KR100588718B1 - 리니어 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 부하에 따라 운전 주파수가 가변되도록 커패시턴스를 조절하는 리니어 압축기에 관한 것이다.
본 발명인 리니어 압축기는 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 상기 고정부재 내부에서 축방향으로 왕복 직선운동하면서 상기 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 상기 가동부재를 상기 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치되어 부하에 의존하여 스프링 상수가 가변되는 적어도 하나 이상의 스프링과, 상기 가동부재와 연결되도록 설치되어 상기 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키며, 부하에 따라 운전주파수(fc)가 가변되도록 커패시턴스를 조절하는 리니어 모터로 이루어진다.

Description

리니어 압축기{LINEAR COMPRESSOR}
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크 및 효율이 도시된 그래프,
도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 전원공급회로의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기가 도시된 단면도,
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크 및 효율이 도시된 그래프,
도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 리니어 압축기 제어장치의 제1 및 제2실시예의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
2: 밀폐용기 4: 실린더
6: 피스톤 7: 머플러
8a, 8b: 제1, 2기계 스프링 10: 리니어 모터
12: 이너 스테이터 14: 아웃터 스테이터
16: 영구자석 15, 15 : 분지수단
18: 제어수단 22: 흡입밸브
24: 토출밸브 어셈블리
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 부하에 따라 운전 주파수가 가변되도록 커패시턴스를 조절하는 리니어 압축기에 관한 것이다.
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.
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,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 나뉘어진다.
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.
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.
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.
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 코일(또는 코일 권선체)이 감겨지도록 설치되며, 상기 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에는 영구자석이 상기 피스톤과 연결되도록 설치된다.
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.
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.
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 피스톤(또는 리니어 압축기)의 고유주파수(fn)가 산출된다.
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.
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.
이때, 상기 리니어 모터는 일정한 운전주파수(fc)로 운전하게 되고, 상기 리니어 모터의 운전주파수(fn)는 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치하여 공진상태에서 운전되어 효율을 극대화시킬 수 있다.
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.
상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터가 설계 상에서 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.
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.
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.
Figure 112004039196860-pat00001
이때, 상기 fn 은 피스톤의 고유주파수이고, Km 및 Kg 는 기계 스프링 상수 및 가스 스프링 상수이며, M 은 피스톤의 질량이다.
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 설정하여 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.
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.
도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 전원공급회로의 구성도로서, 일정한 인덕턴스를 지니는 코일(L)과, 일정한 커패시턴스를 지니는 캐패시터(C)와, 전원으로 이루어진다. 도시된 바와 같이, 전원으로부터 인가된 전압 또는 전류는 전원공급회로 내의 LC 공진에 의한 운전주파수(fc)를 일정하게 지니게 된다. 이러한 운전주파수(fc)는 도 1a 및 1b의 중간부하 영역에서의 고유주파수(fn)와 일치하도록 적절한 L 및 C의 선택에 의해 설정된다. 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.
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.
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.
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.
이에 따라 본 발명은 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 의존하여 가변되더라도 리니어 모터의 운전주파수(fc)를 조절함으로 부하에 대응하여 효율적으로 압축을 수행하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 리니어 압축기는 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 상기 고정부재 내부에서 축방향으로 왕복 직선운동하면서 상기 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 상기 가동부재를 상기 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치되어 부하에 의존하여 스프링 상수가 가변되는 적어도 하나 이상의 스프링과, 상기 가동부재와 연결되도록 설치되어 상기 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키며, 부하에 따라 운전주파수(fc)가 가변되도록 커패시턴스를 조절하는 리니어 모터로 이루어진다.
또한, 상기 리니어 압축기는 냉동/공조용 사이클 내에 설치되고, 상기 부하는 상기 냉동/공조용 사이클에서 냉매가 응축되는 압력(응축압)과 상기 증발기에서 냉매가 증발되는 압력(증발압)의 차에 비례하여 산출되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부하는 추가로 상기 응축압과 증발압의 평균인 압력(평균압)에 비례하여 산출되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 리니어 모터는 상기 운전주파수(fc)를 부하에 비례하여 가변되는 상기 가동부재의 공진주파수(fn)에 동기화시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 리니어 모터는 상기 가동부재를 상사점까지 왕복 직선운동하도록 작동시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 리니어 모터는 상기 고정부재 주변을 감싸도록 복수개의 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성된 이너 스테이터와 상기 이너 스테이터 외측에 소정의 간격을 두고 위치되어 복수개의 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성된 아우터 스테이터와 상기 이너 스테이터 또는 아웃터 스테이터 사이에 전자기력을 발생시키도록 코일이 권선된 코일 권선체와, 상기 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에 위치되어 상기 가동부재와 연결되도록 설치되어 상기 코일 권선체의 전자기력과 상호 작용에 의해 직선 왕복운동하는 영구자석을 포함하고, 상기 리니어 모터는 상기 코일 권선체와 연결되는 적어도 둘 이상의 캐패시터로 이루어진 캐패시터부와, 상기 캐패시터부에서 적어도 하나의 캐패시터를 선택하여 상기 선택된 캐패시터를 통하여 입력 전류를 인가하는 분지수단과, 상기 부하에 따라 상기 분지수단을 제어하는 전체 커패시턴스를 가변하는 제어수단을 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 캐패시터는 서로 직렬로 연결되고, 상기 분지수단은 상기 캐패시터의 연결지점을 선택하여 상기 입력 전류를 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 캐패시터는 서로 병렬로 연결되고, 각 캐패시터의 일단은 서로 연결되고, 상기 분지수단은 상기 캐패시터의 타단 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여 상기 입력 전류를 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어수단은 고부하의 경우 작은 커패시턴스가 선택되고, 저부하의 경우 큰 커패시턴스가 선택되도록 상기 분지수단을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 리니어 압축기 제어장치는 리니어 압축기의 원주 방향으로 감겨진 코일 권선체와, 적어도 둘 이상의 캐패시터로 이루어진 캐패시터부와, 적어도 하나 이상의 캐패시터를 선택하여 입력 전류를 인가하는 분지수단 및, 부하에 따라 상기 분지수단을 제어하여 운전주파수(fc)가 가변되도록 커패시턴스를 조절하는 제어수단으로 이루어진다.
이하에서, 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 설명된다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 3에 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 리니어 모터(10)와 연결되도록 설치되되, 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 의존하여 가변되더라도 상기 리니어 모터(10)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 동기화되도록 그 운전주파수(fc)를 제어한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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 설 치되어 상기 토출밸브(24a)가 상기 실린더(4) 일단을 밀착되도록 한다.
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.
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.
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.
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.
따라서, 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따 라 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.
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 가스 스프링으로 작용하여 상기 피스톤(6)을 탄성 지지하게 된다.
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.
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.
이때, 상기 기계 스프링 상수(Km)는 일정한 반면, 상기 가스 스프링 상수(Kg)는 부하에 의존하여 가변되기 때문에 전체 스프링 상수 역시 부하에 의존하여 가변되고, 상기의 수학식1에 의존하여 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 상기 가스 스프링 상수(Kg)에 의존하여 가변된다.
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 주파수 추정 알고리즘을 이용하여 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.
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.
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.
이때, 상기 부하는 실제적으로 도 5에 도시된 바와 같이 응축압에 비례하는 응축온도 및 증발압에 비례하는 증발온도를 측정하고, 상기 응축온도와 증발온도의 차 및 평균온도에 비례하도록 산출된다.
구체적으로, 상기 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)는 다양한 실험을 통하여 결정될 수 있는데, 종래의 리니어 압축기에 비해 기계 스프링 상수가 더 작은 기계 스프링을 적용함으로써, 전체 스프링 상수에 대한 가스 스프링 상수가 차지하는 비율을 높아지도록 하여 부하에 따라 피스톤의 공진주파수가 비교적 넓은 범위에서 변동되도록 하고, 이와 같이 부하에 따라 가변되는 피스톤의 공진주파수에 상기 리니어 모터의 운전주파수를 손쉽게 동기화되도록 제어할 수 있다.
도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 리니어 압축기 제어장치의 제1 및 제2실시예의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 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.
특히, 상기 리니어 모터(10)는 커패시턴스를 다양하게 가변시킬 수 있는데, 구체적으로 2개 이상의 캐패시터(C1, C2)로 이루어진 캐패시터부를 구비하고, 상기 캐패시터부 중에서 적어도 하나의 캐패시터(C1, C2)를 선택하여 외부로부터 입력되는 전류를 인가하는 분지수단(15, 15 )과, 상기 부하를 판단하여 상기 분지수단(15, 15 )을 제어하는 제어수단(18)을 더 포함한다.
이때, 각 캐패시터(C1,C2)는 동일한 커패시턴스를 지니거나 서로 다른 커패시턴스(C)를 지닐 수 있다.
도 7a는 캐패시터(C1, C2)가 병렬적으로 연결된 경우이고, 도 7b는 캐패시터(C1, C2, C3)가 서로 연결되어 직렬적으로 연결된 경우이다. 이러한 다양한 형태의 캐패시터부에 따라 분지수단(15, 15 )은 다양한 크기의 커패시턴스를 조합할 수 있다.
먼저, 도 7a에서, 캐패시터(C1, C2)의 일단은 서로 연결되고, 연결단자(15a)는 캐패시터(C1)의 타단에 연결되고, 연결단자(15b)는 캐패시터(C2)의 타단에 연결되고, 분지수단(15)은 연결단자(15a, 15b) 중에서 적어도 하나를 스위치(15c)에 의해 선택하여 입력 전류를 인가한다. 따라서, 분지수단(15)에 의해 선택되어 조합될 수 있는 커패시턴스는 캐패시터(C1), (C2) 각각의 선택될 때의 2 경우와, 캐패시터(C1, C2)가 함께 선택될 때의 1경우(C1과 C2의 병렬 접속)이다.
또한, 도 7b에서, 캐패시터부의 캐패시터(C1, C2, C3)는 서로 직렬로 연결되고, 상기 캐패시터부의 양단부(15a , 15d )와, 연결지점(15b , 15c ) 중에서 2개를 스위치(15e , 15f )에 의해 선택하여 입력 전류를 인가한다. 따라서, 분지수단(15 )에 의해 선택되어 조합될 수 있는 인덕턴스는 캐패시터(C1), (C2), (C3)가 각각 선택되는 경우와, 캐패시터(C1, C2), (C2, C3), (C1, C2, C3)가 직렬로 연결되어 선택되는 경우이다.
그리고, 상기 제어수단(18)은 냉매의 응축온도 및 증발온도를 입력받아 부하를 판단한 다음(즉, 소정의 주파수 추정 알고리즘에 따라 입력된 온도정보를 통하여 도 5의 그래프 상의 데이터를 이용하여 고유주파수(fn)를 추정한 다음), 그 부하의 크기에 따라 상기 분지수단(15, 15 )의 작동을 제어한다. 상기 제어수단(18)은 고부하(또는 고냉력)의 경우 작은 커패시턴스가 선택되어 운전주파수(fc)가 높아지도록 하고, 저부하(또는 저냉력)의 경우 큰 커패시턴스가 선택되도록 하여 운전주파수(fc)를 낮아지도록 상기 분지수단(15, 15 )을 제어한다. 이러한 분지수단(15, 15 )의 제어수단(18)에 의한 제어는 상술된 부하에 따라 가변하는 고유주파수(fn)에 운전주파수(fc)가 동기화될 수 있도록 하여 공진 상태에서 리니어 압축기가 동작하도록 하기 위해 다양한 인덕턴스 중에서 적절한 크기의 커패시턴스를 조합하기 위한 제어이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 부하에 따라 가스 스프링 상수 및 고유주파수가 가변되는 것을 소정의 주파수 추정 알고리즘에 의해 추정하고, 추정된 고유주파수에 리니어 모터의 운전주파수를 동기화시킴으로 공진상태에서 운전이 이루어지도록 하고, 결과적으로 압축효율을 극대화시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와;
    상기 고정부재 내부에서 상기 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와;
    상기 가동부재를 탄성 지지하도록 설치되어 부하에 의존하여 스프링 상수가 가변되는 적어도 하나 이상의 스프링과;
    상기 가동부재와 연결되도록 설치되어 상기 가동부재를 왕복 직선운동시키며, 운전주파수(fc)가 상기 가동부재의 공진주파수(fn)에 동기화되도록 커패시턴스를 조절하는 리니어 모터로 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 압축기는 냉동/공조용 사이클 내에 설치되고, 상기 부하는 상기 냉동/공조용 사이클에서 냉매가 응축되는 압력(응축압)과 상기 증발기에서 냉매가 증발되는 압력(증발압)의 차에 비례하여 산출되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부하는 추가로 상기 응축압과 증발압의 평균인 압력(평균압)에 비례하여 산출되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가동부재의 공진주파수(fn)는 상기 부하에 비례하여 가변하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 리니어 모터는 상기 가동부재를 상사점까지 왕복 직선운동하도록 작동시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 리니어 모터는 상기 고정부재 주변을 감싸는 이너 스테이터와, 상기 이너 스테이터 외측에 소정의 간격을 두고 위치된 아우터 스테이터와, 상기 이너 스테이터 또는 아웃터 스테이터 사이에 코일이 권선된 코일 권선체와, 상기 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에 위치되어 상기 가동부재와 연결되도록 설치된 영구자석을 포함하고, 상기 리니어 모터는 상기 코일 권선체와 연결되는 적어도 둘 이상의 캐패시터로 이루어진 캐패시터부와, 상기 캐패시터부에서 적어도 하나의 캐패시터를 선택하여 상기 선택된 캐패시터를 통하여 입력 전류를 상기 코일권선체로 인가하는 분지수단과, 상기 부하에 따라 상기 분지수단을 제어하는 전체 커패시턴스를 가변하는 제어수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캐패시터는 서로 직렬로 연결되고, 상기 분지수단은 상기 캐패시터의 연결지점을 선택하여 상기 입력 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 캐패시터는 서로 병렬로 연결되고, 각 캐패시터의 일단은 서로 연결되고, 상기 분지수단은 상기 캐패시터의 타단 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여 상기 입력 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제어수단은 고부하의 경우 작은 커패시턴스가 선택되고, 저부하의 경우 큰 커패시턴스가 선택되도록 상기 분지수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 리니어 압축기의 원주 방향으로 감겨진 코일 권선체와;
    적어도 둘 이상의 캐패시터로 이루어진 캐패시터부와;
    적어도 하나 이상의 캐패시터를 선택하여 입력 전류를 상기 코일권선체로 인가하는 분지수단 및;
    부하에 따라 상기 분지수단을 제어하여 운전주파수(fc)가 리니어 압축기의 공진주파수(fn)에 동기화되도록 커패시턴스를 조절하는 제어수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 캐패시터는 서로 직렬로 연결되고, 상기 분지수단은 상기 캐패시터부의 양단부 및 상기 캐패시터의 연결지점 중에서 2개를 선택하여 상기 입력 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 캐패시터는 서로 병렬로 연결되고, 각 캐패시터의 일단은 연결되고, 상기 분지수단은 상기 캐패시터의 타단 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여 상기 입력 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제어수단은 고부하의 경우 작은 커패시턴스가 선택되고, 저부하의 경우 큰 커패시턴스가 선택되도록 상기 분지수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
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