KR101455410B1 - 리니어 압축기의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기의 제어방법에 관한 것으로서, 특히 피스톤의 변위를 정확하게 측정할 뿐 아니라 피스톤의 변위를 원활하게 제어하여 부하에 민감한 냉력을 낼 수 있는 리니어 압축기의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어방법은 피스톤의 스트로크(X)를 가변하여 냉력을 조절하는 리니어 압축기의 제어 방법에 있어서, 상기 제어 방법은 피스톤의 초기 위치로부터 상사점 방향 변위(XTDC)를 제어하는 제1단계와, 피스톤의 초기 위치로부터 하사점 방향 변위(XBDC)를 제어하는 제2단계를 포함하고, 제1단계 또는 제2단계를 독립적으로 또는 교번하여 수행한다.

Description

리니어 압축기의 제어방법 {LINEAR COMPRESSOR}
본 발명은 리니어 압축기의 제어방법에 관한 것으로서, 특히 피스톤의 변위를 정확하게 측정할 뿐 아니라 피스톤의 변위를 원활하게 제어하여 부하에 민감한 냉력을 낼 수 있는 리니어 압축기의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키도록 구성된다.
최근에는 왕복동식 압축기는 구동모터의 회전력을 피스톤의 왕복 직선 운동력으로 전환하기 위하여 크랭크 축 등과 같은 구성부품을 포함하기 때문에 운동전환에 의한 기계적인 손실이 크게 발생되는 문제점이 있는데, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.
이러한 리니어 압축기는 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 리니어 모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없어 압축효율을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 간단하고, 이러한 리니어 모터로 입력되는 전원을 제어하여 그 작동을 제어할 수 있기 때문에 다른 압축기에 비해 소음이 작아 실내에서 사용되는 냉장고 등과 같은 가전기기에 많이 적용된다.
도 1은 일반적인 리니어 압축기의 일예가 일부 도시된 측단면도이다.
일반적인 리니어 압축기는 쉘(미도시) 내측에 프레임(1), 실린더(2), 피스톤(3), 흡입밸브(4), 토출밸브 어셈블리(5), 모터 커버(6), 서포터(7), 백 커버(8), 메인 스프링들(S), 머플러 어셈블리(9), 리니어 모터(10)로 이루어진 구조체가 탄성 지지되도록 설치된다.
실린더(2)가 프레임(1)에 끼움 고정되고, 토출밸브(5a), 토출캡(5b), 토출밸브 스프링(5c)으로 이루어진 토출밸브 어셈블리(5)가 실린더(2)의 일단을 막아주도록 설치되는 반면, 피스톤(3)이 실린더(2) 내측에 삽입되고, 박형의 흡입밸브(4)가 피스톤(2)의 출구(3a)를 개폐시키도록 설치된다.
모터 커버(6)는 리니어 모터(10)의 아우터스테이터(12)를 고정시키기 위하여 리니어 모터(10)의 아우터스테이터(12)를 축방향으로 지지하는 동시에 프레임(1)에 볼트 고정되고, 백 커버(8)는 모터 커버(6)에 결합되되, 모터 커버(6)와 백 커버(8) 사이에는 피스톤(3)의 다른 일단과 연결된 서포터(7)가 메인 스프링들(S)에 의해 축방향으로 탄성 지지되도록 설치되고, 냉매를 흡입시키는 머플러 어셈블리(9) 역시 서포터(7)와 같이 체결된다.
이때, 메인 스프링들(S)은 서포터(7)를 기준으로 상하 및 좌우 대칭되는 위치에 4개의 전방 스프링 및 4개의 후방 스프링을 포함하되, 리니어 모터(10)가 작동됨에 따라 전방 스프링들과 후방 스프링들이 반대로 거동하면서 피스톤(3) 및 서 포터(7)를 완충시킨다. 그 외에도 압축공간(P) 측의 냉매가 일종의 가스 스프링으로 작용하여 피스톤(3) 및 서포터(7)를 완충시킨다.
리니어 모터(10)는 이너스테이터(11)와 아우터스테이터(12) 사이에 간극(Air-gap)을 유지하면서 영구자석(13)이 왕복 직선 운동 가능하도록 설치되되, 영구자석(13)이 연결부재(14)에 의해 피스톤(3)과 연결되도록 설치되고, 이너스테이터(11)와 아우터스테이터(12) 및 영구자석(13) 사이에 상호 전자기력에 의해 영구자석(13)이 왕복 직선 운동하면서 피스톤(3)을 작동시킨다. 이때, 리니어 모터(10)는 마이콤(미도시)에 의해 작동이 제어되는데, 마이콤은 부하에 따라 리니어 모터(10)의 아우터스테이터(12)로 공급되는 전원을 제어할 수 있으며, 그에 따라 냉력을 낼 수 있는 피스톤(3)의 스트로크를 조절할 수 있다.
따라서, 리니어 모터(10)가 작동되면, 피스톤(3) 및 이와 연결된 머플러 어셈블리(9)가 왕복 직선 운동하게 되고, 압축공간(P)의 압력이 가변됨에 따라 흡입밸브(4) 및 토출밸브 어셈블리(5)의 작동이 자동적으로 조절되며, 이와 같은 작동에 의해 냉매가 쉘 측의 흡입관, 백 커버(8)의 개구부, 머플러 어셈블리(9), 피스톤(3)의 흡입구들(3a)을 지나 압축공간(P)으로 흡입되어 압축된 다음, 토출캡(5b), 루프 파이프 및 쉘 측의 유출관을 통하여 외부로 빠져나간다.
도 2는 일반적인 리니어 압축기의 작동에 따른 피스톤의 변위가 도시된 그래프이고, 도 3은 일반적인 리니어 압축기에서 부하에 따른 피스톤의 변위가 도시된 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 초기에 리니어 압축기가 기동되면, 부하를 신속하 게 해소시키기 위하여 피스톤의 스트로크 즉, 전체 변위가 가장 크게 작동되고, 부하가 감소됨에 따라 피스톤의 전체 변위가 단계적으로 줄어들도록 작동된다. 이때, 피스톤의 전체 변위는 리니어 모터로 공급되는 전원 즉, 전압 및 전류를 제어하여 조절할 수 있다. 물론, 부하에 대응되는 피스톤의 전체 변위를 내도록 하기 위하여, 사전에 부하별로 리니어 모터로 입력되는 전압 및 전류를 연산하여 피스톤의 전체 변위를 측정하고, 이와 같은 부하별 전압값 및 전류값이 미리 저장되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 부하가 커질수록 리니어 압축기로 유입되는 냉매의 온도 및 압력이 높아지고, 그에 따라 냉매 가스에 의해 탄성 지지된 피스톤이 하사점 방향으로 밀리게 된 상태에서 피스톤이 왕복 직선 운동하게 된다. 즉, 저부하 운전에서 피스톤의 초기 위치(이하, 초기값)를 기준으로 하면, 저부하보다 중부하에서 피스톤의 초기값이 하사점 방향으로 밀린 상태에서 소정의 스트로크를 가지도록 운전되고, 중부하보다 고부하에서 피스톤의 초기값이 하사점 방향으로 더 밀린 상태에서 소정의 스트로크를 가지도록 운전된다. 물론, 리니어 압축기는 직선 운동을 통하여 냉력을 생성시키기 때문에 피스톤의 전체 변위가 냉력을 대변한다.
그러나, 상기와 같은 리니어 압축기의 제어 방법은 미리 입력된 부하별 전압값 및 전류값에 따라 피스톤의 전체 변위를 조절하지만, 부하가 커짐에 따라 피스톤의 초기 위치가 변경되기 때문에 피스톤의 전체 변위를 정확하게 측정하기 어려울 뿐 아니라 부하별로 정확한 피스톤의 변위 제어가 어렵고, 이와 같은 피스톤의 변위 제어의 정밀도 및 신뢰도가 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 리니어 압축기의 제어 방법은 리니어 모터로 공급되는 전 압 및 전류를 연산한 피스톤의 전체 변위를 피스톤의 스트로크로 간주하기 때문에 부하가 클수록 피스톤이 하사점 방향으로 밀리면, 피스톤의 초기값을 기준으로 상사점 방향으로 피스톤의 변위가 줄어들면서 상사점 운전을 못하는 반면, 하사점 방향으로 피스톤의 변위가 늘어난다. 따라서, 부하가 높아짐에 따라 피스톤의 밀림 현상이 발생하면, 피스톤의 초기값을 기준으로 피스톤의 상사점 방향 변위와 피스톤의 하사점 방향 변위 사이에 차이가 많이 나게 되고, 피스톤의 전체 변위의 크기가 정확하게 냉력의 크기를 대변하지 못하게 되며, 부하에 따라 피스톤의 전체 변위를 조절하더라도 신속하게 부하를 해소하기 어려울 뿐 아니라 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 추가적인 센서 장착 없이도 부하 별로 피스톤의 변위를 정밀하게 제어할 수 있는 리니어 압축기의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은 피스톤의 스트로크(X)를 가변하여 냉력을 조절하는 리니어 압축기의 제어 방법에 있어서, 상기 제어 방법은 피스톤의 초기 위치로부터 상사점 방향 변위(XTDC)를 제어하는 제1단계와, 피스톤의 초기 위치로부터 하사점 방향 변위(XBDC)를 제어하는 제2단계를 포함하고, 제1단계 또는 제2단계를 독립적으로 또는 교번하여 수행한다.
또한, 상기 제어 방법은 제1단계 및 제2단계 이전에, 운전 조건에 따른 기저장된 스트로크(X)를 기준으로 하여, 제어할 피스톤의 스트로크(X)를 결정하는 제3단계와, 결정된 피스톤의 스트로크(X)에 따라, 제1단계 또는 제2단계를 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어 방법은 운전 시 운전 조건을 감지하는 제4단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 기저장된 스트로크(X)는 피스톤의 초기위치로부터 상사점 방향 변위(XTDC) 및 하사점 방향 변위(XBDC)로 저장된 것이 바람직하다.
또한, 제4단계에서 운전 조건은 냉매 온도로 판단되는 부하이고, 부하가 작아질수록 피스톤의 스트로크(X)가 작게 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 제1단계에서, 부하에 상관없이 피스톤이 상사점 운전하도록 피스톤의 상사점 방향 변위(XTDC)가 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 제1단계 또는 제2단계에서 피스톤의 상사점 방향 변위(XTDC) 및 피스톤의 하사점 방향 변위(XBDC)를 피스톤에 구동력을 제공하는 리니어 모터로 입력되는 전압 및 전류를 통하여 제어하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어방법은 부하에 대응하는 피스톤의 스트로크를 가지도록 하기 위하여, 피스톤의 초기 위치로부터 상사점 방향 변위 및 하사점 방향 변위를 별도로 제어하기 때문에 부하에 따라 피스톤의 초기 위치가 변경되더라도 피스톤의 전체 변위를 정확하게 측정할 수 있고, 그에 따라 정밀할 뿐 아니라 신뢰성이 높은 피스톤의 변위 제어가 가능해지는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어방법은 부하가 클수록 피스톤이 하사점 방향으로 밀리는 현상이 발생하더라도 피스톤의 초기값을 기준으로 상사점 방향 변위 및 하사점 방향 변위를 별도로 제어하기 때문에 부하에 대응되는 피스톤의 스트로크를 제어하기 용이할 뿐 아니라 피스톤이 상사점 운전하도록 제어할 수 있고, 그에 따라 피스톤의 변위가 냉력의 크기를 대변하도록 하여 신속하게 부하를 해소시킬 뿐 아니라 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 구조가 도시된 구성도이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 일예는 도 4에 도시된 바와 같이 냉매가 유/출입되는 밀폐용기(미도시)와, 밀폐용기 내측에 구비된 실린더(미도시)와, 실린더 내측에서 초기 위치를 기준으로 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이를 왕복 직선 운동하는 피스톤(101)과, 피스톤(101)에 구동력을 제공하는 리니어 모터(102)와, 리니어 모터(102)에 전압 및 전류를 공급하는 전원공급장치(103)와, 전원공급장치(103)의 작동을 제어하는 마이콤(104)으로 이루어지되, 피스톤(101)의 초기 위치를 기준 으로 상사점(TDC) 방향으로 이동되는 변위(XTDC)의 제어와 하사점(BDC) 방향으로 이동되는 변위(XBDC)의 제어를 독립적으로 또는 교번하여 제어하여 부하에 대응하는 냉력을 낼 수 있도록 한다.
마이콤(104)은 사전에 부하에 대응되는 피스톤(101)의 스트로크(X)가 설정되는데, 피스톤(101)의 스트로크(X)를 피스톤(101)의 초기 위치를 기준으로 상사점(TDC) 방향으로 이동된 변위(XTDC)의 최대값 및 하사점(BDC) 방향으로 이동된 변위(XBDC)의 최대값으로 설정될 수 있다. 이때, 피스톤(101)의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC) 및 피스톤(101)의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)는 하기의 수학식 1 및 수학식 2에 따라 연산된다.
Figure 112009001230032-pat00001
Figure 112009001230032-pat00002
이때, 피스톤(101)의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC)는 [수학식 1]에 도시된 바와 같이 피스톤(101)이 상사점(TDC) 방향으로 이동되는 동안 리니어 모터(102)로 공급되는 전압(VTDC) 및 전류(iTDC)에 의해 연산되고, 마찬가지로 피스톤(101)의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)는 [수학식 2]에 도시된 바와 같이 피스톤(101)이 하사점(BDC) 방향으로 이동되는 동안 리니어 모터(102)로 공급되는 전압(VBDC) 및 전류(iBDC)에 의해 연산된다. 물론, 부하가 커질수록 피스톤(101)이 하사점(BDC) 방향으로 밀리게 되더라도, 마이콤(104)은 사전에 부하별로 전원공급장치(103)에서 리니어 모터(102)로 공급되는 전압(VTDC,VBDC) 및 전류(iTDC,iBDC)를 입력받고, 그 입력 전압(VTDC,VBDC) 및 전류(iTDC,iBDC)에 따라 피스톤(101)의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC) 및 피스톤(101)의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)가 별도로 연산되어 저장된다.
따라서, 리니어 압축기의 실제 작동되면, 마이콤(104)은 실제 부하를 냉매 온도 등을 통하여 감지하고, 부하에 대응하도록 피스톤(101)의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC) 및 피스톤(101)의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)를 제어하되, 사전에 입력된 전압(VTDC,VBDC) 및 전류(iTDC,iBDC)를 리니어 모터(102)로 공급할 수 있도록 전원공급장치(103)를 제어한다.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 작동에 따른 피스톤의 변위가 도시된 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 초기에 리니어 압축기가 기동되면, 부하를 신속하게 해소시키기 위하여 피스톤의 스트로크(X) 즉, 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변 위(XTDC) 및 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)가 가장 크게 작동되고, 부하가 감소됨에 따라 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC) 및 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)가 독립적으로 또는 교번하여 단계적으로 줄어들도록 작동된다. 이때, 부하가 클수록, 피스톤을 탄성 지지하는 냉매의 압력이 크기 때문에 피스톤이 초기 위치로부터 하사점(BDC) 방향으로 밀리게 되는 현상이 발생되고, 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)가 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC)보다 훨씬 크게 제어된다. 따라서, 부하가 줄어들수록 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC) 및 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)는 줄어들되, 피스톤의 밀림 현상도 줄어듦에 따라 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC)와 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XTDC)의 차이 값도 역시 줄어들도록 제어된다. 이때, 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC) 및 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)는 사전에 측정 및 연산을 통하여 부하별로 저장된 데이터 즉, 리니어 모터로 공급되는 전압(VTDC,VBDC) 및 전류(iTDC,iBDC)를 조절하여 제어할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 저부하/고부하 운전 시 각각 리니어 모터에 인가되는 전압 및 전류, 피스톤의 변위가 도시된 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 저부하 상태에서 피스톤의 밀림 현상이 거의 일어나지 않기 때문에 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC)와 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)는 일치한다. 반면, 도 7에 도시된 바와 같이, 고부하 상태에서 피스톤의 밀림 현상이 발생하기 때문에 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC)와 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)는 일치하지 않으며, 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)가 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC)보다 크게 제어된다. 이때, 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC)는 피스톤의 초기 위치를 기준으로 피스톤이 상사점(TDC) 방향에 위치할 때, 리니어 모터로 입력되는 전압(VTDC) 및 전류(iTDC)를 제어하여 조절할 수 있고, 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)는 피스톤의 초기 위치를 기준으로 피스톤이 하사점(BDC) 방향에 위치할 때, 리니어 모터로 입력되는 전압(VBDC) 및 전류(iBDC)를 제어하여 조절할 수 있다.
따라서, 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC)의 제어 및 피스톤의 하사점(BDC) 방향 변위(XBDC)의 제어를 독립적으로 또는 교번하여 제어하되, 부하가 커질수록 피스톤의 스트로크(X) 즉, 냉력이 커지도록 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 신속하게 부하를 해소할 뿐 아니라 제어의 정밀도 및 신뢰도를 높일 수 있고, 부하에 상관없이 피스톤을 상사점(TDC)까지 도달하도록 피스톤의 상사점(TDC) 방향 변위(XTDC)를 제어할 수도 있기 때문에 압축 효율을 보다 높일 수 있다.
이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예 및 첨부도면에 기초하여 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.
도 1은 일반적인 리니어 압축기의 일예가 일부 도시된 측단면도.
도 2는 일반적인 리니어 압축기의 작동에 따른 피스톤의 변위가 도시된 그래프.
도 3은 일반적인 리니어 압축기에서 부하에 따른 피스톤의 변위가 도시된 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 구조가 도시된 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 작동에 따른 피스톤의 변위가 도시된 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 저부하 운전 시 리니어 모터에 인가되는 전압 및 전류, 피스톤의 변위가 도시된 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 고부하 운전 시 리니어 모터에 인가되는 전압 및 전류, 피스톤의 변위가 도시된 그래프.

Claims (7)

  1. 피스톤의 스트로크(X)를 가변하여 냉력을 조절하는 리니어 압축기의 제어 방법에 있어서, 상기 제어 방법은
    피스톤의 초기 위치로부터 상사점 방향 변위(XTDC)를 제어하는 제1단계와;
    피스톤의 초기 위치로부터 하사점 방향 변위(XBDC)를 제어하는 제2단계를 포함하고, 제1단계 또는 제2단계를 독립적으로 또는 교번하여 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 방법은 제1단계 및 제2단계 이전에, 운전 조건에 따른 기저장된 스트로크(X)를 기준으로 하여, 제어할 피스톤의 스트로크(X)를 결정하는 제3단계와, 결정된 피스톤의 스트로크(X)에 따라, 제1단계 또는 제2단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 방법은 리니어 압축기의 운전 시 운전 조건을 감지하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    기저장된 스트로크(X)는 피스톤의 초기위치로부터 상사점 방향 변위(XTDC) 및 하사점 방향 변위(XBDC)로 저장된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어방법.
  5. 제3항에 있어서,
    제4단계에서 운전 조건은 냉매 온도로 판단되는 부하이고, 부하가 작아질수록 피스톤의 스트로크(X)가 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어방법.
  6. 제1항에 있어서,
    제1단계에서, 부하에 상관없이 피스톤이 상사점 운전하도록 피스톤의 상사점 방향 변위(XTDC)가 제어되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1단계 또는 제2단계에서 피스톤의 상사점 방향 변위(XTDC) 및 피스톤의 하사점 방향 변위(XBDC)를 피스톤에 구동력을 제공하는 리니어 모터로 입력되는 전압 및 전류를 통하여 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어방법.
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