KR100576032B1 - Linear compressor controlling apparatus and its controlling method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부하에 의존하여 가변되는 가동부재의 고유주파수에 운전주파수를 동기화시킴으로 부하에 능동적으로 대처할 수 있을 뿐 아니라 효율적인 운전이 이루어지도록 하는 리니어 압축기의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다. 본 발명인 리니어 압축기의 제어장치는 리니어 압축기에 대한 전압 지령치(V*)와 입력 전류(i)로부터 역기전력(E)의 위상을 검출하는 역기전력 위상 검출부와, 상기 입력 전류(i)의 위상을 검출하는 전류 위상 검출부와, 상기 역기전력(E)의 위상과 입력 전류(i)의 위상을 비교하여 주파수 변화치를 생성하는 주파수 생성부와, 상기 주파수 변화치에 따라 상기 전압 지령치(V*)를 보정하는 제어부와, 직류 전압을 인가받아 상기 보정된 전압 지령치(V*)에 따라 정현파 전압을 생성하여 상기 리니어 압축기에 인가하는 인버터부로 이루어진다.The present invention relates to a control apparatus and a control method of a linear compressor that not only actively copes with a load but also efficiently operates by synchronizing an operating frequency to a natural frequency of a movable member that varies depending on a load. The control apparatus of the linear compressor according to the present invention includes a reverse electromotive force phase detector for detecting a phase of the counter electromotive force (E) from the voltage command value (V * ) and the input current (i) for the linear compressor, and a phase for detecting the phase of the input current (i). A current phase detection unit, a frequency generation unit comparing the phase of the counter electromotive force E with a phase of the input current i to generate a frequency change value, a controller for correcting the voltage command value V * according to the frequency change value; The inverter unit is configured to receive a DC voltage and generate a sine wave voltage according to the corrected voltage command value V * to be applied to the linear compressor.
Description
본 발명은 부하에 의존하여 가변되는 가동부재의 고유주파수에 운전주파수를 동기화시킴으로 부하에 능동적으로 대처할 수 있을 뿐 아니라 효율적인 운전이 이루어지도록 하는 리니어 압축기의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a control apparatus and a control method of a linear compressor that not only actively copes with a load but also efficiently operates by synchronizing an operating frequency to a natural frequency of a movable member that varies depending on a load.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치로써, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.In general, a compressor is a mechanical device that increases pressure by receiving power from a power generator such as an electric motor or a turbine to compress air, refrigerant, or various other working gases. It is widely used throughout.
이러한 압축기를 크게 분류하면, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor)와, 선회 스크롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡,토출 되는 압축공간이 형성되도록 하여 선회스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 나뉘어진다.These compressors are classified into a reciprocating compressor which compresses the refrigerant while linearly reciprocating the inside of the cylinder by forming a compression space in which the working gas is absorbed and discharged between the piston and the cylinder. And a rotary compressor for compressing the refrigerant while the roller is eccentrically rotated along the inner wall of the cylinder to form a compression space in which the working gas is sucked and discharged between the eccentrically rotating roller and the cylinder. As a scroll compressor that compresses the refrigerant while the rotating scroll is rotated along the fixed scroll by forming a compressed space in which the working gas is absorbed and discharged between the orbiting scroll and the fixed scroll. Divided.
최근에는 왕복동식 압축기 중에서 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없어 압축효율을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 간단한 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.Recently, among the reciprocating compressors, in particular, the piston is directly connected to the reciprocating linear motion drive motor, so that there is no mechanical loss due to the motion conversion to improve the compression efficiency as well as a simple linear compressor has been developed a lot.
일반적으로 리니어 압축기는 모터의 직선 구동력을 이용하여 냉매를 흡입, 압축, 토출시키게 되는데, 크게 냉매 가스를 압축시키는 실린더 및 피스톤 등이 포함된 압축부와, 상기 압축부에 구동력을 공급하는 리니어 모터가 포함된 구동부로 나뉘어진다.In general, a linear compressor sucks, compresses, and discharges a refrigerant by using a linear driving force of a motor. A compression unit including a cylinder and a piston for compressing a refrigerant gas is large, and a linear motor supplying driving force to the compression unit. It is divided into included driving parts.
구체적으로, 상기 리니어 압축기는 밀폐용기 내부에 실린더가 고정되도록 설치되고, 상기 실린더 내부에 피스톤이 왕복 직선운동 가능하게 설치되며, 상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동 함에 따라 상기 실린더 내부의 압축공간으로 냉매를 유입되도록 하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 구성되며, 상기 압축공간에는 흡입밸브 어셈블리 및 토출밸브 어셈블리가 설치되어 상기 압축공간 내부의 압력에 따라 냉매의 유입 및 토출을 조절한다.Specifically, the linear compressor is installed so that the cylinder is fixed inside the sealed container, the piston is installed in the cylinder to reciprocate linear movement, the compression space in the cylinder as the piston reciprocating linear movement in the cylinder It is configured to compress and then discharge the refrigerant into the inlet, the inlet and outlet valve assembly is installed in the compression space to adjust the inflow and discharge of the refrigerant in accordance with the pressure in the compression space.
또한, 상기 피스톤에 직선 운동력을 발생시키는 리니어 모터가 서로 연결되도록 설치되는데, 상기 리니어 모터는 상기 실린더 주변에 복수개의 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성된 이너 스테이터 및 아웃터 스테이터가 소정의 간극을 두고 설치되되, 상기 이너 스테이터 또는 아웃터 스테이터 내측에는 코일이 감겨지도록 설치되며, 상기 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에는 영구 자석이 상기 피스톤과 연결되도록 설치된다.In addition, the linear motor for generating a linear motion force to the piston is installed so as to be connected to each other, the linear motor is provided with an inner stator and an outer stator configured to be laminated in a circumferential direction around the cylinder with a predetermined gap, The coil is wound around the inner stator or the outer stator, and a permanent magnet is installed in the gap between the inner stator and the outer stator so as to be connected to the piston.
이때, 상기 영구자석은 상기 피스톤의 운동방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 코일에 전류가 흐름에 따라 발생되는 전자기력에 의해 상기 피스톤의 운동방향으로 왕복 직선 운동하게 되는데, 보통 상기 리니어 모터는 일정한 운전주파수(fc)로 작동될 뿐 아니라 상기 피스톤이 소정의 스트로크(S)로 왕복 직선 운동하도록 한다.At this time, the permanent magnet is installed to be movable in the direction of movement of the piston, and the reciprocating linear motion in the direction of movement of the piston by the electromagnetic force generated as the current flows in the coil, the linear motor is a constant operation Not only is it operated at frequency f c , but it also causes the piston to reciprocate linearly with a predetermined stroke S.
한편, 상기 피스톤은 상기 리니어 모터에 의해 왕복 직선 운동하더라도 운동방향으로 탄성 지지될 수 있도록 각종 스프링이 설치되는데, 구체적으로 기계 스프링의 일종인 코일 스프링이 상기 피스톤의 운동방향으로 상기 밀폐용기 및 실린더에 탄성 지지되도록 설치되며, 상기 압축공간으로 흡입된 냉매 역시 가스 스프링으로 작용하게 된다.On the other hand, the piston is provided with a variety of springs to be elastically supported in the direction of movement even if the linear motor reciprocating linear movement, specifically, a coil spring which is a kind of mechanical spring to the closed container and the cylinder in the direction of movement of the piston It is installed to be elastically supported, and the refrigerant sucked into the compression space also acts as a gas spring.
이때, 상기 코일 스프링은 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지고, 상기 가스 스프링은 부하에 따라 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가지며, 상기 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)를 고려하여 피스톤의 고유주파수(fn)가 산출된다.At this time, the coil spring has a constant mechanical spring constant (K m ), the gas spring has a gas spring constant (K g ) that is variable according to the load, the mechanical spring constant (K m ) and gas spring constant (K Taking into account g ), the natural frequency f n of the piston is calculated.
이와 같이 산출된 피스톤의 고유주파수(fn)는 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)를 결정하게 되는데, 상기 리니어 모터는 운전주파수(fc)를 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치되도록 하여 상기 공진 상태에서 운전시킴으로 효율을 높일 수 있다.The calculated natural frequency f n of the piston determines the operating frequency f c of the linear motor, and the linear motor matches the operating frequency f c with the natural frequency f n of the piston. The efficiency can be increased by operating in the resonance state.
따라서, 상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터에 전류가 인가되면, 상기 코일에 전류가 흐름이 따라 상기 아웃터 스테이터 및 이너 스테이터와 상호 작용에 의해 전자기력이 발생되고, 이러한 전자기력에 의해 상기 영구자석 및 이와 연결된 피스톤이 왕복 직선 운동하게 된다.Therefore, in the linear compressor configured as described above, when a current is applied to the linear motor, an electromagnetic force is generated by interacting with the outer stator and the inner stator as a current flows in the coil, and the permanent magnet and The piston connected to this causes the reciprocating linear motion.
이때, 상기 리니어 모터는 일정한 운전주파수(fc)로 운전하게 되고, 상기 리니어 모터의 운전주파수(fn)는 상기 스프링의 공진주파수(fn)와 일치하여 공진상태에서 운전되어 효율을 극대화시킬 수 있다.At this time, the linear motor operates at a constant operating frequency f c , and the operating frequency f n of the linear motor coincides with the resonant frequency f n of the spring to operate in a resonance state to maximize efficiency. Can be.
이와 같이, 상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간 내부의 압력이 변화되고, 이와 같이 상기 압축공간의 압력 변화에 따라 냉매가 상기 압축공간으로 흡입된 다음, 압축되어 토출된다.As such, the pressure inside the compression space is changed as the piston reciprocates linearly in the cylinder, and the refrigerant is sucked into the compression space according to the pressure change of the compression space, and then compressed and discharged.
상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터가 설계상에서 고려한 부하 하에서 상기 코일 스프링의 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg)에 의해 산출되는 피스톤의 고유주파수(fn)에 일치하는 운전주파수(fc )로 운전되도록 구성되기 때문에 단지 설계 상에서 고려한 부하 하에서만 상기 리니어 모터가 공진 상태에서 운전됨으로 효율을 높일 수 있다.The linear compressor configured as described above has a natural frequency f n of the piston which is calculated by the mechanical spring constant K m of the coil spring and the gas spring constant K g of the gas spring under the load considered by the linear motor in design. Since the linear motor is configured to operate at an operating frequency f c corresponding to the linear motor operates in a resonance state only under the load considered in the design, the efficiency can be increased.
그런데, 상기와 같은 리니어 압축기는 실제 부하가 가변됨에 따라 상기 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg) 및 이를 고려하여 산출된 피스톤의 고유주파수(fn) 가 변경된다.However, in the linear compressor as described above, as the actual load varies, the gas spring constant K g of the gas spring and the natural frequency f n of the piston calculated by considering the same change.
구체적으로, 상기 리니어 모터는 도 1A에 도시된 바와 같이 설계시 중간부하 영역에서 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치하도록 운전주파수(fc)가 결정되고, 부하가 가변되더라도 이와 같이 결정된 일정한 운전주파수(fc)로 운전되지만, 상기 피스톤의 고유주파수(fn)는 부하가 커짐에 따라 커지게 된다.Specifically, in the linear motor, as shown in FIG. 1A, the operating frequency f c is determined to match the natural frequency f n of the piston in the middle load region during design, and the constant constant determined as described above even if the load is variable. Although operated at an operating frequency f c , the natural frequency f n of the piston increases as the load increases.
수학식1Equation 1
이때, 상기 fn 은 피스톤의 고유주파수이고, Km 및 Kg 는 기계 스프링 상수 및 가스 스프링 상수이며, M 은 피스톤의 질량이다.Where f n is the natural frequency of the piston, K m and K g are the mechanical spring constant and the gas spring constant, and M is the mass of the piston.
보통, 설계 당시 전체 스프링 상수(KT)에서 가스 스프링 상수(Kg)가 차지하는 비율이 작기 때문에 가스 스프링 상수(Kg)를 고려하지 않거나, 가스 스프링 상수(Kg)를 일정한 값으로 실정하여 적용되고, 상기 피스톤의 질량(M) 및 기계 스프링 상수(Km) 역시 일정한 값을 가짐으로 상기 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 상기 수학식1에 의존하여 일정한 값으로 산출된다.Usually, because of the small proportion of gas spring constant (K g) share of design at the time the total spring constant (K T) does not take into account the gas spring constant (K g), the situation the gas spring constant (K g) at a constant value In addition, since the mass (M) and the mechanical spring constant (K m ) of the piston also has a constant value, the natural frequency (f n ) of the piston is also calculated as a constant value depending on Equation (1).
그러나, 실제로 부하가 증가할수록 제한된 공간에서 냉매의 압력 및 온도가 높아지고, 이로 인하여 상기 가스 스프링 자체의 탄성력이 커져 가스 스프링 상수(Kg)가 커지고, 이러한 가스 스프링 상수(Kg)에 비례하도록 산출되는 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 커지게 된다.In practice, however, the more the load increases, the pressure and temperature of the coolant increases in a limited space, which results the elastic force of the gas spring itself increases the gas spring constant (K g) is large, and yield to be proportional to such a gas spring constant (K g) The natural frequency f n of the piston is also increased.
따라서, 도 1A 및 도 1B 에 도시된 바와 같이 중간부하 영역에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)와 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 일치함으로 상기 피스톤이 상사점까지 도달하도록 운전되어 안정적으로 압축작용이 이루어지고, 공진 상태에서 운전이 이루어짐으로 압축기의 효율이 최대가 된다.Therefore, as shown in FIGS. 1A and 1B, the piston operates in such a way as to reach the top dead center because the operating frequency f c of the linear motor and the natural frequency f n of the piston coincide in the intermediate load region. The compression operation is performed, and the operation is performed in a resonance state, thereby maximizing the efficiency of the compressor.
하지만, 저부하 영역에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)보다 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 작아짐으로 상기 피스톤이 상사점 이상으로 과도하게 움직여 과도한 압축력이 작용될 뿐 아니라 상기 피스톤 및 실린더의 마찰 및 마모가 발생되고, 공진 상태에서 운전되지 않으므로 압축기 효율이 떨어진다.However, in the low load region, the piston's natural frequency (f n ) is smaller than the operating frequency (f c ) of the linear motor, so that the piston is excessively moved above the top dead center, so that the excessive compression force is applied as well as the piston and the cylinder. Friction and abrasion occurs, and the compressor efficiency is lowered because it is not operated in a resonance state.
마찬가지로, 고부하 영역에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)보다 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 커짐으로 상기 피스톤이 상사점에 못 미치도록 운전되어 압축력이 떨어지고, 공진 상태에서 운전되지 않으므로 압축기 효율이 떨어진다.Similarly, in the high load region, the piston's natural frequency f n is greater than the operating frequency f c of the linear motor, so that the piston is operated to fall below the top dead center, so that the compression force is lowered and the compressor is not operated in a resonance state. Inefficient
결과적으로, 종래의 리니어 압축기는 부하가 가변됨에 따라 피스톤의 고유주파수(fn)가 가변되는 반면, 리니어 모터의 운전주파수(fc)는 일정하기 때문에 상기 리니어 모터가 공진 상태에서 운전되지 않으므로 그 효율이 떨어지고, 능동적으로 부하에 대응하지 못하여 신속하게 부하를 해소할 수 없는 문제점이 있다.As a result, in the conventional linear compressor, the natural frequency f n of the piston is variable as the load is varied, whereas the linear motor is not operated in a resonance state because the operating frequency f c of the linear motor is constant. There is a problem in that the efficiency is lowered and the load cannot be released quickly due to the failure to actively respond to the load.
이에 따라 본 발명은 기계적 고유 주파수(fn)와 리니어 모터에 의한 운동 주 파수(fc)를 동기화하여 공진 상태에서 리니어 압축기가 흡입 및 압축행정을 수행하도록 하는 리니어 압축기의 제어장치 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention provides a control apparatus and a control method of a linear compressor for synchronizing the mechanical natural frequency (f n ) and the motion frequency (f c ) by the linear motor to perform the suction and compression stroke of the linear compressor in a resonance state. It aims to provide.
또한, 본 발명은 부하에 따라 가변하는 기계적 고유 주파수(fn)를 추정하여 운동 주파수(fc)를 가변하여 동기화시킴으로써 리니어 압축기의 기구적인 오차를 해소하는 리니어 압축기의 제어장치 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a control apparatus and a control method of a linear compressor to solve the mechanical error of the linear compressor by varying and synchronizing the movement frequency (f c ) by estimating the mechanical natural frequency (f n ) that varies depending on the load. It aims to do it.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 리니어 압축기의 제어장치는 리니어 압축기에 대한 전압 지령치(V*)와 입력 전류(i)로부터 역기전력(E)의 위상을 검출하는 역기전력 위상 검출부와, 상기 입력 전류(i)의 위상을 검출하는 전류 위상 검출부와, 상기 역기전력(E)의 위상과 입력 전류(i)의 위상을 비교하여 주파수 변화치를 생성하는 주파수 생성부와, 상기 주파수 변화치에 따라 상기 전압 지령치(V*)를 보정하는 제어부와, 직류 전압을 인가받아 상기 보정된 전압 지령치(V*)에 따라 정현파 전압을 생성하여 상기 리니어 압축기에 인가하는 인버터부로 이루어진다.The apparatus for controlling a linear compressor according to the present invention for achieving the above object includes a back electromotive force phase detection unit for detecting a phase of the counter electromotive force (E) from a voltage command value (V * ) and an input current (i) for the linear compressor, and the input current ( a current phase detector for detecting a phase of i), a frequency generator for comparing the phase of the counter electromotive force E with a phase of the input current i, and generating a frequency change value, and the voltage command value V according to the frequency change value. And a control unit for correcting * ) and an inverter unit for generating a sine wave voltage according to the corrected voltage command value V * and applying the DC voltage to the linear compressor.
이때, 상기 역기전력 위상 검출부는 하기의 수학식에 따라 상기 역기전력(E)을 연산하여 상기 위상을 검출하는 것이 바람직하다.At this time, the counter electromotive force phase detection unit preferably calculates the counter electromotive force (E) according to the following equation to detect the phase.
또한, 상기 주파수 생성부는 상기 역기전력(E)의 위상과 입력 전류(i)의 위 상이 동위상이 되도록 상기 주파수 변화치를 생성하는 것이 바람직하다.The frequency generator may generate the frequency change value such that the phase of the counter electromotive force E is in phase with the phase of the input current i.
또한, 상기 제어부는 상기 보정된 전압 지령치(V*)를 소정의 인버터 제어신호의 형태로 상기 인버터부로 전송하는 것이 바람직하다.The controller may transmit the corrected voltage command value V * to the inverter unit in the form of a predetermined inverter control signal.
또한, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 리니어 압축기의 제어방법은 리니어 압축기에 대한 전압 지령치(V*)와 입력 전류(i)로부터 역기전력(E)의 위상을 검출하는 단계와, 상기 입력 전류(i)의 위상을 검출하는 단계와;In addition, the control method of the linear compressor according to the present invention for achieving this object is to detect the phase of the counter electromotive force (E) from the voltage command value (V * ) and the input current (i) for the linear compressor, and the input current (i) Detecting a phase of c);
또한, 상기 역기전력(E)의 위상과 입력 전류(i)의 위상을 비교하여 주파수 변화치를 생성하는 단계와, 상기 주파수 변화치에 따라 상기 전압 지령치(V*)를 보정하는 단계와, 직류 전압을 인가받아 상기 보정된 전압 지령치(V*)에 따라 정현파 전압을 생성하는 단계를 한다.The method may further include generating a frequency change value by comparing the phase of the counter electromotive force E with a phase of the input current i, correcting the voltage command value V * according to the frequency change value, and applying a DC voltage. And generating a sine wave voltage according to the corrected voltage command value V * .
본 발명의 특징 및 장점들은 뒤따르는 본 발명의 실시예의 상세한 설명과 함께 다음의 첨부된 도면들을 참고하여 더 잘 이해될 수 있으며, 상기 도면들 중:The features and advantages of the present invention may be better understood with reference to the following accompanying drawings in conjunction with the following detailed description of embodiments of the invention, of which:
도 1A는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크가 도시된 그래프,1A is a graph showing a stroke according to load in a linear compressor according to the prior art,
도 1B는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 효율이 도시된 그래프,1B is a graph showing the efficiency according to the load in the linear compressor according to the prior art,
도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기가 도시된 단면도,2 is a sectional view showing a linear compressor according to the present invention;
도 3A는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크가 도시된 그래프,3A is a graph showing a stroke according to load in a linear compressor according to the present invention;
도 3B는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 효율이 도시된 그래프,3B is a graph showing the efficiency according to the load in the linear compressor according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 가스 스프링 상수(Kg) 변화가 도시된 그래프,4 is a graph showing a change in the gas spring constant (K g ) according to the load in the linear compressor according to the present invention,
도 5는 리니어 모터를 역기전력이 있는 R-L 회로로 모형화할 때의 등가회로도,Fig. 5 is an equivalent circuit diagram when modeling a linear motor as an R-L circuit with counter electromotive force.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어장치의 구성도이다.6 is a configuration diagram of a control device of the linear compressor according to the present invention.
바람직한 실시예의 설명Description of the Preferred Embodiments
이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, embodiments of the present invention in which the above object can be specifically realized are described with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 2에 도시된 바와 같이 밀폐용기(2) 일측에 냉매가 유,출입되는 유입관(2a) 및 유출관(2b)이 설치되고, 상기 밀폐용기(2) 내측에 실린더(4)가 고정되도록 설치되며, 상기 실린더(4) 내부의 압축공간(P)으로 흡입된 냉매를 압축시킬 수 있도록 상기 실린더(4) 내부에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되는 동시에 상기 피스톤(6)의 운동방향에 탄성 지지되도록 각종 스프링이 설치되고, 상기 피스톤(6)은 직선 왕복 구동력을 발생시키는 리 니어 모터(10)와 연결되도록 설치되되, 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 의존하여 가변되더라도 상기 리니어 모터(10)는 도 3A 및 도 3B에 도시된 바와 같이 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 동기화되도록 그 운전주파수(fc)를 제어하여 모든 부하 영역에서 공진 운전이 이루어지도록 하여 압축효율을 높일 수 있다.In the linear compressor according to the present invention, as shown in FIG. 2, an
아울러, 상기 압축공간(P)과 접하고 있는 상기 피스톤(6)의 일단에 흡입밸브(22)가 설치되고, 상기 압축공간(P)과 접하고 있는 상기 실린더(4)의 일단에 토출밸브 어셈블리(24)가 설치되며, 상기 흡입밸브(22) 및 토출밸브 어셈블리(24)는 각각 상기 압축공간(P) 내부의 압력에 따라 개폐되도록 자동적으로 조절된다.In addition, a
여기서, 상기 밀폐용기(2)는 내부가 밀폐되도록 상,하부 쉘이 서로 결합되도록 설치되고, 일측에 냉매가 유입되는 유입관(2a) 및 냉매가 유출되는 유출관(2b)이 설치되며, 상기 실린더(4) 내측에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치됨과 아울러 상기 실린더(4) 외측에 상기 리니어 모터(10)가 프레임(18)에 의해 서로 조립되어 조립체를 구성하고, 이러한 조립체가 상기 밀폐용기(2) 내측 바닥면에 지지스프링(29)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.Here, the airtight container (2) is installed so that the upper and lower shells are coupled to each other so that the inside is sealed, the inlet pipe (2a) and the outlet pipe (2b) for the coolant flow in one side is installed, the The
아울러, 상기 밀폐용기(2) 내부 바닥면에는 소정의 오일이 담겨지고, 상기 조립체 하단에는 오일을 펌핑하는 오일공급장치(30)가 설치됨과 아울러 상기 조립체 하측 프레임(18) 내부에는 오일을 상기 피스톤(6)과 실린더(4) 사이로 공급될 수 있도록 오일공급관(18a)이 형성되며, 이에 따라 상기 오일공급장치(30)는 상기 피스톤(6)의 왕복 직선 운동함에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑하고, 이러한 오일은 상기 오일공급관(18a)을 따라 상기 피스톤(6)과 실린더(4) 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 하도록 한다.In addition, a predetermined oil is contained in the bottom surface of the airtight container (2), and an oil supply device (30) for pumping oil is installed at the bottom of the assembly, and oil is provided in the lower frame (18) of the assembly. An oil supply pipe 18a is formed to be supplied between the 6 and the cylinder 4, so that the
다음, 상기 실린더(4)는 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동할 수 있도록 중공 형상으로 형성됨과 아울러 일측에 압축공간(P)이 형성되고, 상기 유입관(2a) 내측에 일단이 근접하게 위치된 상태에서 상기 유입관(2a)과 동일 직선상에 설치되는 것이 바람직하다.Next, the cylinder 4 is formed in a hollow shape so that the
물론, 상기 실린더(4)는 상기 유입관(2a)과 근접한 일단 내부에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되고, 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 일단에 상기 토출밸브 어셈블리(24)가 설치된다.Of course, the cylinder (4) is installed in one end close to the inlet pipe (2a) so as to reciprocate linear movement, the discharge valve assembly ( 24) is installed.
이때, 상기 토출밸브 어셈블리(24)는 상기 실린더(4)의 일단 측에 소정의 토출공간을 형성하도록 설치되는 토출커버(24a)와, 상기 실린더의 압축공간(P) 측 일단을 개폐하도록 설치되는 토출밸브(24b)와, 상기 토출커버(24a)와 토출밸브(24b) 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 일종의 코일 스프링인 밸브 스프링(24c)으로 이루어지되, 상기 실린더(4)의 일단 내둘레에 오링(R)이 끼움되도록 설치되어 상기 토출밸브(24a)가 상기 실린더(4) 일단을 밀착되도록 한다.At this time, the
아울러, 상기 토출커버(24a)의 일측과 상기 유출관(2b) 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프(28)가 연결 설치되는데, 상기 루프 파이프(28)는 압축된 냉매가 외부로 토출될 수 있도록 안내할 뿐 아니라 상기 실린더(4), 피스톤(6), 리니어 모터(10)의 상호 작용에 의한 진동이 상기 밀폐용기(2) 전체로 전달되는 것을 완충시켜 준다.In addition, a
따라서, 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 토출압력 이상이 되면, 상기 밸브 스프링(24c)이 압축되어 상기 토출밸브(24b)를 개방시키고, 냉매가 상기 압축공간(P)으로부터 토출된 다음, 상기 루프 파이프(28) 및 유출관(2b)을 따라 완전히 외부로 토출된다.Therefore, when the pressure of the compression space P becomes equal to or greater than a predetermined discharge pressure as the
다음, 상기 피스톤(6)은 상기 유입관(2a)으로부터 유입된 냉매가 유동될 수 있도록 냉매유로(6a)가 중앙에 형성되고, 상기 유입관(2a)과 근접한 일단이 연결부재(17)에 의해 상기 리니어 모터(10)가 직접 연결되도록 설치됨과 아울러 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 일단에 상기 흡입밸브(22)가 설치되며, 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 각종 스프링에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.Next, the
이때, 상기 흡입밸브(22)는 박판 형상으로 중앙부분이 상기 피스톤의 냉매유로(6a)를 개폐시키도록 중앙부분이 일부 절개되도록 형성되고, 일측이 상기 피스톤(6a)의 일단에 스크류에 의해 고정되도록 설치된다.At this time, the
따라서, 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력보다 더 낮은 소정의 흡입압력 이하가 되면, 상기 흡입밸브(22)가 개방되어 냉매가 상기 압축공간(P)으로 흡입되고, 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 흡입압력 이상이 되면, 상기 흡입밸브(22)가 닫힌 상태에서 상기 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
Therefore, as the
특히, 상기 피스톤(6)은 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치되는데, 구체적으로 상기 유입관(2a)과 근접한 피스톤(6)의 일단에 반경방향으로 돌출된 피스톤 플랜지(6b)가 코일 스프링 등과 같은 기계 스프링(8a, 8b)에 의해 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 탄성 지지되고, 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 압축공간(P)에 포함된 냉매가 자체 탄성력에 의해 가스스프링으로 작용하여 상기 피스톤(6)을 탄성 지지하게 된다.In particular, the
여기서, 상기 기계 스프링(8a,8b)은 부하와 상관없이 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지되, 상기 기계 스프링(8a,8b)은 상기 피스톤 플랜지(6b)를 기준으로 상기 리니어 모터(10)에 고정되는 소정의 지지프레임(26)과 상기 실린더(4)에 각각 축방향으로 나란하게 설치되는 것이 바람직하며, 상기 지지프레임(26)에 지지되는 기계 스프링(8a)과 상기 실린더(4)에 설치되는 기계 스프링(8a)이 동일한 기계 스프링 상수(Km)를 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.Here, the mechanical springs (8a, 8b) has a constant mechanical spring constant (K m ) irrespective of the load, the mechanical spring (8a, 8b) is the linear motor (10) relative to the piston flange (6b) It is preferable that the
하지만, 상기 가스 스프링은 부하에 의존하는 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가지되, 상기 압축공간(P)에 포함된 가스는 주변온도가 높아질수록 냉매의 압력이 커짐에 따라 자체 탄성력이 커짐으로 상기 가스 스프링은 부하가 커질수록 가스 스프링 상수(Kg)가 커지게 된다.However, the gas spring has a variable gas spring constant (K g ) depending on the load, but the gas contained in the compression space (P) increases its elastic force as the pressure of the refrigerant increases as the ambient temperature increases As the gas spring loads, the gas spring constant K g increases.
이때, 상기 기계 스프링 상수(Km)는 일정한 반면, 상기 가스 스프링 상수(Kg)는 부하에 의존하여 가변되기 때문에 전체 스프링 상수 역시 부하에 의존하 여 가변되고, 상기의 수학식1에 의존하여 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 상기 가스 스프링 상수(Kg)에 의존하여 가변된다.At this time, the mechanical spring constant (K m ) is constant, while the gas spring constant (K g ) is variable depending on the load, so the total spring constant is also variable depending on the load, depending on Equation 1 The natural frequency f n of the piston also varies depending on the gas spring constant K g .
따라서, 부하가 가변되더라도 상기 기계 스프링 상수(Km) 및 피스톤의 질량(M)은 일정한 반면, 상기 가스 스프링 상수(Kg)가 가변되기 때문에 피스톤의 고유주파수(fn)는 부하에 의존하는 상기 가스 스프링 상수(Kg)에 의해 크게 영향을 받게 되는데, 이러한 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 따라 가변되는 알고리즘을 파악하고, 그에 따라 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 피스톤의 고유주파수(fn)와 동기화되도록 제어함으로 보다 압축기 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라 신속하게 부하를 해소할 수 있다.Therefore, even if the load is variable, the mechanical spring constant (K m ) and the mass (M) of the piston are constant, while the natural frequency (f n ) of the piston depends on the load because the gas spring constant (K g ) is variable. It is greatly influenced by the gas spring constant (K g ), and the algorithm in which the natural frequency (f n ) of the piston is varied according to the load, and thus the operating frequency (f c ) of the linear motor is By controlling synchronization with the natural frequency (f n ), not only can the compressor be more efficient, but also the load can be released quickly.
물론, 상기 부하는 다양하게 측정될 수 있으나, 이와 같은 리니어 압축기는 냉매가 압축, 응축, 증발, 팽창되는 냉동/공조용 사이클에 포함되도록 구성되기 때문에 상기 부하는 냉매가 응축되는 압력인 응축압과 냉매가 증발되는 압력인 증발압의 차이로 정의될 수 있으며, 나아가 보다 정밀도를 높이기 위하여 응축압과 증발압을 평균낸 평균압을 고려하여 결정된다.Of course, the load can be measured in various ways, but such a linear compressor is configured to be included in the refrigeration / air conditioning cycle in which the refrigerant is compressed, condensed, evaporated, and expanded, so that the load is the condensing pressure which is the pressure at which the refrigerant is condensed. It can be defined as the difference in the evaporation pressure, which is the pressure at which the refrigerant is evaporated, and further determined in consideration of the average pressure obtained by averaging the condensation pressure and the evaporation pressure to increase accuracy.
즉, 상기 부하는 상기 응축압과 증발압의 차 및 평균압에 비례하도록 산출되며, 상기 부하가 커질수록 상기 가스 스프링 상수(Kg)가 커지게 되는데, 일예로 응축압과 증발압의 차가 클수록 부하가 커지고, 응축압과 증발압의 차가 동일하더라도 평균압이 클수록 부하가 커지도록 산출되며, 이와 같은 부하에 대응하여 상기 가스 스프링 상수(Kg)가 커지도록 산출된다.That is, the load is calculated to be proportional to the difference between the condensation pressure and the evaporation pressure and the average pressure, and as the load increases, the gas spring constant K g increases. For example, as the difference between the condensation pressure and the evaporation pressure increases, Even if the load is large and the difference between the condensation pressure and the evaporation pressure is the same, the larger the average pressure is, the larger the load is. The corresponding gas spring constant K g is calculated to correspond to the load.
이때, 상기 부하는 실제적으로 도 4에 도시된 바와 같이 응축압에 비례하는 응축온도 및 증발압에 비례하는 증발온도를 측정하고, 상기 응축온도와 증발온도의 차 및 평균온도에 비례하도록 산출된다.At this time, the load is actually measured as shown in Figure 4 to measure the condensation temperature proportional to the condensation pressure and the evaporation temperature proportional to the evaporation pressure, and is proportional to the difference between the condensation temperature and the evaporation temperature and the average temperature.
다음, 상기 리니어 모터(10)는 복수개의 라미네이션(12a)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 상기 프레임(18)에 의해 상기 실린더(4) 외측에 고정되도록 설치되는 이너 스테이터(12)와, 코일이 감겨지도록 구성된 코일 권선체(14a) 주변에 복수개의 라미네이션(14b)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 상기 프레임(18)에 의해 상기 실린더(4) 외측에 상기 이너 스테이터(12)와 소정의 간극을 두고 설치되는 아웃터 스테이터(14)와, 상기 이너 스테이터(12)와 아웃터 스테이터(14) 사이의 간극에 위치되어 상기 피스톤(6)과 연결부재(17)에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석(16)으로 이루어지되, 상기 코일 권선체(14a)는 상기 이너 스테이터(12) 외측에 고정되도록 설치될 수도 있다.Next, the
상기와 같은 리니어 모터(10)에서 상기 코일 권선체(14a)에 전류가 인가됨에 따라 전자기력이 발생되고, 이와 같은 전자기력과 상기 영구자석(16)의 상호작용에 의해 상기 영구자석(16)이 왕복 직선 운동하게 되고, 상기 영구자석(16)과 연결된 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동하게 된다.As the current is applied to the coil winding 14a in the
도 5는 리니어 모터를 역기전력이 있는 R-L 회로로 모형화할 때의 등가회로도이다. 이 등가회로도에서, 피스톤(6)의 움직임을 나타내는 이론적인 근거하는 하 기의 수학식2과 같은 비선형 연립미분방정식으로 설명되며, 여기서 수학식2는 전기적 등가방정식이다.Fig. 5 is an equivalent circuit diagram when modeling a linear motor as an R-L circuit with back electromotive force. In this equivalent circuit diagram, a nonlinear system of differential equations, such as Equation 2 below, which is the theoretical basis for the movement of the
수학식 2Equation 2
여기서, R은 등가적 저항이고, L은 등가적 인덕턴스 계수이고, i는 모터에 흐르는 전류이고, V*은 인버터부(도 6 참조)의 출력 전압에 대응하는 전압지령치이다. 상술된 변수들은 모두 측정이 가능하므로, 상기 수학식2를 통하여 역기전력을 산정할 수 있다.Here, R is an equivalent resistance, L is an equivalent inductance coefficient, i is a current flowing through the motor, and V * is a voltage command value corresponding to the output voltage of the inverter section (see FIG. 6). Since all of the above-described parameters can be measured, the counter electromotive force can be calculated through Equation 2.
또한, 피스톤(6)의 움직임을 나타내는 이론적인 근거하는 하기의 수학식3과 같은 기계적 운동방정식으로 설명된다.In addition, it is explained by a mechanical motion equation such as the following Equation 3, which is based on a theoretical basis representing the movement of the
수학식 3Equation 3
여기서, x는 피스톤(6)의 변위이고, m은 피스톤(6)의 질량이고, C는 댐핑계수이고, k는 등가적 스프링 상수이고, α는 역기전력 상수이다. 상기 수학식3을 복소수 형태로 변환한 기계적 방정식은 하기의 수학식4와 같다.Where x is the displacement of the
수학식 4Equation 4
여기서, ω는 진동수이다. Where ω is the frequency.
기계적 공진이 이루어질 때는 역기전력과 전류가 동위상이 될 때이다. 따라서, 상기의 수학식 4에서 알 수 있는 바와 같이 이론적으로는 분모에 있는 복소수 부분이 0이 되면 된다. 그러나, 상술된 바와 같이, 등가적 스프링 상수(k)는 부하에 따라 변경되므로, 수학식 4에서 운동 주파수(fc)를 확정적으로 결정하는 것이 어렵다. 따라서, 이에 본 발명은 운동주파수(fc)를 가변하면서 공진 주파수(fn=fc 일 때의 주파수)를 추정하는 것으로, 하기에서는 수학식3을 이용하여, 역기전력의 위상과 전류의 위상을 검출하여 운동 주파수(fc)를 가변하여 동기화시키는 제어장치가 개시된다.Mechanical resonance occurs when back EMF and current are in phase. Therefore, as can be seen from Equation 4 above, the complex part in the denominator may be zero in theory. However, as described above, since the equivalent spring constant k changes according to the load, it is difficult to determine the motion frequency f c in Equation 4 deterministically. Thus, the purpose of this invention the phase of the motion frequency (f c) to that of estimating a resonance frequency (the frequency of when the f n = f c), while varying, in the below using equation (3), the phase and the current of the counter electromotive force A control device for detecting and varying and synchronizing the motion frequency f c is disclosed.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어장치의 구성도이다.6 is a configuration diagram of a control device of the linear compressor according to the present invention.
도시된 바와 같이, 제어장치는 외부 교류 전압을 정류하여 직류전압을 생성하는 정류부(41)와, 상기 정류부(41)로부터 직류 전압을 인가받아 전압 지령치(V*)에 따라 정현파 전압을 생성하여 리니어 압축기(43)에 인가하는 인버터부(42)와, 상기 인버터부(42)로부터 인가된 정현파 전압에 따라 압축 및 흡입 행정을 수행하는 리니어 압축기(43)와, 상기 리니어 압축기(43)로 인가되는 입력 전류(i)를 측정하는 전류 센서(44)와, 상기 전압지령치(V*)와 입력 전류(i)로부터 역기전력(E)의 위상을 검출하는 역기전력 위상 검출부(45)와, 상기 입력 전류(i)의 위상을 검출하는 전류 위상 검출부(46)와, 상기 역기전력(E)의 위상과 입력 전류(i)의 위상을 비교하여 주파수 변화치(Δf)를 생성하는 주파수 생성부(47)와, 상기 주파수 변화치( Δf)에 따라 상기 전압 지령치(V*)를 보정하여 상기 인버터부(42)로 인가하는 제어부(48)로 이루어진다.As shown in the drawing, the control device rectifies an external AC voltage to generate a DC voltage, and receives a DC voltage from the
자세하게는, 역기전력 위상 검출부(45)는 수학식2에 따라 인가된 전압지령치(V*)와 입력 전류(i)를 처리하여 역기전력(E)을 산정하고, 상기 역기전력(E)의 위상을 검출한다.In detail, the counter electromotive
또한, 주파수 생성부(47)는 상기 역기전력 위상 검출부(45)로부터 역기전력 위상과, 상기 전류 위상 검출부(46)로부터 전류 위상을 인가받아, 이 역기전력 위상과 전류 위상을 비교하여, 동일하게 되도록 하는 주파수 변화치(Δf)를 생성하여, 제어부(48)로 인가한다.In addition, the
이에, 제어부(48)는 주파수 생성부(47)로부터 인가된 주파수 변화치(Δf)를 사용하여 이전의 전압 지령치(V*)의 주파수를 보정하여, 이 보정된 전압 지령치(V*)를 다시 인버터부(42)로 인가한다. 이러한 순환 처리 과정을 통하여, 제어부(48)는 기계적 고유 주파수(fn)와 공진하는 주파수(운전주파수(fc))를 지닌 전압 지령치(V*)를 인버터부(42)로 인가하게 되어, 리니어 압축기가 공진 운동을 하도록 한다.Accordingly, the
다만, 이 제어부(48)는 상기 인버터부(42)로 전압 지령치(V*)를 인버터 제어신호(예를 들면, PWM 신호)의 형태로 변환하여 전송하게 된다.However, the
상술된 본 발명인 제어장치 및 방법은 기계적인 변수인 스프링 상수(K)를 정 확하게 산정하여 고유주파수(fn)를 추정하는 것이 아니라, 전기적인 모델에서 측정가능한 변수(R, L, i, V*)를 사용하여 공진 상태가 이루어지도록 하는 것이므로, 실제 리니어 압축기를 제조할 때, 기구적인 정확도에 민감하지 않게 된다. 따라서, 본 발명인 제어장치 및 방법은 리니어 압축기를 제조할 때, 제조 과정에서 야기되는 기구적인 오차를 쉽게 극복하고, 공진 상태에서 압축 및 흡입 과정이 수행되도록 한다.The control apparatus and method of the present invention described above do not accurately estimate the spring constant (K), which is a mechanical variable, to estimate the natural frequency (f n ), but rather the measurable variables (R, L, i, Since the resonance state is achieved by using V * ), when the actual linear compressor is manufactured, it is not sensitive to mechanical accuracy. Therefore, the present inventors' control apparatus and method easily overcome the mechanical errors caused in the manufacturing process when manufacturing the linear compressor, and allow the compression and suction process to be performed in the resonance state.
이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예들 및 첨부도면에 기초하여 무빙 마그네트 타입의 리니어 모터가 작동되고, 이와 연결된 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선 이동되면서 냉매를 흡입, 압축, 토출시키는 리니어 압축기를 예로 들어 상세하게 설명하였다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.In the above description, the present invention relates to a linear compressor for moving, moving and reciprocating linearly inside a cylinder a suction magnet type linear motor in which a moving magnet type linear motor is operated based on the embodiments of the present invention and the accompanying drawings. The example has been described in detail. However, the scope of the present invention is not limited by the above embodiments and drawings, and the scope of the present invention will be limited only by the contents described in the claims below.
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