KR100792052B1 - 냉장고 - Google Patents

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KR100792052B1
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김형열
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 냉장고에 관한 것으로서, 특히 압축기의 고유주파수를 가변시킴으로써 압축기의 운전주파수를 제어하는 냉장고에 관한 것이다.
본 발명인 냉장고는 압축기의 고유 주파수를 연산하여, 이에 대응하는 운전 주파수에 따른 냉매 압축을 수행하는 압축기 제어부와, 냉동 사이클의 증발압력 및 응축압력 중의 적어도 하나를 조절하여, 상기 고유 주파수를 가변시키는 냉장고 제어부로 이루어지고, 운전 주파수를 독립적으로 가변하여 냉력을 조절하고, 소비전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

냉장고{REFRIGERATOR}
도 1은 종래 기술에 따른 냉장고의 압축기 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉장고의 냉동 사이클의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉장고의 개략 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 냉장고의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
16a: 압축기 제어부 25: 응축팬
26: 증발팬 30: 냉장고 제어부
본 발명은 냉장고에 관한 것으로서, 특히 압축기의 고유주파수를 가변시킴으로써 압축기의 운전주파수를 제어하는 냉장고에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고는 냉매가 압축, 응축, 팽창, 증발하는 냉동사이클을 반복하면서 냉동실 또는 냉장실을 저온화시켜 음식물을 일정기간 동안 신선하게 보관할 수 있는 장치이다.
이와 같은 냉장고는 냉매를 고온고압의 기체냉매로 압축시키는 압축기와, 압축기를 통과한 냉매를 고온고압의 액체냉매로 응축시키는 응축기와, 상기 응축기를 통과한 냉매를 저온저압의 액체냉매로 감압시키는 팽창밸브와, 팽창밸브를 통과한 냉매를 저온저압의 기체냉매로 증발시키면서 냉동실 또는 냉장실 내부의 열을 흡수하여 냉동실 또는 냉장실 내부의 온도를 저온으로 유지시키는 증발기를 기본부품으로 하는 냉동사이클로 구성된다.
이러한 냉장고에 압축기로 리니어 압축기를 적용되며, 이 리니어 압축기는 이미 알려진 바와 같이 압축공간이 내부에 형성된 실린더와, 피스톤의 일단이 삽입된 상태에서 왕복 직선 운동하면서 고온고압의 기체냉매로 압축시키게 되는데, 이 피스톤이 리니어 모터와 연결되어 왕복직선 운동하게 된다.
이때, 피스톤은 일정한 기계스프링 상수(Km)를 가진 복수개의 기계스프링 및 압축공간에 포함된 냉매가스에 의해 부하에 따라 가변하는 가스스프링 상수(Kg)를 가지는 가스스프링에 의해 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치된다.
이 피스톤의 고유주파수(fn)는 하기의 수학식1에 따른다.
Figure 112006074393163-pat00001
이때, fn 은 피스톤의 고유주파수이고, Km 및 Kg 는 기계 스프링 상수 및 가스 스프링 상수이며, M은 피스톤의 질량이다.
리니어 압축기는 부하가 가변됨에 따라 피스톤의 고유주파수(fn)가 가변되는 이에 따라, 운전주파수(fc)를 조절하여, 부하에 따라 냉력을 가변하게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 냉장고의 압축기 제어 장치의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기 제어장치는 외부로부터 교류전원을 인가받아 정류 및 평활하여 직류 전원을 공급하는 전원공급부(11)와, 공급된 직류전원을 PWM 신호에 따라 교류 전압으로 변환하여 압축기(13)에 공급하는 인버터부(12)와, 공급된 교류전압을 이용하여 냉매의 압축을 수행하는 압축기(13)(또는 리니어 압축기)와, 압축기(13)에 인가되는 전압/전류를 검출하는 전압/전류 검출부(14)와, 검출된 전압/전류로부터 압축기(13)의 고유 주파수를 연산하는 고유주파수 연산부(15)와, 연산된 고유 주파수를 인가받아, 이에 대응하는 운전 주파수를 결정하고, 이 운전 주파수에 따라 압축기를 동작시키기 위한 PWM 신호를 생성하여 인버터부(12)에 인가하는 압축기 제어부(16)로 이루어진다.
이러한 제어 흐름을 지닌 종래 냉장고의 압축기 제어 장치는 부하에 따라 가변하는 압축기(13)의 고유 주파수에 따라 운전 주파수를 가변하는 동작을 수행하게 되므로, 압축기(13)의 운전 주파수를 독립적으로 가변하여 냉력을 가변하는 것이 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 운전 주파수를 독립적으로 가변하여 냉력을 조절할 수 있는 냉장고를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 압축기의 고유 주파수를 조절하여, 운전 주파수의 변경 범위를 확대시킬 수 있는 냉장고를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 압축기의 운전 주파수의 변경 범위의 확대에 따른 냉력 가변 범위의 확대와, 이에 따른 소비전력의 감소를 성취하는 냉장고를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 냉장고는 압축기의 고유 주파수를 연산하여, 이에 대응하는 운전 주파수에 따른 냉매 압축을 수행하는 압축기 제어부와, 냉동 사이클의 증발압력 및 응축압력 중의 적어도 하나를 조절하여, 상기 고유 주파수를 가변시키는 냉장고 제어부로 이루어진다.
이때, 상기 냉장고 제어부는 냉동 사이클의 증발팬 및 응축팬의 속도를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 증발팬의 속도의 증감은 상기 고유 주파수의 증감에 비례하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 응축팬의 속도의 증감은 상기 고유 주파수의 증감에 반비례하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 압축기를 제어하는 압축기 제어부와, 냉동 사이클을 제어하는 냉장고 제어부로 이루어진 냉장고의 제어 방법은 상기 냉장고 제어부가 상기 압축기의 냉력에 대한 변경을 결정하는 단계와, 상기 결정 단계에 따라, 상기 냉장고 제어부가 상기 냉동 사이클의 증발압력 및 응축압력 중의 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명인 압축기를 제어하는 압축기 제어부와, 냉동 사이클을 제어하는 냉장고 제어부로 이루어진 냉장고의 제어 방법은 상기 냉장고 제어부가 상기 압축기의 고유 주파수를 조절하는 단계와, 상기 압축기 제어부가 상기 조절된 고유 주파수를 연산하는 단계와, 상기 압축기 제어부가 상기 고유 주파수에 대응하는 운전 주파수로 냉매 압축을 수행하는 단계를 포함한다.
이하에서, 본 발명은 본 발명의 실시예들 및 첨부도면에 기초하여 상세하게 설명된다. 그러나, 이하의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
본 발명에서 적용되는 리니어 압축기에서, 부하가 가변되더라도 기계 스프링 상수(Km) 및 피스톤의 질량(M)은 일정한 반면, 가스 스프링 상수(Kg)가 가변되기 때문에 피스톤의 고유주파수(fn)는 부하에 의존하는 가스 스프링 상수(Kg)에 의해 크 게 영향을 받게 된다.
여기서 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 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, 부하는 실제적으로 응축압에 비례하는 응축온도 및 증발압에 비례하는 증발온도를 측정하고, 상기 응축온도와 증발온도의 차 및 평균온도에 비례하도록 산출된다. 본 발명의 냉장고는 부하에 영향을 받는 고유 주파수를, 응축압력(응축온도) 및 증발압력(증발온도)를 조절함으로써, 제어하게 되고, 이렇게 제어된 고유 주파수를 압축기 제어부가 연산 또는 추정하여, 그에 대응하는 운전 주파수를 결정하여 압축기를 제어한다. 결과적으로, 본 발명의 냉장고는 응축압력 및 증발압력을 조절함으로써, 고유주파수 및 운전 주파수를 제어할 수 있게 된다.
또한, 이러한 운전 주파수의 제어를 통하여, 압축기가 제어된 운전 주파수 로 냉매 압축을 수행하게 되므로, 압축기의 냉력/냉력 가변 범위도 아울러 제어할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 냉장고의 냉동 사이클의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 냉장고의 개략 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉장고의 냉동 사이클은 압축기(24)를 통과한 냉매를 고온고압의 액체냉매로 응축시키는 응축부(응축기(21)와, 응축팬(25)으로 이루어짐)와, 응축기(21)를 통과한 냉매를 저온저압의 액체냉매로 감압시키는 팽창밸브(22)와, 팽창밸브(22)를 통과한 냉매를 저온저압의 기체냉매로 증발시키면서 냉동실 또는 냉장실 내부의 열을 흡수하여 냉동실 또는 냉장실 내부의 온도를 저온으로 유지시키는 증발부(증발기(23)와, 증발팬(26)으로 이루어짐)와, 증발기(23)의 냉매를 고온고압의 기체냉매로 압축시키는 압축기(24)(리니어 압축기)로 이루어진다.
이러한 냉동 사이클을 수행하는 냉장고의 개략 구성도가 도 3에 개시된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 압축기(13)의 동작을 제어하는 압축기 제어부(16a)와, 냉장고의 전체 냉동 사이클을 제어하는 냉장고 제어부(30)를 포함한다.
압축기 제어부(16a)는 도 1의 압축기 제어부(16)와 동일한 기능과 이종의 기능을 수행한다.
먼저, 동일한 기능에 대해서 설명하면, 전원공급부(11)와, 인버터부(12)와, 압축기(13)와, 전압/전류 검출부(14)와, 고유 주파수 연산부(15) 각각은 도 1의 대응하는 구성요소와 완전히 동일한 기능을 수행하며, 이와 관련된 압축기 제어 부(16a)의 기능은 도 1의 압축기 제어부(16)의 기능과 동일하다. 즉, 압축기 제어부(16a)는 고유 주파수 연산부(15)로부터 연산되거나 추정된 고유 주파수를 인가받아, 이에 대응하는 운전 주파수를 결정한다. 이러한 운전 주파수의 결정은 압축기 제어부(16a)가 동기화 동작을 위해, 고유 주파수와 동일한 운전 주파수를 선택할 수도 있고, 비동기 동작을 위해 다른 운전 주파수를 선택할 수도 있다. 일반적으로, 압축기 장치가 모듈화되어 설치되는 점과, 압축기 효율을 높이고 신속한 부하의 해소를 위해, 압축기 제어부(16a)는 냉장고 제어부(30)의 제어없이 독립적으로, 동기화를 수행하게 된다.
다음으로, 이종의 기능은 압축기 제어부(16a)가 운전 주파수를 선택 또는 결정한 이후에, 이 운전 주파수를 냉장고 제어부(30)로 송신하는 점이다.
본 실시예에서, 압축기 제어부(16a)는 고유 주파수 연산부(15)를 내부에 포함할 수도 있다.
또한, 냉장고 제어부(30)는 냉동 사이클의 제어 및 냉장고의 다른 기능에 대한 제어를 수행한다. 특히, 냉장고 제어부(30)는 압축기 제어부(16a)로부터 운전 주파수를 수신하며, 이 운전 주파수에 대한 변경 과정을 수행할지를 판단한다. 즉, 운전 주파수에 대한 가변이 요구되는 경우, 또는 압축기(13)의 운전 주파수가 보다 넓은 범위에서 수행되는 것이 요구되는 경우에, 냉장고 제어부(30)는 운전 주파수/고유 주파수에 대한 변경을 수행하게 된다. 종래의 냉장고의 경우, 운전 주파수는 고유 주파수에 영향을 받기 때문에, 고유 주파수가 이일반적인 냉동 사이클에서 가변되는 범위 이상으로 운전 주파수를 가변할 수 없으므로, 운전 주파수가 가변되는 범위는 항상 한정되었다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 냉장고 제어부(30)는 고유 주파수를 인위적으로 가변함으로써 운전 주파수가 가변되는 범위를 보다 더 넓힐 수 있게 된다.
또한, 이러한 운전 주파수 가변 범위의 확대에 따라, 압축기(13)는 이러한 가변된 운전 주파수에 따른 냉매 압축을 수행하므로, 압축기(13)의 냉력 가변 범위도 함께 확대되게 된다.
또한, 저냉력이 요구되는 경우, 압축기(13)가 종래의 운전 주파수보다 더 낮은 운전 주파수로 냉매 압축을 수행할 수 있게 되므로, 압축기(13)의 소비전력을 감소시킬 수 있게 된다.
이러한 운전주파수/고유주파수의 가변을 위해, 냉장고 제어부(30)는 응축팬(25) 및 증발팬(26)을 제어한다. 이러한 제어는 첫번째로, 운전주파수/고유주파수가 응축압력(응축온도)과 증발압력(증발온도)의 차를 이용하여 이루어진다.
먼저, 고유 주파수를 증가시킴으로써, 운전 주파수가 증가되도록 하기 위해서는, 응축압력(응축온도)을 증가시키고, 증발압력(증발온도)를 감소시켜야 하므로, 냉장고 제어부(30)는 응축팬(25)의 회전 속도를 감소시키고, 증발팬(26)의 회전 속도를 증가시키면 된다. 여기서, 고유 주파수/운전 주파수의 증가 정도에 따라 냉장고 제어부(30)는 응축팬(25) 및 증발팬(26)의 회전 속도 정도를 증감시킨다.
또한, 고유 주파수를 감소시킴으로써, 운전 주파수가 감소되도록 하기 위해서는, 응측압력(응축온도)를 감소시키고, 증발압력(증발온도)를 증가시켜야 하므로, 냉장고 제어부(30)는 응축팬(25)의 회전 속도를 증가시키고, 증발팬(26)의 회 전 속도를 감소시키면 된다. 여기서, 고유 주파수/운전 주파수의 감소 정도에 따라 냉장고 제어부(30)는 응축팬(25) 및 증발팬(26)의 회전 속도 정도를 증감시킨다.
이러한 제어 중에, 냉장고 제어부(30)는 응축팬(25) 또는 증발팬(26) 중의 하나만을 제어하여 이러한 효과를 획득할 수도 있다.
또한, 응축압력(응축온도)와 증발압력(증발온도)의 평균값에 따라 고유 주파수를 산정하거나 추정하는 경우에도, 이와 유사한 원리(응축압력(응축온도) 및 증발압력(증발온도)의 증감 제어)로 냉장고 제어부(30)는 응축팬(25)과 증발팬(26)을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 냉장고의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
자세하게는, 단계(S41)에서, 압축기 제어부(16a)는 초기 구동시에 기설정된 운전 주파수에 따른 PWM 신호를 인버터부(12)에 인가하여, 이에 따른 교류 전압으로 압축기(13)를 구동시킨다.
단계(S42)에서, 전압/전류 검출부(14)가 압축기(13)에 인가되는 전압/전류를 검출하고, 고유 주파수 연산부(15)는 이에 따른 고유 주파수를 연산 또는 추정하여 압축기 제어부(16a)에 인가한다.
단계(S43)에서, 압축기 제어부(16a)는 인가된 고유 주파수에 따라 운전 주파수를 결정 또는 선택한다. 동기화 제어를 수행하기 위해서, 압축기 제어부(16a)는 고유 주파수와 같은 운전 주파수를 결정하거나 선택한다.
단계(S44)에서, 압축기 제어부(16a)는 이 결정된 또는 선택된 운전 주파수에 따른 PWM 신호를 인버터부(12)에 인가하여 압축기(13)를 제어한다.
단계(S45)에서, 압축기 제어부(16a)는 결정된 또는 선택된 운전 주파수를 냉장고 제어부(30)로 전송한다.
단계(S46)에서, 냉장고 제어부(30)는 운전주파수에 대하여 변경이 필요한지를 결정한다. 이 운전주파수에 대한 변경이 필요한 것은 압축기(13)의 냉력에 대한 변경이 필요한 것과 동일한 것으로서, 즉 압축기(13)의 냉력에 대한 변경은 압축기(13)의 운전 주파수에 대한 변경과 같다. 따라서, 만약 운전주파수에 대한 변경이 요구되면, 즉 압축기(13)의 냉력에 대한 변경이 요구되면, 단계(S47)로 진행하고, 그렇지 않으면 단계(S42)로 진행한다.
단계(S47)에서, 냉장고 제어부(30)는 운전주파수(즉, 냉력)의 변경 정도 또는 증감에 따라 응축팬(25) 및 증발팬(26)의 속도를 제어한다.
단계(S48)에서, 냉장고 제어부(30)의 응축팬(25) 및 증발팬(26)의 속도 제어에 의해, 응축압력(응축온도) 및 증발압력(증발온도)가 변화되어, 압축기(13)의 고유 주파수가 냉장고 제어부(30)가 원하는 고유 주파수로 조절된다. 이후에, 단계(S42) 내지 단계(S43)에서, 압축기 제어부(16a)는 냉장고 제어부(30)에 의해 제어된 고유 주파수를 인가받아, 이에 대응하는 운전 주파수를 결정하거나 선택하게 됨으로써, 결론적으로 냉장고 제어부(30)는 운전 주파수를 조절하게 되며, 또한, 운전 주파수(즉, 냉력)의 변경 범위 또는 가변 범위를 증가시킬 수 있게 된다.
이러한 구성의 본 발명은 운전 주파수를 독립적으로 가변하여 냉력을 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 압축기의 고유 주파수를 조절하여, 운전 주파수의 변경 범위를 확대시킴으로써, 냉장고 제어부가 원하는 운전 주파수로 압축기가 동작되도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 압축기의 운전 주파수의 변경 범위의 확대에 따른 냉력 가변 범위를 확대시킴으로써 보다 신속하게 부하에 대응하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 특히 저냉력 운전이 요구되는 경우, 종래의 운전 주파수보다 더 낮은 운전 주파수로 냉매 압축이 가능하므로, 압축기의 소비전력을 감소시키는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 압축기의 고유 주파수를 연산하여, 이에 대응하는 운전 주파수에 따른 냉매 압축을 수행하는 압축기 제어부와;
    냉동 사이클의 증발팬 및 응축팬의 속도를 조절하여 냉동 사이클의 증발압력 및 응축압력 중의 적어도 하나 이상을 조절함으로써, 상기 고유 주파수를 가변시키는 냉장고 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉장고.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 증발팬의 속도의 증감은 상기 고유 주파수의 증감에 비례하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  4. 제1항에 있어서, 상기 응축팬의 속도의 증감은 상기 고유 주파수의 증감에 반비례하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  5. 압축기를 제어하는 압축기 제어부와, 냉동 사이클을 제어하는 냉장고 제어부로 이루어진 냉장고의 제어 방법에 있어서,
    상기 냉장고 제어부가 상기 압축기의 냉력에 대한 변경을 결정하는 단계와;
    상기 결정 단계에 따라, 상기 냉장고 제어부가 상기 냉동 사이클의 증발압력 및 응축압력 중의 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함하되, 상기 조절 단계는 상기 냉동 사이클의 증발팬 또는 응축팬의 속도를 조절함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어 방법은 상기 압축기 제어부가 상기 압축기의 고유 주파수를 연산하는 단계와, 상기 압축기 제어부가 상기 고유 주파수에 따른 운전 주파수를 결정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  8. 압축기를 제어하는 압축기 제어부와, 냉동 사이클을 제어하는 냉장고 제어부로 이루어진 냉장고의 제어 방법에 있어서,
    상기 냉장고 제어부가 상기 압축기의 고유 주파수를 조절하는 단계와;
    상기 압축기 제어부가 상기 조절된 고유 주파수를 연산하는 단계와;
    상기 압축기 제어부가 상기 고유 주파수에 대응하는 운전 주파수로 냉매 압축을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 조절 단계는 상기 냉장고 제어부가 상기 냉동 사이클의 증발압력 및 응축압력 중의 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
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