KR100746430B1 - 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 리니어 압축기의 가동부재(피스톤)의 위치를 가진원에 대한 반사파에 따라 산정하거나 확인하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치에 관한 것이다.
본 발명인 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치는 냉매가 압축 및 흡입되는 리니어 압축기의 압축공간 내로 연장되어 가진원의 입사 또는 반사파의 수신을 수행하는 마이크로웨이브 프로브와, 상기 가진원을 생성하는 신호 생성부와, 상기 반사파의 에너지 또는 전력을 측정하는 검출부와, 상기 검출부의 에너지 또는 전력에 따른 주파수 특성을 판독하는 주파수 판독부와, 상기 판독된 주파수 특성으로부터 리니어 압축기의 가동부재의 위치(L)를 산정하거나 확인하는 제어부로 이루어진다.

Description

리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치{MOVING PART POSITION DETECTING APPARATUS FOR LINEAR COMPRESSOR}
도 1은 본 발명에 따른 가동부재 위치검출장치의 원리 개략도이다.
도 2는 도 1의 실린더의 개략도이다.
도 3은 공진주파수와 피스톤의 위치 간의 관계 그래프이다.
도 4는 반사파의 에너지 스펙트럼과 피스톤의 위치 간의 관계 그래프이다.
도 5a 내지 5c는 반사파의 에너지 스펙트럼과 가진 주파수 간의 관계 그래프 및, 시간에 따른 공진주파수 및 피스톤의 위치에 대한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
40: 신호생성부 42: 방향성 커플러
44: 마이크로웨이브 프로브 46: 크라스탈 검출기
48: OP 증폭기 50: 주파수 판독부
60: 제어부
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 리니어 압축기의 가동부재(피스톤)의 위치를 가진원에 대한 반사파에 따라 산정하거나 확인하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치에 관한 것이다.
냉장고와 같은 냉장 및 냉동기 또는 에어컨과 같은 공기조화기에서 가장 핵심적인 부품인 압축기에 대한 효율의 향상에 관한 연구는 지금까지 지속적으로 이루어지고 있다. 현재 냉동시스템 등에서 널리 사용되는 왕복동식 압축기와 회전식 압축기 및 스크롤 압축기 등의 효율향상에 대해 연구가 지속적으로 진행되고 있으며, 이러한 압축기의 성능 향상에 한계가 있는 것이 파악되었다. 이와 같이 압축기의 효율향상에 더 이상의 효율향상이 한계에 도달됨에 따라 새로운 방식의 압축개념이 도입되기 시작하였는데, 그것이 리니어 압축기이다.
리니어 압축기의 궁극적인 목표는 마찰손실을 최소화하고, 냉동부하에 대응한 운전을 통해 소비전력을 낮추어 전기에너지를 절약하는데 있다고 할 수 있다. 특히, 리니어 압축기가 소비전력에 아주 유리한 이유는 냉매가스를 압축하는 피스톤의 운동이 기구적으로 구속되지 않고 자유롭기 때문에 부하에 대응하여 왕복구간을 제어하는 것이 가능하기 때문이다. 즉, 피스톤의 스트로크를 제어하여 부하에 대응하도록 함으로써 전기에너지의 소비전력을 최소화할 수 있게 되는데, 이것은 기술적으로 중요한 다음과 같은 과제가 선결되어야 만 가능하다. 그것은 피스톤의 위치를 어떻게 파악하고 이의 움직임을 어떻게 제어하여야 하는가의 문제이다. 결국, 리니어 압축기에서 스트로크 제어, 인버터 제어 등의 소비전력 저감을 위한 기술을 적용하기 위해서는 피스톤의 위치에 대한 정확한 감지 또는 제어가 필수적이라고 할 것이다.
이러한 피스톤의 위치에 대한 감지기술로 피스톤의 상사점(TDC: Top Down Center)에서 발생하는 전기적인 현상을 이용하는 방법 등이 있는데, 이러한 방법은 부하나 전류 측정, 스트로크 또는 역기전력의 연산 등에서 오류가 발생할 확율이 높아서, 그 정확도가 현저하게 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 상사점 위치에서 발생하는 현상을 이용하는 것이 아니라 압축 공간 전체에서의 마이크로웨이브의 변화를 측정하여 이용하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 냉매의 공진 주파수와 가동부재의 위치 간의 상관 관계를 이용하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가동부재의 절대적인 위치를 측정하며, 시간에 따른 위치 및 공진 주파수의 변화 정도를 산출할 수 있는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치는 냉매가 압축 및 흡입되는 리니어 압축기의 압축공간 내로 연장되어 가진원의 입사 또는 반사파의 수신을 수행하는 마이크로웨이브 프로브와, 상기 가진원을 생성하는 신호 생성부와, 상기 반사파의 에너지 또는 전력을 측정하는 검출부와, 상기 검출부의 에너지 또는 전력에 따른 주파수 특성을 판독하는 주파수 판독부와, 상기 판독된 주파수 특성으로부터 리니어 압축기의 가동부재의 위치(L)를 산정하거나 확인하는 제어부로 이루어진다.
이때, 상기 위치검출장치는 상기 마이크로웨이브 프로브와, 신호생성부 및 검출부 사이에 상기 가진원의 전송 및 반사파의 전송을 위한 방향성 커플러를 추가적으로 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 위치검출장치는 상기 검출부와 주파수 판독부 사이에 증폭부를 추가적으로 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 주파수 판독부는 상기 반사파의 에너지 스펙트럼 또는 전력 스펙트럼으로부터 최소 에너지에 대응하는 주파수를 산정하고, 상기 산정된 주파수를 포함하는 주파수 특성을 상기 제어부에 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 신호 생성부로 하여금 다수의 주파수를 지닌 가진원을 생성하도록 하고, 상기 주파수 특성에 포함된 주파수에 따라 상기 가동부재의 위치를 산정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 냉매에 대하여 상기 반사파의 주파수와 가동부재 의 위치(L) 간의 관계 데이터를 기준으로 하여 상기 가동부재의 위치를 산정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 가진원을 연속적으로 압축공간으로 입사되도록 하여, 시간에 따른 냉매의 공진주파수 및 가동부재의위치를 산정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 신호 생성부로 하여금 상기 가동부재의 특정위치에 대응하는 단일 주파수를 적어도 지닌 가진원을 생성하도록 하고, 상기 주파수 특성에 포함된 주파수가 상기 단일 주파수와 동일한지를 판단하여 상기 가동부재의 특정위치를 확인하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 냉매에 대하여 상기 반사파의 주파수와 가동부재의 위치(L) 간의 관계 데이터를 기준으로 하여 상기 가동부재의 위치에 대응하는 상기 단일 주파수를 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 리니어 압축기는 내부에 냉매가 압축 및 흡입되는 압축공간을 포함하는 고정부재와, 상기 고정부재 내부에서 축방향으로 왕복직선운동하면서 상기 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 상기 압축공간에 소정의 가진원을 입사시키고, 이에 따른 반사파를 수신하여 상기 반사파에 따라 상기 가동부재의 위치(L)를 산정하거나 확인하는 위치검출부로 이루어진다.
이하에서, 본 발명은 본 발명의 실시예들 및 첨부도면에 기초하여 무빙 마그네트 타입의 리니어 모터가 작동되고, 이와 연결된 피스톤이 실린더 내부에서 왕 복 직선 이동되면서 냉매를 흡입, 압축, 토출시키는 리니어 압축기를 예로 들어 상세하게 설명된다. 그러나, 이하의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가동부재 위치검출장치의 원리 개략도이고, 도 2는 도 1의 실린더의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 리니어 압축기는 실린더(A)는 내부에 냉매가 흡입될 수 있는 압축 공간(P)을 지니고, 실린더(A)의 축방향으로 직선왕복운동하면서 이 압축공간(P) 내의 냉매를 압축하는 피스톤(B)이 도시된다. 여기서, 상사점(TDC)은 피스톤(B)이 압축공간(P)에서 최대로 상승할 수 있는 위치로, 냉매가 최대로 압축되는 위치가 된다.
이러한 리니어 압축기의 실린더(A)는 전도체인 금속 재질로 이루어지고, 이러한 실린더(A)의 압축공간(P) 내에서 피스톤(B)에 의해 폐쇄된 냉매에 임의의 가진원(예를 들면, 마이크로파, 초고주파 등)을 입사시켰을 때, 압축공간(P)의 기하학적 형상과, 압축공간(P) 내의 유전체(즉, 냉매 등) 등에 따라 압축공간(P) 내의 가능한 정상파들의 공진 주파수가 결정되어지고, 이 가진원의 주파수가 냉매의 공진 주파수와 일치하는 경우, 반사파가 지닌 에너지는 이 공진 주파수에 대응하는 주파수 영역에서 공진이 일어나지 않는 주파수 영역에 비해 현저하게 감소된다.
이 실린더(A) 내부의 압축공간(P)을 공진 공동(resonant cavity)이라 가정할 때, 정원통형 공동(right cylindrical cavity)에 대한 맥스웰 방정식은 하기의 수 학식 1과 같다.
(fD)2=(cPmn/π)2+(1/μ'ε')(c/2)2(D/L)2p2
여기서, f는 냉매의 공진 주파수이고, c는 진공상태에서의 빛의 속도, Pmn는 베셀(Bessel) 함수의 근이고, μ'는 냉매의 상대투자율(relative permeability)이고, ε'는 냉매의 상대유전율(relative permittivity)이고, D는 냉매 공동(즉, 압축공간(P))의 지름이고, L은 냉매 공동의 축방향 길이이고, p는 공동의 축방향으로 반파장의 배수이다. 특히, L은 실린더(A) 내의 상사점(TDC)으로부터 피스톤(B) 상단까지의 거리로, 하기에서는 피스톤(B)의 위치를 지칭하는 것이다.
상술된 수학식1은 하기의 수학식2와 같이 간략화될 수 있다.
(fD)2= a + b(D/L)2p2
여기서, a는 모드에 의존하는 상수이고, b는 냉매의 전자기파의 속도에 의존하는 상수이다. 따라서, 공진 주파수(f)가 알려지면 위치(L)가 산정될 수 있고, 반 대로 위치(L)가 알려지면 이때의 공진 주파수(f)가 산정될 수 있다.
도 3은 공진주파수와 피스톤의 위치 간의 관계 그래프이다. 도 3은 상술된 수학식 1과 2로부터 냉매의 공진 주파수(f)와 피스톤(B)의 위치(L)가 서로 반비례하며, 즉 냉매의 공진 주파수(f)는 피스톤(B)의 위치(L)에 따라 가변됨을 알 수 있다. 예를 들면, 피스톤(B)의 위치(L)가 상사점(TDC)에 근접하게 되면, 즉 위치(L)가 '0'에 근접하면 냉매의 공진 주파수(f)는 커지게 된다. 또한, 피스톤(B)이 위치(L1)에 있다고 확인된 경우, 이때의 냉매의 공진 주파수(f1)가 산출될 수 있다.
도 4는 반사파의 에너지 스펙트럼과 피스톤의 위치 간의 관계 그래프이다. 도 3에 도시된 주파수(f1)을 포함하는 가진원이 실린더(A) 내의 압축공간(P)에 입사되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 반사파의 에너지 또는 전력 스펙트럼의 형상이 냉매의 공진주파수(f1)에 대응하는 피스톤(B)의 위치(L1)에서 최저의 에너지량 또는 전력량을 표시하고 있다. 즉, 가진원에 포함된 주파수(f1)는 대부분이 압축공간(P) 내에서 공진되어 극히 일부만이 반사파에 포함되어 있음을 알 수 있고, 이러한 반사파의 에너지 또는 전력 스펙트럼에 따라 피스톤(B)이 공진 주파수(f1)에 대응하는 위치(L1)에 놓여져 있음을 확인할 수 있다.
도 5a 내지 5c는 반사파의 에너지 스펙트럼과 가진 주파수 간의 관계 그래프 및, 시간에 따른 공진주파수 및 피스톤의 위치에 대한 그래프이다.
도 5a 내지 5c의 그래프들은, 다수의 주파수를 지닌 가진원(예를 들면, 백색 잡음, random 신호 등)이 압축공간(P)에 입사된 후에, 측정된 데이터들이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 반사파의 에너지(E)(또는 전력)가 주파수에 따라 표시되며, 가진원이 입사된 때의 피스톤(B)의 위치에 따라 반사파의 에너지 스펙트럼 중에서 냉매의 공진주파수(f)에 해당되는 주파수(f1)에서 최소의 에너지량이 측정된다. 이때의 주파수(f1)가 공진주파수(f)에 해당하며, 이 주파수(f1)로부터 상술된 공진주파수-위치 간의 관계로부터 피스톤(B)의 위치를 산정할 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 가진원을 시간에 따라 연속적으로 입사시킨 경우, 시간에 따라 가변하는 피스톤(B)의 위치(L)에 따라 냉매의 공진주파수(f)가 가변되며, 특정 시간에서의 냉매의 공진주파수를 산정할 수 있다. 또한, 최고의 주파수(ft)는 시간(to)에서 피스톤(B)이 상사점(TDC)에 도달하거나 가장 근접한 때의 냉매의 공진주파수에 해당된다. 이후, 이러한 주파수(ft)만 포함된 가진원이 상술된 도 4의 경우에 사용될 수 있다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 가진원을 시간에 따라 연속적으로 입사한 경우, 시간에 따라 가변하는 피스톤(B)의 위치(L)가 가변되며, 특정 시간에서의 피스톤(B)의 위치를 산정할 수 있다. 또한, 최저의 위치(Lt)는 시간(to)에서 피스톤(B)이 상사점(TDC)에 도달하거나 가장 근접한 때의 위치에 해당된다.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도이다. 본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 6에 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, 상 기 피스톤(6)은 직선 왕복 구동력을 발생시키는 리니어 모터(10)와 연결되도록 설치된다.
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 설치되어 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 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.
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 포 함된 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.
물론, 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, 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 산출된다.
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.
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.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치의 구성도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 가동부재 위치검출장치는 가진원을 생성하는 신호생성부(40)와, 신호생성부(40)로부터의 가진원을 마이크로웨이브 프로브(44)로 인가하고, 마이크로웨이브 프로브(44)로부터의 반사파를 크리스탈 검출기(46)로 인가하는 방향성 커플러(42)와, 가진원의 입사와 반사파의 수신을 용이하게 하기 위해 압축공간(P) 내로 적어도 일부분이 진입하는 마이크로웨이브 프로브(44)와, 수신된 반사파에 대응하는 에너지 또는 전력 형태의 신호로 변환하는 크리스탈 검출기(46)와, 에너지 또는 전력 형태의 신호를 증폭하는 OP 증폭기(48)와, 에너지 또는 전력 형태의 신호로부터 최소의 에너지량 또는 전력량에서의 주파수를 판독하는 주파수 판독부(50)와, 상술된 구성요소들을 제어하여 피스톤(6)의 위치(L)를 산정하거나 확인하는 제어부(60)로 이루어진다.
자세하게는, 신호생성부(40)는 제어부(60)에 제어에 의해 단일 주파수를 포함하는 가진원을 생성할 수도 있고, 다수의 주파수를 포함하는 백색잡음 또는 random 신호와 같은 가진원을 생성할 수도 있다.
또한, 방향성 커플러(42)는 다수의 입력과 다수의 출력을 지니되, 특정 입력에 대해서는 특정 출력이 이루어지도록 하는 접속소자이다. 본 실시예에서는, 방향성 커플러(42)는 신호생성부(40)로부터 입력된 가진원을 마이크로웨이브 프로브(44)로 출력하고, 마이크로웨이브 프로브(44)로부터 입력된 반사파를 크리스탈 검출기(46)로 출력한다.
또한, 마이크로웨이브 프로브(44)는 도 7에 도시된 바와 같이, 실린더(4) 내의 압축공간(P) 내로 가진원을 송신하는 부분이 적어도 일부분이 진입하도록 장착된다. 도시된 바와 같이, 마이크로웨이브 프로브(44)가 실린더(4)의 측면으로부터 압축공간(P)으로 진입할 수도 있고, 실린더(4)의 상면으로부터 진입할 수도 있다. 이때, 압축공간(P) 내로 진입한 마이크로웨이브 프로브(44)의 일부분은 피스톤(6)의 압축행정 시에, 피스톤(6)과 접하지 않는 위치에 장착되어야 한다.
또한, 크리스탈 검출기(46)는 방향성 커플러(42)로부터 반사파를 수신하여 이 반사파에 대응하는 에너지 또는 전력(또는 전압, 전류 등) 형태의 신호로 변환하여 OP 증폭기(48)로 송신한다. 예를 들면, 크리스탈 검출기(46)는 반사파를 수신한 때 전력에 비례하는 전류 또는 전압으로 변환할 수도 있다.
또한, OP 증폭기(48)는 반사파의 에너지 또는 전력이 상대적을 작은 값일 수 있으므로, 반사파의 에너지 또는 전력 형태의 신호를 증폭하게 된다.
또한, 주파수 판독부(50)는 반사파의 에너지 또는 전력 형태의 신호로부터 특정 주파수(냉매의 공진주파수(f))를 판독하는 수단이다. 도 4 내지 5c에 도시된 그래프에서와 같이, 냉매의 공진주파수(f)에 대응하는 주파수 영역에서 에너지 또는 전력 형태의 신호는 최소의 값을 지니게 되므로, 이때의 주파수를 주파수 판독부(50)가 판독하여, 제어부(60)에 제공한다.
또한, 제어부(60)는 상술된 구성요소들을 제어하며, 피스톤(6)의 위치 산정 또는 확인 등의 목적에 따른 가진원을 신호생성부(40)로 하여금 생성하여 압축공간(P) 내에 인가되도록 하고, 크리스탈 검출기(46)가 소정의 변환과정을 수행하도록 하며, 주파수 판독부(50)로부터 인가된 주파수에 따라 피스톤(6)의 위치(L)의 산정 또는 확인을 수행한다.
이러한 피스톤(6)의 위치(L)의 산정 또는 확인을 위해, 제어부(60)는 적어도 상술된 피스톤(6)의 위치와 냉매의 공진주파수(f) 간의 관련 데이터(예를 들면, 수학식 1 및 2 등)를 저장하고 있어야 한다. 이 피스톤(6)의 위치와 냉매의 공진주파수(f) 간의 관련 데이터는 냉매에 따라 결정되는 것이며, 제어부(60)는 냉매의 공진주파수(f)를 주파수 판독부(50)로부터 인가 받으면, 이 관련 데이터를 판독하여 대응하는 피스톤(6)의 위치(L)를 산정할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 주파수 판독부(50)로부터 수신된 주파수(f)와 신호생성부(40)에 포함되도록 하는 단일 주파수가 동일한지를 판단하여, 만약 동일한 경우 제어부(50)는 단일 주파수에 대응하는 위치에 피스톤(6)이 순간적으로 또는 지속적으로 놓여진 것을 확인할 수 있다. 만약 그렇지 않으면, 제어부(50)는 피스톤(6)이 단일 주파수에 대응하는 위치에 놓여진 것이 아님을 확인할 수도 있고, 이때의 피스톤(6)의 위치를 산정할 수도 있다.
또한, 제어부(60)는 냉매의 공진주파수(f)로부터 냉매의 가스스프링상수(Kg)를 하기의 수학식3에 따라 산정할 수 있다.
Figure 112006012739125-pat00001
여기서, f는 냉매의 공진주파수이고, M은 냉매의 질량이다. 이러한 가스스프링상수(Kg)는 전체 기계 공진주파수에 영향을 미치는 인자로서, 제어부(60)가 운전주파수(fc)를 공진주파수(fn)에 추종하도록 할 때 유용하게 사용될 수 있다.
이러한 구성의 본 발명은 상사점 위치에서 발생하는 현상을 이용하는 것이 아니라 압축 공간 전체에서의 마이크로웨이브의 변화를 측정하여 이용하여 보다 정 확한 가동부재의 위치 산정 및 확인을 수행하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 냉매의 공진 주파수와 가동부재의 위치 간의 상관 관계를 이용하여 가동부재의 위치 산정 및 확인을 용이하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 가동부재의 절대적인 위치를 측정하며, 시간에 따른 위치 및 공진 주파수의 변화 정도를 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 냉매의 공진주파수의 산정 및 확인을 통하여 냉매의 가스스프링 상수를 산정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 냉매가 압축 및 흡입되는 리니어 압축기의 압축공간 내로 연장되어 가진원의 입사 또는 반사파의 수신을 수행하는 마이크로웨이브 프로브와;
    가진원을 생성하는 신호 생성부와;
    반사파의 에너지 또는 전력을 측정하는 검출부와;
    검출부의 에너지 또는 전력에 따른 주파수 특성을 판독하는 주파수 판독부와;
    주파수 특성으로부터 리니어 압축기의 가동부재의 위치(L)를 산정하거나 확인하는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    위치검출장치는 마이크로웨이브 프로브와, 신호생성부 및 검출부 사이에 가진원의 전송 및 반사파의 전송을 위한 방향성 커플러를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치.
  3. 제1항에 있어서,
    위치검출장치는 검출부와 주파수 판독부 사이에 증폭부를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치.
  4. 제1항에 있어서,
    주파수 판독부는 상기 반사파의 에너지 스펙트럼 또는 전력 스펙트럼으로부터 최소 에너지에 대응하는 주파수를 산정하고, 산정된 주파수를 포함하는 주파수 특성을 생성하여 상기 제어부에 인가하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제어부는 신호 생성부로 하여금 다수의 주파수를 지닌 가진원을 생성하도록 하고, 주파수 특성에 포함된 주파수에 따라 가동부재의 위치를 산정하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치.
  6. 제5항에 있어서,
    제어부는 냉매에 대하여 반사파의 주파수와 가동부재의 위치(L) 간의 관계 데이터를 기준으로 하여 가동부재의 위치를 산정하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    제어부는 가진원을 연속적으로 압축공간으로 입사되도록 하여, 시간에 따른 냉매의 공진주파수 및 가동부재의 위치를 산정하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치.
  8. 제4항에 있어서,
    제어부는 신호 생성부로 하여금 가동부재의 특정위치에 대응하는 단일 주파수를 적어도 지닌 가진원을 생성하도록 하고, 주파수 특성에 포함된 주파수가 단일 주파수와 동일한지를 판단하여 가동부재의 특정위치를 확인하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치.
  9. 제8항에 있어서,
    제어부는 냉매에 대하여 반사파의 주파수와 가동부재의 위치(L) 간의 관계 데이터를 기준으로 하여 가동부재의 위치에 대응하는 단일 주파수를 설정하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 가동부재 위치검출장치.
  10. 내부에 냉매가 압축 및 흡입되는 압축공간을 포함하는 고정부재와;
    고정부재 내부에서 축방향으로 왕복직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와;
    압축공간에 소정의 가진원을 입사시키고, 이에 따른 반사파를 수신하여 반사파에 따라 가동부재의 위치(L)를 산정하거나 확인하는 위치검출부로 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  11. 제10항에 있어서,
    냉매에 대하여 반사파의 특정 주파수 영역과, 가동부재의 위치(L)는 반비례 관계인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    가진원은 다수의 주파수를 지니고, 위치검출부는 반사파의 에너지 또는 전력 스펙트럼으로부터 최소 에너지 또는 전력에 대응하는 주파수를 산정하고, 산정된 주파수에 따라 가동부재의 위치를 산정하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    가진원은 가동부재의 위치(L)에 대응하는 단일 주파수를 적어도 지니고, 위치검출부는 반사파의 에너지 또는 전력 스펙트럼으로부터 단일 주파수에서의 반사파의 에너지 또는 전력이 최소인지에 따라 가동부재의 위치(L)를 확인하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
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