する圧縮機の性能を向上させる。図１に戻ると、本発明に係るピストンとシリンダとの組合せ体のピストン１は、支持部４と、固定子１０に結合されたモータ巻線６との間に形成されるエアギャップ１２を備える変位経路内で移動する磁石５に接続される。磁石のこの移動は、シリンダ２の内部のピストン１の交互の移動を誘導するので、吸入バルブ３ａによってシリンダの内部に受け入れられる気体を圧縮し、排出バルブ３ｂを通じて高圧気体を排出する。] 図１
[0053] リニア圧縮機は、シャシー１１の内部に設置される。圧縮機とシャシーとの間に形成される空間は、低圧チャンバ１３を構成し、そこに低圧気体が収容される。シリンダの吸入バルブ３ａは、低圧チャンバ１３と連通してシリンダ２の内部に空気を受け入れる。シリンダの排出バルブ３ｂは、圧縮ピストンの移動によってシリンダの内部で圧縮された高圧の空気を、低圧チャンバの気密隔離高圧領域に排出する。]
[0054] ピストンが、衝突せずにそのシリンダのヘッドに最も近い制御位置にあるとき、誘導センサ８（図１中に示されていない）は、磁石の変位方向を横切る方向に細長く、磁石の変位方向に狭いセンサコイルと同様に磁石５の変位経路上に配置され、かつ、エアギャップ１２の内部または外部である、磁石５によって達せられる位置に対応する場所に設けられてもよい。磁石５がセンサ８から離れて移動するという事実によって、誘導センサ上の磁石によって発せられる磁界の変化は、誘導センサの端子同士の間の電圧差をもたらし、ピストンが制御位置に到達したことを示す電圧信号を発生する。] 図１
[0055] すなわち、シリンダが制御位置に達しているときを認識システムが検出するという事実によって、シリンダの内部のピストン２の変位振幅を制御できる。したがって、本発明に係る圧縮機は、衝突を防止する安全距離を大きく短縮し、その結果、機器の電力消費量をも最適化するため、その圧縮能力を最適化するために動作することが可能である。]
[0056] 図５のグラフは、ミリメートル単位で示される磁石５の位置の変化の結果として、センサ８によって生成される信号の電磁流の変化を示す。Ａとして示す垂直線（左）がピストンの変位の最低点（すなわち下死点）に対応し、Ｂとして示される垂直線（右）がピストンの上死点または制御位置に対応する。好適には、バルブボードまたは経路の下端で磁石と衝突しうる任意の他の要素に対する安全距離を確保するために、磁石は、これらの垂直線ＡおよびＢを越えて移動するべきではない。] 図５
[0057] センサは、ピストンの接近を比例的に示すべきである。すなわち、本発明の好適な実施形態では、センサから可能な限り最も正確な結果を得る目的で、この信号の登り傾斜（上死点）および下り傾斜（下死点）が形成される部分において、上死点および下死点の垂直線ＡおよびＢは比較的に、センサの信号が可能な限り最も直線的な領域に配置されるべきである。さらに右側には、屈曲点が存在し、そこから先では信号の変化が減少し始め、それによりセンサの分解能が低下する。]
[0058] より幅広のコイルを有するセンサを使用する場合、信号の電磁流の変化曲線は、より平坦かつ平滑になる。そのため、約６〜７．５ｍｍのセンサの位置の変化を測定する代わりに、約４〜８ｍｍを測定できるようになりうるが、同じ位置の変化による信号の変化も低下しうるので、センサの分解能は低下しうる。したがって、センサはノイズの干渉による誤差の影響をさらに受けやすくなりうる。]
[0059] 図６のグラフは、ピストンの変位の数サイクルの間に、センサが生成する経時的な電圧信号を示す。ここでも、Ａとして示される垂直線は、ピストンの上死点の位置に対応し、Ｂとして示される垂直線は、ピストンの下死点の位置に対応する。センサが発する電圧信号は、以下の式によってもたらされる。

Ｖｓｅｎｓｏｒ ＝ ｆ（ｘ） × ｖ＿ｍａｇｎｅｔ

ここで、
Ｖｓｅｎｓｏｒは、センサが生成する信号の電圧であり、
ｆ（ｘ）は、図５のグラフに示される信号、すなわち、センサが生成する信号の電磁流の変化であり、
ｖ＿ｍａｇｎｅｔは、磁石の変位速度である。] 図５ 図６
[0060] 永久磁石モータは、磁石およびピストンの変位速度に比例するそれらの逆起電力に関連する信号（ｖ＿ｍａｇｎｅｔ信号）を生成する。モータが共鳴しているので、速度が最大である変位経路の中央に最大点と、上死点および下死点である経路の２つの端部に２つのゼロ交差とが存在する。磁石の速度は、実際には、正弦波形である。上死点および下死点では、磁石の速度がゼロに等しいので、信号ｆ（ｘ）にｖ＿ｍａｇｎｅｔ信号を乗算した結果であるＶｓｅｎｓｏｒは、これらの場所ではゼロに等しい。このため、図６のグラフでは、全ての垂直の点線ＡおよびＢで、センサの電圧信号はゼロである。] 図６
[0061] そのため、この信号に基づいて、ピストンが経路のいずれかの端部に近づくときを認識することが可能である。本発明の場合、ピストンがその最大点に達し、その後バルブボードに衝突しうることを決定するためにこの交差を使用できる。]
[0062] したがって、現在のセンサは、一方が上死点のための、もう一方が下死点のための、２つの信号を生成するが、その位置は、上死点で最良の信号を有するように最適化される。なぜなら、本実施形態では、ピストンが上死点の位置にあるとき、磁石の端縁が到達する位置にセンサが配置されるからである。次いで、下死点を分析することもできるが、センサの現在の位置のため、精度はより低い。]
[0063] 本発明によれば、シリンダ位置認識システムを使用して、シリンダの内部のピストンの下死点を検出することもできる。このことは、ピストンが復帰するとき、ピストンが任意の他の構成要素と衝突する危険があるときに重要でありうる。本発明のこの実施形態を、同じであるが磁石５の端縁が下死点に対応する位置にあるときを検出するために、別の位置に割り当てられている誘導センサ８を使用することによって達成することができる。別言すれば、この場合、センサ８は、ピストンが下死点の位置に到達するとき、磁石５の上部端縁または少なくとも１つが到達する位置に配置されなければならない。そのため、磁石５の端縁がセンサを通過するとき、センサは、ピストンがその下死点の位置に到達したことを示す信号を発する。]
[0064] したがって、本発明によれば、１つだけの誘導センサ８を使用して、上死点と下死点を同時に測定することができ、またこれらの機能の１つを実行するために、各々適切に配置された２つのセンサ８を使用できる。]
[0065] これまでの説明において明瞭に理解されることができるように、本発明は、高い精度でシリンダの内部のピストンの変位振幅を測定する手段を提供できる。さらに、ピストンがその制御位置、または下死点に達したことを示す信号は、電気ノイズの外乱がなく、このこともシステムの精度に貢献する。]
[0066] さらに、シリンダの内部のピストンの変位の振幅を検出する機器は、非常に簡素である。なぜなら、この機器は本質的に、シリンダの位置を識別する戦略的な位置に配置されたセンサからなり、センサが生成する信号、またはこの信号が被る固有の変化は、ピストンが制御位置に到達したことを示すのに十分であるからである。すなわち、この機器は、位置センサの信号を処理するための電子回路の使用を省く。]
[0067] 好適な実施形態の１つの実施例を説明したが、当然のことながら、本発明の範囲は、他の可能な変更を包含し、ここに添付された請求項の内容によってのみ制限され、この中に他の可能な等価物が含まれる。]

权利要求:

請求項1
シリンダ位置認識システムを有する、リニアモータによって駆動されるピストンとシリンダとの組合せ体であって、エアギャップ（１２）を形成する支持構造体（４）と、前記エアギャップ（１２）の少なくとも一部に沿った可変電磁流を生成するモータ巻線（６）と、その一方の端部にヘッドを有するシリンダ（２）と、磁石（５）に接続されたピストン（１）であって、前記エアギャップ（１２）を少なくとも部分的に含む変位経路の内部で移動するために、前記磁石が、前記モータ巻線（６）の電磁流によって駆動され、前記磁石の変位によって前記ピストン（１）が、前記シリンダ（２）の内部で往復移動するピストン（１）とを備えるピストンとシリンダとの組合せ体において、さらに、前記磁石（５）の前記変位経路の或る場所に配置された誘導センサ（８）であって、前記ピストン（１）が少なくとも事前選択された位置に到達するとき、前記誘導センサが、前記磁石の対応する位置に起因する磁界の変化を検出し、この磁界の変化から生じる電圧信号を生成するように、誘導センサ（８）を備えることを特徴とする、ピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項2
前記ピストン（１）が到達する事前選択された位置が、前記変位経路の、前記シリンダのヘッドに最も近い位置であるという事実を特徴とする、請求項１に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項3
前記ピストン（１）が到達する別の事前選択された位置が、前記変位経路の、前記シリンダのヘッドから最も遠い位置であるという事実を特徴とする、請求項１または２に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項4
前記誘導センサ（８）が、前記磁石の変位方向に沿って配置されたセンサコイルを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項5
前記センサコイル（８）が、前記磁石の変位方向を横切る方向に細長く、前記磁石の変位方向に狭いという事実を特徴とする、請求項４に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項6
前記ピストン（１）が前記シリンダのヘッドに最も近い位置に到達したとき、前記誘導センサ（８）が、前記磁石（５）の位置と一致する前記磁石の前記変位経路の或る場所に配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項7
前記ピストン（１）が前記シリンダのヘッドに最も近い位置に到達したとき、前記磁石（５）の下端の位置が、前記センサ（８）の位置と一致し、前記誘導センサに前記磁石（５）によって印加される磁界の変化が、前記誘導センサ（８）の端子同士の間の電圧差を発生するという事実を特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項8
前記ピストン（１）が前記ヘッドから最も遠い位置に到達したとき、前記誘導センサ（８）が、前記磁石（５）の位置と一致する前記磁石の前記変位経路の或る場所に配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項9
前記ピストン（１）が前記シリンダのヘッドから最も遠い位置に到達したとき、前記磁石（５）の上端の位置が、前記センサ（８）の位置と一致し、前記誘導センサに前記磁石（５）によって印加される磁界の変化が、前記誘導センサ（８）の端子同士の間の電圧差を発生するという事実を特徴とする、請求項８に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項10
前記誘導センサ（８）が前記エアギャップ（１２）の内部に配置されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項11
前記誘導センサ（８）が前記エアギャップ（１２）の外部に配置されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のピストンとシリンダとの組合せ体。
請求項12
リニアモータ圧縮機であって、エアギャップ（１２）を形成する支持構造体（４）と、前記エアギャップ（１２）の少なくとも一部に沿った可変電磁流を生成するモータ巻線（６）と、バルブボードをその上端に有するシリンダ（２）であって、低圧気体チャンバ（１３）から低圧気体をシリンダ内に受け入れ、前記シリンダ（２）の外に高圧気体を排出するシリンダ（２）と、磁石（５）に接続されたピストン（１）であって、前記磁石が、前記エアギャップ（１２）を少なくとも部分的に含む変位経路の内部で移動するために前記モータ巻線（６）の電磁流によって駆動され、前記磁石の変位によって前記ピストン（１）が前記シリンダ（２）の内部で往復移動するピストン（１）とを備えるリニアモータ圧縮機において、さらに、前記磁石（５）の前記変位経路の或る場所に配置された誘導センサ（８）であって、前記ピストン（１）が少なくとも事前選択された位置に到達するとき、前記誘導センサ（８）が、前記磁石（５）の対応する位置に起因する磁界の変化を検出し、この磁界の変化から生じる電圧信号を生成する誘導センサ（８）を備えることを特徴とするリニアモータ圧縮機。
請求項13
前記ピストン（１）が達する事前選択された位置が、前記変位経路の、前記バルブボードに最も近い位置であるという事実を特徴とする、請求項１２に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項14
前記ピストン（１）が到達する別の事前選択された位置が、前記変位経路の、前記バルブボードから最も遠い位置であるという事実を特徴とする、請求項１２または１３に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項15
前記誘導センサ（８）が、前記磁石の変位方向に沿って配置されたセンサコイルを備えることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項16
センサコイル（８）が、前記磁石の変位方向を横切る方向に細長く、前記磁石の変位方向に狭いという事実を特徴とする、請求項１５に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項17
前記ピストン（１）が前記バルブボードに最も近い位置に到達したとき、前記誘導センサ（８）が、前記磁石の位置と一致する前記磁石（５）の前記変位経路の或る場所に配置されることを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項18
前記ピストン（１）が前記バルブボードに最も近い位置に到達したとき、前記磁石（５）の下端の位置が、前記誘導センサ（８）の位置と一致し、前記誘導センサに前記磁石（５）によって印加される磁界の変化が、前記誘導センサ（８）の端子同士の間の電圧差を発生するという事実を特徴とする、請求項１２〜１７のいずれか１項に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項19
前記ピストン（１）が前記バルブボードから最も遠い位置に到達したとき、前記誘導センサ（８）が、前記磁石の位置と一致する前記磁石（５）の前記変位経路の或る場所に配置されることを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項20
前記ピストン（１）が前記バルブボードから最も遠い位置に到達したとき、前記磁石（５）の上端の位置が、前記誘導センサ（８）の位置と一致し、前記誘導センサに前記磁石（５）によって印加される磁界の変化が、前記誘導センサ（８）の端子同士の間の電圧差を発生するという事実を特徴とする、請求項１９に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項21
前記誘導センサ（８）が前記エアギャップ（１２）の内部に配置されることを特徴とする、請求項１２〜２０のいずれか１項に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項22
前記誘導センサ（８）が前記エアギャップ（１２）の外部に配置されることを特徴とする、請求項１２〜２０のいずれか１項に記載のリニアモータ圧縮機。
請求項23
請求項１２〜２２に記載のリニアモータ圧縮機に応用可能であることを特徴とする誘導センサであって、前記リニアモータ圧縮機が、エアギャップ（１２）を形成する支持構造体（４）と、モータ巻線（６）と、磁石（５）に接続されたピストン（１）であって、前記磁石が、前記エアギャップ（１２）を少なくとも部分的に含む変位経路の内部で移動するために前記モータ巻線（６）の電磁流によって駆動され、前記磁石の変位によって前記ピストン（１）が前記シリンダ（２）の内部で往復移動するピストン（１）とを備え、前記誘導センサ（８）が、前記磁石（５）の変位方向に沿って配置されたセンサコイルを備え、前記センサコイルが、前記磁石の変位方向を横切る方向に実質上細長く、前記磁石（５）の変位方向に実質上狭い誘導センサ。