KR101190069B1 - 압축기 제어 장치 - Google Patents

Abstract

압축기 제어 장치가 개시된다. 본 발명은 압축기 제어 장치를 접지함에 있어서, 아날로그 회로의 접지와 디지털 회로의 접지를 절연함으로써 압축기 제어 장치를 보호한다. 또, 본 발명은 간단한 회로 소자를 이용하여 상용 교류 전원에 의해 구동되는 아날로그 회로와 상용 교류 전원을 변환하여 구동되는 디지털 회로의 접지를 절연함으로써 디지털 회로 내의 제어 유닛을 보호한다.

Description

압축기 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING COMPRESSOR}

본 발명은 교류 스위치를 이용하여 압축기의 운전을 제어하는 압축기 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동 시스템, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등,의 일부분으로 사용된다.

상기 압축기는 크게, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡입 또는 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 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 신회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll Compressor)로 구분된다.

상기 왕복동식 압축기는 내부 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복 운동시킴으로써 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출한다. 상기 왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 크게 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분된다.

상기 레시프로 방식은 회전하는 모터(Motor)에 크랭크샤프트(Crankshaft)를 결합하고, 상기 크랭크샤프트에 피스톤을 결합하여 모터의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 변환하는 방식이다. 반면, 상기 리니어 방식은 직선 운동하는 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.

이러한 왕복동식 압축기는 구동력을 발생하는 전동 유닛과, 전동 유닛으로부터 구동력을 전달받아 유체를 압축하는 압축 유닛으로 구성된다. 상기 전동 유닛으로는 일반적으로 모터를 많이 사용하며, 상기 리니어 방식의 경우에는 리니어 모터를 이용한다.

상기 리니어 모터는 모터 자체가 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계적인 변환 장치가 필요하지 않고, 구조가 복잡하지 않다. 또한, 상기 리니어 모터는 에너지 변환으로 인한 손실을 줄일 수 있고, 마찰 및 마모가 발생하는 연결 부위가 없어서 소음을 크게 줄일 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한, 상기 리니어 방식의 왕복동식 압축기, 이하 리니어 압축기(Linear Compressor)라 한다,를 냉장고나 공기조화기에 이용할 경우에는 리니어 압축기에 인가되는 스트로크 전압을 변경하여 줌에 따라 압축 비(Compression Ratio)를 변경할 수 있어 냉력(Freezing Capacity) 가변 제어에도 사용할 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 왕복동식 압축기, 특히 리니어 압축기,는 피스톤이 실린더 안에서 기구적으로 구속되어 있지 않은 상태에서 왕복 운동을 하게 되기 때문에 갑자기 전압이 과도하게 걸리는 경우에 피스톤이 실린더 벽에 부딪히거나, 부하가 커서 피스톤이 전진하지 못하여 압축이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 부하의 변동이나 전압의 변동에 대하여 피스톤의 운동을 제어하기 위한 제어 장치가 필수적이다.

본 발명의 실시 예들은 전원 노이즈로부터 제어 유닛을 보호하는 압축기 제어 장치를 제공함에 일 목적이 있다.

본 발명의 실시 예들은 상용 교류 전원에 의해 구동되는 아날로그 회로의 접지와 디지털 회로의 접지를 절연하여 디지털 회로 내의 제어 유닛을 보호하는 압축기 제어 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 일 실시 예에 따른 압축기 제어 장치는, 압축기에 전원을 공급하는 상용 전원과 연결되고, 게이트 구동 신호에 따라 구동되어 상기 압축기를 개폐하는 교류 스위치와, 상기 게이트 구동 신호를 발생하는 제어 유닛과, 상기 상용 전원 및 상기 교류 스위치의 아날로그 접지와 상기 제어 유닛의 디지털 접지를 절연하는 절연 회로를 포함하여 구성된다. 또, 상기 압축기 제어 장치는, 상기 절연 회로를 포함하고, 상기 제어 유닛과 상기 교류 스위치의 사이에 구비되어 상기 게이트 구동 신호에 따라 상기 교류 스위치를 구동하는 구동 유닛을 더 포함하여 구성된다.

다른 실시 예에 따른 압축기 제어 장치는, 압축기에 전원을 공급하는 상용 전원과 연결되고, 게이트 구동 신호에 따라 구동되어 상기 압축기를 개폐하는 교류 스위치와, 상기 게이트 구동 신호를 발생하는 제어 유닛과, 상기 상용 전원 및 상기 교류 스위치의 아날로그 접지와 상기 제어 유닛의 디지털 접지를 절연하는 절연 회로와, 상기 압축기에 인가되는 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛과, 상기 압축기에 인가되는 구동 전압을 검출하는 전압 검출 유닛을 포함하여 구성된다.

또 다른 실시 예에 따른 압축기 제어 장치는, 압축기에 전원을 공급하는 상용 전원과 연결되고, 게이트 구동 신호에 따라 구동되어 상기 압축기를 개폐하는 교류 스위치와, 상기 게이트 구동 신호를 발생하는 제어 유닛과, 상기 상용 전원 및 상기 교류 스위치의 아날로그 접지와 상기 제어 유닛의 디지털 접지를 절연하는 절연 회로와, 상기 압축기에 인가되는 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛과, 상기 압축기에 인가되는 구동 전압을 검출하는 전압 검출 유닛과, 상기 구동 전압의 영 전압을 검출하는 영 전압 검출 유닛을 포함하여 구성된다.

본 발명의 실시 예들은 압축기 제어 장치의 접지가 공통으로 연결되어 비절연되는 경우에 발생하는 문제점을 해결함으로써 시스템의 안정성을 제고하고, 사고를 미연에 방지하며, 압축기 운전 효율을 증대한다.

본 발명의 실시 예들은 압축기 제어 장치를 접지함에 있어서, 아날로그 회로의 접지와 디지털 회로의 접지를 절연함으로써 압축기 제어 장치를 보호한다. 또, 본 발명의 실시 예들은 간단한 회로 소자를 이용하여 상용 교류 전원에 의해 구동되는 아날로그 회로와 상용 교류 전원을 변환하여 구동되는 디지털 회로의 접지를 절연함으로써 디지털 회로 내의 제어 유닛을 보호한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 압축기 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도;
도 2는 다른 실시 예에 따른 압축기 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도;
도 3은 실시 예들에 따른 압축기 제어 장치가 압축기를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도;
도 4는 또 다른 실시 예에 따른 압축기 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도;
도 5 및 도 6은 도 1 내지 도 4에서의 압축기 제어 장치에서의 실시 예들에 따른 절연 회로를 도시한 도이다.

본 발명의 실시 예들은 압축기 모터의 스트로크, 전압 또는 주파수를 제어하는 압축기 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예들에 따른 압축기 제어 장치는 상용 전원을 그대로 사용하는 아날로그 회로와 상기 상용 전원을 일정 전압으로 변환하여 사용하는 디지털 회로로 구분되고, 상기 아날로그 회로와 상기 디지털 회로는 서로 절연된다.

먼저, 본 발명의 실시 예들에 따른 압축기 제어 장치가 적용될 왕복동식 압축기, 특히 리니어 압축기의 구성을 간단히 설명한다. 다만, 하기 리니어 압축기의 구성은 필요에 따라, 그 구성요소 중 일부가 변경 또는 삭제되거나, 다른 구성 요소가 추가될 수 있다.

리니어 압축기는 밀폐용기 일측에 냉매가 유입 및 유출되는 유입관 및 유출관이 설치되고, 밀폐용기 내측에 실린더가 고정된다. 실린더 내부의 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축하기 위하여 실린더 내부에 피스톤이 왕복 직선 운동이 가능하게 설치된다. 또, 피스톤의 운동방향에 스프링들이 설치되어 탄성력에 의해 지지된다. 피스톤은 또한 직선왕복 구동력을 발생시키는 리니어 모터와 연결되고, 상기 리니어 모터는 압축용량이 변경되도록 피스톤의 스트로크를 제어한다. 상기 압축공간에 접하고 있는 피스톤의 일단에 흡입밸브가 설치되고, 압축공간과 접하고 있는 실린더의 일단에 토출밸브 어셈블리가 설치된다. 여기서, 흡입밸브 및 토출밸브 어셈블리는 각각 자동적으로 조절되어 압축공간의 내부의 압력에 따라 개폐된다. 밀폐용기는 상, 하부 쉘이 서로 결합되어 내부가 밀폐되고, 그 일측에는 냉매가 유입되는 유입관 및 냉매가 유출되는 유출관이 설치된다. 실린더 내측에 피스톤이 왕복 직선 가능하게 운동방향으로 탄성 지지되고, 실린더 외측에 리니어 모터가 프레임에 의해 서로 조립되어 조립체를 구성한다. 이러한 조립체는 지지스프링에 의해 밀폐용기의 내측 바닥면에 탄성 지지된다. 밀폐용기의 내부 바닥면에는 소정의 오일이 존재한다. 상기 조립체의 하단에는 오일을 펌핑하는 오일공급장치가 설치되고, 조립체의 하측 프레임 내부에는 오일을 상기 피스톤과 실린더 사이로 공급하는 오일공급관이 형성된다. 상기 오일공급장치는 피스톤의 왕복 직선 운동에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑한다. 이러한 오일은 오일공급관을 따라 피스톤과 실린더 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 한다.

실린더는 피스톤이 왕복 직선 운동하도록 중공 현상으로 형성되고, 일측에 압축 공간이 형성되며, 유입관 내측에 일단이 근접하게 위치되어 유입관과 동일한 직선 상에 설치된다. 물론 상기 실린더는 유입관과 근접한 일단 내부에 상기 피스톤이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되고, 유입관과 반대방향 측의 일단에 토출밸브 어셈블리가 설치된다. 상기 토출밸브 어셈블리는 상기 실린더의 소정의 토출공간을 형성하는 토출커버와, 실린더의 압축공간 측 일단을 개폐하는 토출밸브와, 토출커버와 토출밸브 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 일종의 코일 스프링인 밸브 스프링으로 구성된다. 이때, 상기 실린더의 일단 내둘레에 오링을 구비하여 토출밸브가 실린더 일단을 밀착한다. 상기 토출커버의 일측과 유출관 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프가 연결 설치된다. 상기 루프 파이프는 압축된 냉매가 외부로 토출될 수 있도록 안내하고, 상기 실린더, 피스톤, 리니어 모터의 상호 작용에 의한 진동이 상기 밀폐용기 전체로 전달되는 것을 완충시켜 준다. 상기 피스톤에는 냉매유로가 형성되어 유입관으로부터 유입된 냉매가 유동되도록 한다. 상기 유입관과 근접한 일단이 연결부재에 의해 리니어 모터가 직접 연결되도록 설치되고, 상기 유입관과 반대방향 측 일단에 흡입밸브가 설치되며, 피스톤의 운동방향으로 각종 스프링에 의해 탄성 지지되도록 설치된다. 이때, 상기 흡입밸브는 박판 형상으로 중앙부분이 상기 피스톤의 냉매유로를 개폐하도록 중앙 부분이 일부 절개되어 형성되고, 일측이 상기 피스톤의 일단에 스크류에 의해 고정된다.

상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 압축공간의 압력이 토출압력보다 더 낮은 소정의 흡입압력 이하가 되면, 흡입밸브가 개방되어 냉매가 압축공간으로 흡입되고, 압축공간의 압력이 소정의 흡입압력 이상이 되면, 흡입밸브가 닫힌 상태에서 압축공간의 냉매가 압축된다.

리니어 모터는 복수개의 라미네이션(Lamination)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임에 의해 실린더 외측에 고정되도록 설치되는 이너 스테이터(Inner Stator)와, 코일이 감겨지도록 구성된 코일 권선체 주변에 복수개의 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임에 의해 실린더 외측에 이너 스테이터와 소정의 간극을 두고 설치되는 아웃터 스테이터(Outer Stator)와, 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에 위치되어 상기 피스톤과 연결부재에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석으로 구성된다. 여기서, 상기 코일 권선체는 상기 이너 스테이터의 외측에 고정될 수 있다. 리니어 모터에서 상기 코일 권선체에 전류가 인가됨에 따라 전자기력이 발생되고, 발생된 전자기력과 영구자석의 상호작용에 의해 영구자석이 왕복 직선 운동하게 되며, 영구자석과 연결된 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하게 된다.

도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 압축기 제어 장치는, 압축기에 전원을 공급하는 상용 전원(110)과 연결되고, 게이트 구동 신호에 따라 구동되어 상기 압축기를 개폐하는 교류 스위치(120)와, 상기 게이트 구동 신호를 발생하는 제어 유닛(200)과, 상기 상용 전원 및 상기 교류 스위치의 아날로그 접지와 상기 제어 유닛의 디지털 접지를 절연하는 절연 회로를 포함하여 구성된다. 여기서, 교류 스위치(120)는 트라이악(Triac)과 같이 상용 교류 전원에 직접 연결되고, 게이트에 입력되는 신호에 따라 구동되는 소자이다.

상기 압축기 제어 장치는, 상기 절연 회로(310)를 포함하고, 상기 제어 유닛과 상기 교류 스위치의 사이에 구비되어 상기 게이트 구동 신호에 따라 상기 교류 스위치를 구동하는 구동 유닛(300)을 더 포함하여 구성된다.

도 2를 참조하면, 다른 실시 예에 따른 압축기 제어 장치는, 압축기에 전원을 공급하는 상용 전원(110)과 연결되고, 게이트 구동 신호에 따라 구동되어 상기 압축기를 개폐하는 교류 스위치(120)와, 상기 게이트 구동 신호를 발생하는 제어 유닛(200)과, 상기 상용 전원(110) 및 상기 교류 스위치(120)의 아날로그 접지와 상기 제어 유닛(200)의 디지털 접지를 절연하는 절연 회로(411, 412)와, 상기 압축기에 인가되는 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛(410)과, 상기 압축기에 인가되는 구동 전압을 검출하는 전압 검출 유닛(420)을 포함하여 구성된다. 상기 압축기 제어 장치는 상기 절연 회로(310)를 포함하고, 상기 제어 유닛(200)과 상기 교류 스위치(120)의 사이에 구비되어 상기 게이트 구동 신호에 따라 상기 교류 스위치를 구동하는 구동 유닛(300)을 더 포함한다.

도 4를 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 압축기 제어 장치는, 압축기에 전원을 공급하는 상용 전원(110)과 연결되고, 게이트 구동 신호에 따라 구동되어 상기 압축기를 개폐하는 교류 스위치(120)와, 상기 게이트 구동 신호를 발생하는 제어 유닛(200)과, 상기 상용 전원(110) 및 상기 교류 스위치(120)의 아날로그 접지와 상기 제어 유닛(200)의 디지털 접지를 절연하는 절연 회로(411, 412, 510)와, 상기 압축기에 인가되는 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛(410)과, 상기 압축기에 인가되는 구동 전압을 검출하는 전압 검출 유닛(420)과, 상기 구동 전압의 영 전압을 검출하는 영 전압 검출 유닛(500)을 포함하여 구성된다. 상기 압축기 제어 장치는 상기 절연 회로(310)를 포함하고, 상기 제어 유닛과 상기 교류 스위치의 사이에 구비되어 상기 게이트 구동 신호에 따라 상기 교류 스위치를 구동하는 구동 유닛(300)을 더 포함한다.

전류 검출 유닛(410)은 압축기의 부하, 또는 냉동 시스템의 부하,에 따라 압축기에 인가되는 구동 전류를 검출한다. 전류 검출 유닛은 압축기 모터에 인가되는 모터 전류를 검출한다. 전압 검출 유닛(420)은 압축기에 인가되는 구동 전압을 검출한다. 전압 검출 유닛은 압축기의 부하에 따라 압축기 모터의 양단 간에 인가되는 모터 전압을 검출한다.

도 3을 참조하면, 실시 예들에 따른 압축기 제어 장치는 상기 검출된 전류와 전류를 근거로 스트로크를 연산하는 스트로크 추정 유닛(430)을 더 포함한다. 상기 모터전압, 모터전류 및 스트로크와의 관계는 하기와 같다. 스트로크 추정 유닛(430)은 전압 검출 유닛(420)을 통해 검출된 (모터) 전압과, 전류 검출 유닛(410)을 통해 검출된 (모터) 전류를 근거로 하기의 식을 이용해 스트로크를 연산할 수 있다.

여기서, x는 스트로크, α는 모터 상수, Vm은 (모터) 전압, R은 저항, L은 인덕턴스, i는 (모터) 전류를 의미한다.

제어 유닛(200)은 스트로크 지령치를 입력받고, 상기 스트로크 추정 유닛(430)이 연산한 스트로크 추정치와 스트로크 지령치를 비교한다. 제어 유닛은 스트로크 추정치와 스트로크 지령치를 비교하고, 비교 결과에 따라 게이트 구동 신호를 발생한다. 제어 유닛은 일반적으로 센서리스 제어를 수행하는데, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

구동 유닛(300)은 교류 스위치(120)를 구동하는 스위칭 회로 또는 소자로서, 절연 회로(310)를 포함한다. 도 5를 참조하면, 절연 회로(310)는 발광소자와 수광소자로 구성되어 상기 아날로그 접지와 상기 디지털 접지를 전기적으로 절연하고, 광에 의해 신호를 전달하는 소자를 포함한다. 예를 들어, 절연 회로(310)는 포토 커플러(Photo Coupler), 포토 트라이악(Photo Triac) 등일 수 있다.

도 6을 참조하면, 상기 실시 예들에 있어서, 전류 검출 유닛(410), 전압 검출 유닛(420), 영 전압 검출 유닛(500)은 각각 차동 증폭기로 구성될 수 있다. 각 차동 증폭기는 아날로그 회로(100)와 디지털 회로를 절연하도록 형성된다. 차동 증폭기는 아날로그 접지와 디지털 접지를 절연하는 입력 저항(R2, R3)을 구비한다. 입력 저항은, 예를 들어 수 메가 옴 이상의 큰 저항값을 가진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들은 압축기 제어 장치의 접지가 공통으로 연결되어 비절연되는 경우에 발생하는 문제점을 해결함으로써 시스템의 안정성을 제고하고, 사고를 미연에 방지하며, 압축기 운전 효율을 증대한다. 본 발명의 실시 예들은 압축기 제어 장치를 접지함에 있어서, 아날로그 회로의 접지와 디지털 회로의 접지를 절연함으로써 압축기 제어 장치를 보호한다. 또, 본 발명의 실시 예들은 간단한 회로 소자를 이용하여 상용 교류 전원에 의해 구동되는 아날로그 회로와 상용 교류 전원을 변환하여 구동되는 디지털 회로의 접지를 절연함으로써 디지털 회로 내의 제어 유닛을 보호한다.

110: 상용 전원 120: 교류 스위치
130: 압축기 200: 제어 유닛
300: 구동 유닛 310: 절연 회로
410: 전류 검출 유닛 420: 전압 검출 유닛
430: 스트로크 추정 유닛 500: 영 전압 검출 유닛

Claims (7)

1. 압축기에 전원을 공급하는 상용 전원과 연결되고, 게이트 구동 신호에 따라 구동되어 상기 압축기를 개폐하는 교류 스위치;
   상기 게이트 구동 신호를 발생하는 제어 유닛; 및
   상기 상용 전원 및 상기 교류 스위치의 아날로그 접지와 상기 제어 유닛의 디지털 접지를 절연하는 절연 회로;를 포함하는 압축기 제어 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 절연 회로를 포함하고, 상기 제어 유닛과 상기 교류 스위치의 사이에 구비되어 상기 게이트 구동 신호에 따라 상기 교류 스위치를 구동하는 구동 유닛;을 더 포함하는 압축기 제어 장치.
3. 제2 항에 있어서, 상기 절연 회로는,
   발광소자와 수광소자로 구성되어 상기 아날로그 접지와 상기 디지털 접지를 전기적으로 절연하고, 광에 의해 신호를 전달하는 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 장치.
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압축기에 인가되는 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛; 및
   상기 압축기에 인가되는 구동 전압을 검출하는 전압 검출 유닛;을 더 포함하는 압축기 제어 장치.
5. 제4 항에 있어서, 상기 전류 검출 유닛 또는 상기 전압 검출 유닛은,
   상기 아날로그 접지와 상기 디지털 접지를 절연하는 입력 저항을 구비한 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 장치.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 구동 전압의 영 전압을 검출하는 영 전압 검출 유닛;을 더 포함하는 압축기 제어 장치.
7. 제6 항에 있어서, 상기 영 전압 검출 유닛은,
   상기 아날로그 접지와 상기 디지털 접지를 절연하는 입력 저항을 구비한 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 장치.

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