KR101466402B1 - 리니어 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 자연 냉력 가변과 강제 냉력 가변을 통하여 필요한 냉력을 공급하는 리니어 압축기 및 이를 이용한 냉각 시스템에 관한 것이다.
본 발명인 리니어 압축기는 냉매가 흡입되는 압축공간과, 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재를 왕복 직선운동시키기 위해, 모터와, 모터에 직렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 모터부와, 부하에 대응하여, 가동부재의 왕복 운동에 의한 자연 냉력 가변을 수행하는 모터 제어부로 이루어진다.

Description

리니어 압축기{LINEAR COMPRESSOR}
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 자연 냉력 가변과 강제 냉력 가변을 통하여 필요한 냉력을 공급하는 리니어 압축기 및 이를 이용한 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 모터는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치인 압축기 등에도 구비되며, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
특히, 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 스크 롤(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.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 모터 제어 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모터 제어 장치는 상용전원인 교류전원을 입력받아 정류하는 출력하는 다이오드 브리지(11)와, 정류된 전압을 평활하는 캐패시터(C1)로 이루어진 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어부(17)로부터의 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터부에 제공하는 인버터부(12)와, 모터(13)와, 모터(13)에 직렬로 연결된 캐패시터(C2)를 포함하는 모터부와, 캐패시터(C1)의 양단 전압을 검출하는 전압 검출부(14)와, 모터부에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부(15)와, 전압검출부(14)로부터의 감지 전압과, 전류 검출부(15)로부터의 감지 전류로부터 역기전력(EMF)을 연산하는 연산부(16) 및, 연산부(16)로부터의 연기전력과, 전류 검출부(15)로부터의 감지 전류를 반영하여, 제어신호를 생성하는 제어부(17)로 이루어진다.
이러한 제어 장치에서, 연산부(16)는 하기의 수학식1에 따라 역기전력을 연산한다.
Figure 112008052731853-pat00001
여기서, L은 모터(13)의 인덕턴스이고, V는 인버터부(12)로의 인가전압이고, R은 모터의 저항값이다.
즉, 연산부(16)는 전류 검출부(5)로부터의 감지 전류에 따라 역기전력(EMF)를 연산하게 된다.
도 2는 도 1의 리니어 압축기의 냉력 가변 그래프이다. 도 2의 그래프는 이러한 모터 제어 장치의 인버터부(12)가 BLDC 인버터를 적용하는 경우에, 필요한 냉력을 획득하기 위해, 제어부(17)가 제어한 결과를 도시한다.
부하인 온도가 상승함에 따라, 제어부(17)는 인버터부(12)를 제어하여, 모터(13)에 인가되는 교류전압을 강제적으로 상승시킴으로써, 부하에 따라 요구되는 냉력을 획득하게 된다. 도시된 바와 같이, 10℃에서 50℃로 온도가 상승함에 따라, 제어부(17)는 4번의 강제 전압 상승 제어를 통하여, 원하는 냉력 또는 냉력비를 획득할 수 있다.
이러한 다수의 강제 전압 상승 제어 또는 강제 전압 하강 제어를 통한 냉력 획득의 경우, 제어부(17)에 의한 다수의 제어가 수행되어야 하며, 이러한 강제 전압 상승 및 하강 제어를 위해, 지속적인 전압 가변으로 인한, 모터 제어 장치 내의 구성부품의 신뢰성이 심각한 문제가 된다. 또한, 이러한 다수의 전압 가변에 대한 보호 장치(보호 회로) 등이 추가적으로 구비되어야 한다.
본 발명은 부하에 대응하는 자연 냉력 가변 제어를 수행하되, 필요에 따라 전원 제어에 의한 강제 냉력 가변 제어를 선택적으로 수행하여 냉각 제어 과정을 단순화시키는 리니어 압축기 및 이를 이용한 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 자연 냉력 가변 제어를 수행하여, 구성부품에 대한 전원 충격 및 구성부품의 단순화를 구현하는 리니어 압축기 및 이를 이용한 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 적어도 하나 이상의 냉각 장치와 연결된 리니어 압축기에서, 특히 필요한 냉력의 편차가 심할 경우에, 단순한 제어와, 적은 개수의 압축기를 사용하여서도 필요한 냉력을 냉각 장치에 공급할 수 있는 리니어 압축기 및 이를 이용한 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 역기전력의 연산 시에, 전류값이 아닌 전압값만을 사용하도록 하는 모터 제어 장치 및 이를 이용한 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전압 감지의 정확도를 향상시키는 모터 제어 장치 및 이를 이용한 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 모터 제어 장치를 이용하여, 실질적으로 고정된 전압 및 주파수 특성을 지닌 전압 또는 가변된 전압 및 주파수 특성을 지닌 전압이 모터에 인 가되도록 하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 모터 제어 장치를 이용하여, 외부 전원이 가변하더라도 일정한 전압 및 일정한 주파수의 출력이 모터에 인가되도록 하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 리니어 압축기는 냉매가 흡입되는 압축공간과, 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재를 왕복 직선운동시키기 위해, 모터와, 모터에 직렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 모터부와, 부하에 대응하여, 가동부재의 왕복 운동에 의한 자연 냉력 가변을 수행하는 모터 제어부로 이루어지고, 모터 제어부는 모터부로 인가되는 전압의 크기 및 주파수를 실질적으로 일정하게 유지하여, 자연 냉력 가변을 수행한다.
또한, 전압의 크기와 전압의 주파수가 각각 일정 범위 내에서 변동하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 리니어 압축기는 냉매가 흡입되는 압축공간과, 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재를 왕복 직선운동시키기 위해, 모터와, 모터에 직렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 모터부와, 냉매 변화에 대응하여, 가동부재의 스트로크가 가변되어 자연 냉력 가변을 수행하는 모터 제어부로 이루어지고, 모터 제어부는 모터부로 인가되는 전압의 크기 및 주파수를 실질적으로 일정하게 유지하여, 자연 냉력 가변을 수행한다.
또한, 모터 제어부는 외부에서 인가되는 상용전원 또는 모터부에 인가되는 전원에 대응하는 전압만을 감지하여 모터부를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 모터 제어부는 모터부로 인가되는 전압의 크기 또는 주파수를 가변하여 강제 냉력 가변을 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 모터 제어부는 모터부로 인가되는 전압의 크기 또는 주파수를 복수의 값들로 가변하여 일정하게 유지하여, 유지된 교류 전압을 모터부에 인가하여 자연 냉력 가변을 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 모터 제어부는 냉각 제어 장치로부터의 냉력 가변 명령에 대응하여, 전압의 크기 또는 주파수를 가변하는 것이 바람직하다.
또한, 모터 제어부는 교류전원을 입력받아 직류 전압으로 출력하는 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터부에 제공하는 인버터부와, 인버터부에 인가되는 전압을 감지하는 제1 전압 검출부와, 캐패시터의 양단 전압, 또는 캐패시터와 접지 간의 전압에 대응하는 전압을 검출하는 제2 전압 검출부와, 제1전압 검출부로부터의 제1전압과, 제2전압 검출부로부터의 제2전압을 인가받아, 제1 및 제2전압에 대응하되 인버터부가 교류 전압의 크기 및 주파수가 실질적으로 일정하도록 하는 제어 신호를 생성하여 인버터부에 인가하는 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 제어부는 제2전압을 검출하는 제2전압 검출부의 샘플링 시간을 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 제어부는 제1 및 제2전압에 대응하는 역기전력을 연산하여, 연산된 역 기전력에 따른 제어 신호를 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 냉각 시스템은 적어도 하나 이상의 냉각 장치와, 냉각 장치에 냉매를 공급하도록 연결되며, 냉각 장치와 함께 냉동 사이클을 형성하는 압축기, 그리고, 냉각 장치와 압축기를 연결하는 냉매 관을 포함하는 냉각 시스템에서, 압축기는 부하에 대응하여 냉력을 자연적으로 가변하는 자연 냉력 가변 제어와, 부하 또는 냉각 제어 명령에 대응하여 냉력을 강제적으로 가변하는 강제 냉력 가변 제어를 수행하여, 냉매를 냉각 장치에 공급한다.
또한, 압축기는 자연 냉력 가변 제어와 강제 냉력 가변 제어를 선택적으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 냉각 장치는 사용자로부터 냉각 제어 명령의 입력을 입력받거나, 냉각 장치에 구비된 냉각 공간에 대한 냉각 필요성에 대응하여 냉각 제어 명령을 생성하여, 압축기로 전송하는 것이 바람직하다.
또한, 리니어 압축기는 냉매가 흡입되는 압축공간과, 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재를 왕복 직선운동시키기 위해, 모터와, 모터에 직렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 모터부와, 모터부로 인가되는 전압의 크기 및 주파수를 실질적으로 일정하게 유지하여 자연 냉력 가변 제어를 수행하고, 인가되는 전압의 크기 또는 주파수를 가변하여 강제 냉력 가변 제어를 수행하는 모터 제어부로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 냉각 시스템은 적어도 하나 이상의 냉각 장치와, 냉각 장치에 냉매를 공급하도록 연결되며, 냉각 장치와 함께 냉동 사이클을 형성하는 리니어 압축기, 그리고, 냉각 장치와 리니어 압축기를 연결하는 냉매 관을 포함하는 냉각 시스템에서, 리니어 압축기는 부하에 대응하여 냉력을 자연적으로 가변하는 자연 냉력 가변 제어만을 수행하여, 냉매를 냉각 장치에 공급하고, 리니어 압축기는 냉매가 흡입되는 압축공간과, 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재를 왕복 직선운동시키기 위해, 모터와, 모터에 직렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 모터부와, 모터부로 인가되는 전압의 크기 및 주파수를 실질적으로 일정하게 유지하여 자연 냉력 가변 제어를 수행하고, 인가되는 전압의 크기 또는 주파수를 가변하여 강제 냉력 가변 제어를 수행하는 모터 제어부로 이루어진 다.
또한, 모터 제어부는 제1 냉력 비율까지는 자연 냉력 가변제어만을 수행하고, 제1 냉력 비율보다 큰 제2 냉력 비율에서는 강제 냉력 가변 제어와 자연 냉력 가변 제어를 동시에 또는 선택적으로 수행하고, 제2냉력 비율보다 큰 제3 냉력 비율에서는 자연 냉력 가변 제어만을 수행하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 통하여, 본 발명은 부하에 대응하는 자연 냉력 가변 제어를 수행하되, 필요에 따라 전원 제어에 의한 강제 냉력 가변 제어를 선택적으로 수행하여 냉각 제어 과정을 단순화시킴과 함께, 인가 전원을 절감하면서도 필요한 냉력을 공급하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 자연 냉력 제어를 수행하여, 구성부품에 대한 전원 충격 및 구성부품의 단순화를 구현하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 적어도 하나 이상의 냉각 장치와 연결된 리니어 압축기에서, 특히 필요한 냉력의 편차가 심할 경우에, 단순한 제어와, 적은 개수의 압축기 를 사용하여서도 필요한 냉력을 냉각 장치들에 안정적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.
이러한 구성의 본 발명은 역기전력의 연산 시에, 전류값이 아닌 전압값만을 사용하도록 하여, 연기전력을 정확하게 연산하여, 모터의 제어를 정확하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 리니어 압축기에 구비된 모터에 실질적으로 고정된 크기 및 주파수 특성을 지닌 전압 또는 가변된 크기 및 주파수 특성을 지닌 전압을 인가하여, 부하에 따라, 냉력이 가변되도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 가변되는 외부 전원의 입력 하에서도 실질적으로 일정한 전압 및 일정한 주파수의 출력이 모터에 인가되도록 하여 리니어 압축기의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 모터 제어 장치의 구성도이다.
도 3에 도시된 모터 제어 장치는 상용전원인 교류전원을 입력받아 정류하는 출력하는 다이오드 브리지(21)와, 정류된 전압을 평활하는 캐패시터(C1)로 이루어 진 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어부(27)로부터의 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터부에 제공하는 인버터부(22)와, 모터(23)와, 모터(23)에 직렬로 연결된 캐패시터(C)를 포함하는 모터부와, 캐패시터(C1)의 양단 전압 또는 분압저항부(R1, R2)의 분압 전압을 검출하는 전압 검출부(24)와, 캐패시터(C)의 양단 전압(Vc) 또는 캐패시터(C)와 접지 간의 전압(V1)을 검출하는 전압 검출부(25)와, 전압검출부(24)로부터의 감지 전압과, 전압 검출부(25)로부터의 감지 전압으로부터 역기전력(EMF)을 연산하는 연산부(26) 및, 연산부(26)로부터의 역기전력과, 전압 검출부(25)로부터의 감지 전압을 반영하여, 제어신호를 생성하는 제어부(27)로 이루어진다. 본 발명에서는 제어부(27)가 역기전력과 감지 전압에 따라, 제어 신호를 생성하는 과정에 대해서는 기재하지 않으나, 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술분야에 익숙한 사람에게는 명백하게 이해되는 정도에 불과하다.
또한, 제어부(27)는 연산부(26)와 단일 소자 또는 회로로 구성될 수도 있다.
먼저, 다이오드 브리지(21)는 일반적인 정류 기능을 수행하는 소자이며, 캐패시터(C1)는 정류된 전압을 평활하는 소자이다.
분압저항부(R1, R2)는 적어도 2개의 직렬 연결된 저항(R1)과 (R2)으로 이루어지고, 다이오드 브리지(21)로부터의 정류된 전압을 분압한다. 일반적으로 다이오드 브리지(21)의 정류된 전압이 수백 내지 수천 볼트(예를 들면, 200∼ 1000V)이기 때문에, 이러한 큰 전압이 연산부(26) 및/또는 제어부(27)에 인가되는 것은 연산부(26) 및 제어부(27)에 과도한 전압인가가 이루어질 수 있으므로, 이러한 분압이 요구된다. 연산부(26) 및 제어부(27)로는 소정의 크기(예를 들면, 약 5V 또는 0.2V)정도의 전압이 인가되는 것이 바람직하고, 저항(R1)은 저항(R2)보다 적어도 수백 내지 수천 배의 저항값을 지니도록 구성한다. 이러한 저항(R1, R2)의 저항값 또는 저항값이 비율은 연산부(26) 및 제어부(27)에 인지되어, 분압 전압에 의해서 직류 링크 전압(Vdc)의 크기를 산정하거나 예측하는 것이 가능하다.
즉, 연산부(26) 및 제어부(27)는 다이오드 정류회로(11)로부터 정류된 전압 또는 그 일부를 판독한다.
다음으로, 인버터부(22)와, 모터부 및 전압 검출부(24)는 본 발명이 속하는 기술분야에 익숙한 사람에게는 용이하게 인식될 수 있는 정도에 불과하므로, 그 기재를 생략한다.
전압 검출부(25)는 캐패시터(C)의 양단 전압 또는 캐패시터(C)와 접지 간의 전압을 검출하되, 특히, 캐패시터(C)와 접지 간의 전압의 일부(즉, 분압 전압)을 검출하여, 검출된 전압(또는 감지 전압)(V2)을 연산부(26) 및 제어부(27)에 인가한다. 이 전압 검출부(25)에 대해서는 하기에서 상세하게 기재된다.
다음으로, 연산부(26)는 전압검출부(24)로부터의 전압과, 전압 검출부(25)로부터의 전압(V2)으로부터 역기전력(EMF)을 연산한다. 이러한 연산은 하기의 수학식들에 따라 이루어진다. 이러한 수학적 연산은 하드웨어적으로, 또는 미들웨어적으로, 및 소프트웨어적으로 구현될 수 있다. 본 실시예는 캐패시터(C)의 양단 전압(Vc)이 검출된 경우에 해당된다.
Figure 112008052731853-pat00002
여기서, i는 모터부에 흐르는 전류이고, C는 캐피시터(C)의 캐패시턴스에 해당된다. 여기서, 캐패시터(C)의 전압(Vc)는 수학식2로부터 수학식3과 같이 변환된다.
Figure 112008052731853-pat00003
수학식3에 따른 전압(Vc)를 수학식1에 대입하면, 하기의 수학식 4과 같다.
Figure 112008052731853-pat00004
여기서, L은 모터(23)의 인덕턴스이고, V는 인버터부(22)로의 인가전압(Vdc)이고, R은 모터의 저항값이다.
여기서, 전압(Vc)는 수학식5의 (1)식과 같이 정의될 수 있으며, 전압(Vc)의 미분값은 수학식5의 (2)식과 같다. 또한, 전압(Vc)의 이중 미분값은 수학식5의 (3)과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112008052731853-pat00005
이러한 수학식5의 정의에 따라, 전압(Vc)의 미분값과, 이중 미분값을 수학식4에 대입하면, 수학식 6과 같다. 여기서, ω는 모터의 운동 주파수이다.
Figure 112008052731853-pat00006
수학식6을 정리하면, 수학식7과 같다.
Figure 112008052731853-pat00007
따라서, 연산부(26) 및 제어부(27)는 캐패시터(C)의 양단 전압(Vc)로부터 역기전력(EMF)를 연산할 수 있게 된다. 특히, 수학식7에서, RCdVc/dt와 같이 미분연산이 요구되나, 역기전력의 연산에서, 그 크기가 다른 값들에 비하여 상대적으로 현저하게 작은 값이므로, 노이즈로부터의 영향이 극히 감소되게 된다.
또한, 역기전력의 연산에서 미분 연산의 중요도가 상당히 낮아지게 되므로, 미분 연산의 정확도가 낮더라도, 역기전력의 연산에 미치는 영향이 적게 되어, 연산부(26)에 구비되는 프로세서(예를들면, 마이크로프로세서 등)의 성능이 상대적으로 낮더라도, 역기전력의 연산을 비교적 정확하게 이루어질 수 있다.
또한, 캐패시터(C)는 외부의 전류 및 노이즈의 급격한 변화에도 그 전압이 급격하게 변화되지 않으므로, 전압(Vc)의 값은 노이즈를 포함하지 않게 되어, 전체적인 역기전력(EMF)의 연산이 노이즈의 영향을 거의 받지 않게 된다.
또한, 제어부(27)는 연산부(26)로부터의 역기전력(EMF)에 특정 상수를 곱하여서 속도를 연산하거나, 속도를 적분하여 변위(예를 들면, 리니어 압축기의 경우, 피스톤의 변위)를 연산할 수도 있다.
또한, 제어부(27)는 널리 알려진 바와 같이, PWM 신호의 생성과, PWM 신호에 대응하는 제어 신호를 생성하게 되며, 이러한 제어 신호에 의해 인버터부(22)를 제 어하게 된다. 이러한 PWM 신호는 전압(Vdc)와의 관계를 통하여 듀비티로 산정될 수도 있음도 널리 알려져 있다. 이러한 제어 신호 및 듀티비를 통하여, 제어부(27)는 냉동 사이클의 경우, 냉력을 조절하게 된다.
도 4 내지 6은 도 3의 전압 검출부의 검출 회로의 제1 내지 제3실시예이다.
도 4는 캐패시터(C)의 양단 전압(Vc)를 직접적으로 검출하는 구성으로서, 전압 검출부(25a)가 IC chip OP amp로 이루어져서, 일반적인 OP amp를 통하여, 전압(Vc)이 검출될 수 있다. 이러한 직접적인 전압(Vc)의 검출은 별도의 전압 연산을 위한 소프트웨어가 요구되지 않는다.
인버터부(22)는 직렬로 연결된 두 쌍의 스위치(SW1, SW2) 및 (SW3, SW4)로 이루어지고, 스위치(SW1)와(SW2) 사이와, 스위치(SW3)와 (SW4) 사이에 모터부가 연결된다. 특히, 스위치(SW1)이 온이고, 스위치(SW2)가 오프인 경우, 스위치(SW3)이 오프이고, 스위치(SW4)가 온으로 동작한다(이하, '제1동작'이라 한다). 또한, 스위치(SW1)이 오프이고, 스위치(SW3)가 온인 경우, 스위치(SW4)이 오프이고, 스위치(SW2)가 온으로 동작한다(이하, '제2동작'이라 한다). 이러한 인버터부(22)의 동작은 하기에서도 동일하게 적용되된다.
또한, 전압 검출부(25a)는 op amp의 동작을 위한 직류 기준 전압(Vcc)(예를 들면, +12V, -12V)이 인가되므로, 일정 전압값만큼 오프셋된다.
도 5 및 6은 도 3의 OP amp의 사용없이, 저가의 저항만을 사용하여, 전압(Vc)에 근접하거나 일치하는 전압을 산정하기 위한 산정하기 위한 전압을 감지하도록 한다. 전압(Vc')는 캐패시터(C)와 접지 간의 전압에 해당된다. 전압 검출 부(25b)는 캐패시터(C)와 접지 간을 연결하는 저항(R)으로 이루어진다.
도 5에서, 인버터부가 제1동작으로 동작하는 경우, 전압(Vc')는 캐패시터의 양단 전압(Vc)와 동일하게 되며, 인버터부가 제2동작으로 동작하는 경우, 전압(Vc')는 (Vc=Vc'-Vdc)로 연산될 수 있다. 이러한 연산 등은 전압 검출부(25)가 전압 검출부(25b)와, 소프트웨어적이거나, 펌웨어적인 연산 수단을 구비함으로 인식되어야 한다.
도 6은 도 5와 달리, 분압 저항부(25c)는 도 5의 전압(Vc')의 분압 전압이 검출될 수 있도록 한다. 분압 저항부(25c)는 캐패시터(C)와 접지 간에 직렬로 연결된 저항(Ra, Rb)과, 저항(Ra) 및 (Rb) 사이와, 직류 기준 전압(Vcc)(예를 들면, 5V, 3.3V)를 연결하는 저항(Rc)로 이루어진다. 전압 검출부(25)는 분압 저항부(25c)에서의 전압(V1)을 감지하게 되고, 전압(V1)은 이러한 분압 저항부(25c)에 의해 오프셋 전압(예를 들면, 2.5V)을 지니게 되어, 전압의 감지 또는 검출이 보다 정확하게 이루어질 수 있다.
도 6에서의 전압(V1)이 검출되며, 전압 검출부(25)는 분압 저항부(25c)와, 소프트웨어적이거나, 펌웨어적인 연산 수단을 구비한다.
도 7 및 8은 도 3의 인버터의 동작 회로도들이다.
도 7은 도 6의 회로가 제1동작으로 동작할 경우의 전류의 흐름(점선 화살표)을 도시하고, 도 8은 도 6의 회로가 제2동작으로 동작할 경우의 전류의 흐름(점선 화살표)을 도시한다.
도 7의 경우나 도 8의 경우에도, 도 5의 상술된 연산과 같은 소프트웨어적이 거나, 펌웨어적인 연산 수단이 구비되어야 한다. 도 6의 전압(V1)을 모두 데이터로 사용하는 것이 실제적으로 어렵기 때문에, 일정한 샘플링 시간 또는 스위칭을 통하여, 전압(V1)을 반영하는 샘플링된 전압(V2)를 사용하게 된다.
또한, 도 5의 전압(Vc')와 도 6의 전압(V1)은 분압 저항부(25c)로 인한 관계(즉, 분압 및 오프셋 전압)가 반영되어야 하므로, 샘플링된 전압(V2)를 분압 저항부(25c)의 분압 비율 및/또는 오프셋 전압이 고려되어, 캐패시터(C)의 양단 전압을 연산할 수 있다.
도 9 내지 11은 감지된 전압의 그래프들이다.
도 9는 캐패시터(C)의 실제적인 양단 전압(Vc)과, 전압(V1)을 함께 도시한다.
도 10은 도 9의 S영역을 확대한 것으로, 전압 검출부(25)가 PWM 신호(switching)에 의해서, 검출된 전압(V1)으로부터 전압(V2)를 샘플링하는 과정을 도시한 것으로서, PWM 신호의 에지에 해당하는 감지 위치에서 전압(V2)을 샘플링하게 된다. 이러한 감지 위치에 해당하는 샘플링 시간(스위칭 시간 또는 주기)은 제어부(27)의 제어 또는 연산 수단 등에 의해 제어될 수 있다. 이러한 샘플링 시간은 전압 검출부(25)가 처리해야 하는 데이터 양에 밀접한 관련이 있으므로, 샘플링 시간의 조절을 통하여, 연산되거나 처리되는 데이터 양을 조절할 수 있다.
도 11은 캐패시터(C)의 양단 전압(Vc)와, 도 10에서 샘플링된 전압(V2)에 대응하는 전압(최종 전압)을 비교한 것이다. 이 샘플링된 전압(V2)에 대응하는 전압(최종 전압)은 전압(V2)를 분압 저항부(25c)의 분압 비율 및 오프셋 전압을 고려하 여, 캐패시터(C)의 양단 전압을 추정한 결과이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 도 6 내지 10에 대응하는 제어 장치를 통하여 캐패시터(C)의 양단 전압으로부터 연산 및 추정된 전압(최종 전압)이 실제의 캐패시터(C)의 양단 전압(Vc)에 거의 일치됨을 알 수 있으며, 이러한 연산 및 추정된 전압을 통하여, 역기전력(EMF)을 연산부(26)가 연산할 수 있게 된다.
상술된 모터 제어 장치는 일반적인 BLDC 모터의 제어 등도 가능할 뿐만 아니라, 압축기 특히, 리니어 압축기의 리니어 모터의 제어에도 적용될 수 있다.
도 3에 도시된 모터 제어 장치는 도 12와 같은 리니어 압축기에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 12에 도시된 바와 같이 밀폐용기(32) 일측에 냉매가 유,출입되는 유입관(32a) 및 유출관(32b)이 설치되고, 밀폐용기(32) 내측에 실린더(34)가 고정되도록 설치되며, 실린더(34) 내부의 압축공간(P)으로 흡입된 냉매를 압축시킬 수 있도록 실린더(34) 내부에 피스톤(36)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되는 동시에 피스톤(36)의 운동방향에 탄성 지지되도록 각종 스프링이 설치되고, 피스톤(36)은 직선 왕복 구동력을 발생시키는 리니어 모터(40)와 연결되도록 설치되되, 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 의존하여 가변되더라도 리니어 모터(40)는 가변되는 부하에 따라 냉력(출력)을 변화시키는 자연 출력 변화를 유도한다.
아울러, 압축공간(P)과 접하고 있는 피스톤(36)의 일단에 흡입밸브(52)가 설치되고, 압축공간(P)과 접하고 있는 실린더(34)의 일단에 토출밸브 어셈블리(54)가 설치되며, 흡입밸브(52) 및 토출밸브 어셈블리(54)는 각각 압축공간(P) 내부의 압력에 따라 개폐되도록 자동적으로 조절된다.
여기서, 밀폐용기(32)는 내부가 밀폐되도록 상,하부 쉘이 서로 결합되도록 설치되고, 일측에 냉매가 유입되는 유입관(32a) 및 냉매가 유출되는 유출관(32b)이 설치되며, 실린더(34) 내측에 피스톤(36)이 왕복 직선 운동 가능하게 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치됨과 아울러 실린더(34) 외측에 리니어 모터(40)가 프레임(48)에 의해 서로 조립되어 조립체를 구성하고, 이러한 조립체가 밀폐용기(32) 내측 바닥면에 지지스프링(59)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.
아울러, 밀폐용기(32) 내부 바닥면에는 소정의 오일이 담겨지고, 조립체 하단에는 오일을 펌핑하는 오일공급장치(60)가 설치됨과 아울러 조립체 하측 프레임(48) 내부에는 오일을 피스톤(36)과 실린더(34) 사이로 공급될 수 있도록 오일공급관(48a)이 형성되며, 이에 따라 오일공급장치(60)는 피스톤(36)의 왕복 직선 운동함에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑하고, 이러한 오일은 오일공급관(48a)을 따라 피스톤(36)과 실린더(34) 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 하도록 한다.
다음, 실린더(34)는 피스톤(36)이 왕복 직선 운동할 수 있도록 중공 형상으로 형성됨과 아울러 일측에 압축공간(P)이 형성되고, 유입관(32a) 내측에 일단이 근접하게 위치된 상태에서 유입관(32a)과 동일 직선상에 설치되는 것이 바람직하다.
물론, 실린더(34)는 유입관(32a)과 근접한 일단 내부에 피스톤(36)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되고, 유입관(32a)과 반대방향 측 일단에 토출밸브 어셈블리(54)가 설치된다.
이때, 토출밸브 어셈블리(54)는 실린더(34)의 일단 측에 소정의 토출공간을 형성하도록 설치되는 토출커버(54a)와, 실린더의 압축공간(P) 측 일단을 개폐하도록 설치되는 토출밸브(54b)와, 토출커버(54a)와 토출밸브(54b) 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 일종의 코일 스프링인 밸브 스프링(54c)으로 이루어지되, 실린더(34)의 일단 내둘레에 오링(R)이 끼움되도록 설치되어 토출밸브(54a)가 실린더(34) 일단을 밀착되도록 한다.
아울러, 토출커버(54a)의 일측과 유출관(32b) 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프(58)가 연결 설치되는데, 루프 파이프(58)는 압축된 냉매가 외부로 토출될 수 있도록 안내할 뿐 아니라 실린더(34), 피스톤(36), 리니어 모터(40)의 상호 작용에 의한 진동이 밀폐용기(32) 전체로 전달되는 것을 완충시켜 준다.
따라서, 피스톤(36)이 실린더(34) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 토출압력 이상이 되면, 밸브 스프링(54c)이 압축되어 토출밸브(54b)를 개방시키고, 냉매가 압축공간(P)으로부터 토출된 다음, 루프 파이프(58) 및 유출관(32b)을 따라 완전히 외부로 토출된다.
다음, 피스톤(36)은 유입관(32a)으로부터 유입된 냉매가 유동될 수 있도록 냉매유로(36a)가 중앙에 형성되고, 유입관(32a)과 근접한 일단이 연결부재(47)에 의해 리니어 모터(40)가 직접 연결되도록 설치됨과 아울러 유입관(32a)과 반대방향 측 일단에 흡입밸브(52)가 설치되며, 피스톤(36)의 운동방향으로 각종 스프링에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.
이때, 흡입밸브(52)는 박판 형상으로 중앙부분이 피스톤(36)의 냉매유로(36a)를 개폐시키도록 중앙부분이 일부 절개되도록 형성되고, 일측이 피스톤(36a)의 일단에 스크류에 의해 고정되도록 설치된다.
따라서, 피스톤(36)이 실린더(34) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 압축공간(P)의 압력이 토출압력보다 더 낮은 소정의 흡입압력 이하가 되면, 흡입밸브(52)가 개방되어 냉매가 압축공간(P)으로 흡입되고, 압축공간(P)의 압력이 소정의 흡입압력 이상이 되면, 흡입밸브(52)가 닫힌 상태에서 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
특히, 피스톤(36)은 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치되는데, 구체적으로 유입관(32a)과 근접한 피스톤(36)의 일단에 반경방향으로 돌출된 피스톤 플랜지(36b)가 코일 스프링 등과 같은 기계 스프링(38a,38b)에 의해 피스톤(36)의 운동방향으로 탄성 지지되고, 유입관(32a)과 반대방향 측 압축공간(P)에 포함된 냉매가 자체 탄성력에 의해 가스 스프링으로 작용하여 피스톤(36)을 탄성 지지하게 된다.
여기서, 기계 스프링(38a,38b)은 부하와 상관없이 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지되, 기계 스프링(38a,38b)은 피스톤 플랜지(36b)를 기준으로 리니어 모터(40)에 고정되는 소정의 지지프레임(56)과 실린더(34)에 각각 축방향으로 나란하게 설치되는 것이 바람직하며, 지지프레임(56)에 지지되는 기계 스프링(38a)과 실린더(34)에 설치되는 기계 스프링(38a)이 동일한 기계 스프링 상수(Km)를 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.
하지만, 가스 스프링은 부하에 의존하는 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가지되, 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, 기계 스프링 상수(Km)는 일정한 반면, 가스 스프링 상수(Kg)는 부하에 의존하여 가변되기 때문에 전체 스프링 상수 역시 부하에 의존하여 가변되고, 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 상기 가스 스프링 상수(Kg)에 의존하여 가변된다.
따라서, 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 크게 영향을 받게 된다.
물론, 이 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, 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 가스 스프링 상수(Kg)가 커지도록 산출된다. 리니어 압축기는 부하를 산출하기 위한 센서(압력센서, 온도 센서 등)를 구비할 수 있다.
이때, 이 부하는 실제적으로 응축압에 비례하는 응축온도 및 증발압에 비례하는 증발온도를 측정하고, 응축온도와 증발온도의 차 및 평균온도에 비례하도록 산출된다.
구체적으로, 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)는 다양한 실험을 통하여 결정될 수 있는데, 전체 스프링 상수에 대한 가스 스프링 상수가 차지하는 비율을 높아지도록 하여 부하에 따라 피스톤의 공진주파수가 비교적 넓은 범위에서 변동되도록 할 수 있다.
리니어 모터(40)는 복수개의 라미네이션(42a)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임(48)에 의해 실린더(34) 외측에 고정되도록 설치되는 이너 스테이터(42)와, 코일이 감겨지도록 구성된 코일 권선체(44a) 주변에 복수개의 라미네이션(44b)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임(48)에 의해 실린더(34) 외측에 이너 스테이터(42)와 소정의 간극을 두고 설치되는 아웃터 스테이터(44)와, 이너 스테이터(42)와 아웃터 스테이터(44) 사이의 간극에 위치되어 피스톤(36)과 연결부재(47)에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석(46)으로 이루어지되, 코일 권선 체(44a)는 이너 스테이터(42) 외측에 고정되도록 설치될 수도 있다.
리니어 모터(40)는 상술된 모터(23)의 일 실시예에 해당되는 것으로, 캐패시터(C)는 코일 권선체(44a)에 직렬로 연결되는 것이다.
제어부(27)는 상술된 바와 같이, 역기전력을 산정하여, 그에 따라 인버터부(22)를 제어하되, 일정한 크기와 주파수를 지닌 교류 전압이 모터(23)(즉, 리니어 모터(40))에 인가되도록 함으로써, 변동가능성이 있는 외부 전원의 변동에 의한 출력 변동을 방지할 뿐만 아니라, 부하(예를 들면, 저부하, 중부하, 고부하, 과부하 등)에 따라 피스톤(36)의 왕복행정 거리가 자동적으로 조절되도록 하여, 상술된 자연 출력 변화를 야기하게 된다. 즉, 이러한 자연 출력 변화는 저부하에서의 피스톤(36)의 왕복 행정 거리와, 과부하에서의 피스톤(36)의 왕복 행정 거리가 서로 상이하도록 됨으로써 이루어지며, 특히 과부하 시에는 피스톤(36)의 상사점(TDC)까지 왕복 운동하도록 되는 것이 바람직하다. 제어부(27)가 전압의 크기와 주파수를 일정하게 유지함에 있어서, 인버터(22)를 정확하게 제어할지라도, 인버터(22) 내부의 노이즈 또는 인버터(22)와 모터(23) 간의 도선에서의 저항 등에 의한 노이즈 등 다양한 요인에 의해 모터(23)에 인가되는 전압의 크기와 주파수에 변동이 야기될 수도 있다. 다만, 이러한 전압의 크기와 주파수의 변동이 예를 들면, 전압의 크기가 ±2% 내에서 변동하거나, 전압의 주파수가 ±1% 내에서 변동하는 정도는 자연 출력 변화에 미치는 영향이 적기 때문에, 이러한 정도도 일정한 크기와 주파수를 지닌 것으로 간주되어야 한다. 이에, 본 명세서에서는, 모터(23)에 인가되는 전압이 실질적으로 일정한 크기와 주파수를 지니는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 캐패시터(C)는 코일 권선체(44a)와 함께 모터 제어 장치의 회로적인 운전주파수(fc)를 결정하는 구성요소로서, 여기서, 캐패시터(C)와 코일 권선체(44a)의 각각의 크기는 리니어 모터(40)의 최대 출력(예를 들면, 과부하 시)에서의 고유주파수(fn)와 일치하도록 설계되어야 한다(즉, 공진점 설계). 이때의 고유주파수(fn)는 상술된 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)가 모두 고려되거나, 기계 스프링 상수(Km)가 작도록 하고 가스 스프링 상수(Kg)가 고유주파수(fn)에 미치는 영향이 크도록 하는 것 등으로 미리 예측되어 사용된다. 이러한 설계는 최대 출력이 요구되는 부하가 요구되는 경우, 리니어 모터(40)의 피스톤(36)이 상사점(TDC)까지 왕복운동을 수행하도록 하고, 이 최대 출력 이하의 부하에서는 리니어 모터(40)의 피스톤(36)의 부하에 대응하여 왕복운동을 수행하도록 하기 위한 것이다. 즉, 부하에 따른 자연 출력 변화가 수행된다.
도 13 내지 16은 도 12의 리니어 압축기의 냉각 용량 그래프들이다.
도 13은 도 12의 리니어 압축기에서, 특정 크기 및 주파수를 지닌 교류 전압을 인버터부(22)가 모터(23)에 인가한 경우이다. 즉, 특정 크기 및 주파수가 고정 유지되는 경우(실질적으로 일정한 크기 및 주파수를 유지하는 경우)의 냉각 용량 그래프이다. 상술된 자동 출력 변화(즉, 자연 냉력 가변)는 도 13에 도시된 냉각 용량 그래프에서 명확하게 인식될 수 있다. 즉, 냉각 용량 그래프는 부하(온도, 주위 온도 등)(즉, 냉장고의 부하)에 따라, 냉각 용량이 변화되고 있음을 도시하며, 특히 40℃(예를 들면, 과부하 영역) 이후에는 냉각 용량이 거의 일정한 크기를 지 니게 됨을 알 수 있다. 또한, 상술된 바와 같이, 40℃ 이후에는 피스톤(36)이 상사점(TDC)까지 왕복운동하게 되며, 그 이하에서는 부하에 대응하는 왕복 행정 거리로 운동하게 된다. 이러한 자동 출력 변화(즉, 자연 냉력 가변)와 함께, 본 발명에 따른 제어장치에 의한 냉각 용량은 외부 전원이 변동이 되더라도 항상 일정한 크기 및 주파수를 지닌 교류 전압이 리니어 모터(40)에 인가되는 것으로 인하여, 도 13에 도시된 바와 같이, 그래프가 서서히 변화하여 냉각 싸이클이 안정적으로 구동된다. 또한, 자동 출력 변화 및 안정된 냉각 싸이클과 함께, 모터 제어 장치의 회로적 운전주파수(fc)가 최대출력의 고유주파수(fn)와 일치하도록 되어, 최대출력에서 상사점(TDC) 왕복을 수행하여, 냉각 효율이 최대가 된다.
도 14는 도 12의 리니어 압축기의 냉각 용량 그래프이다. 도 14는 제어부(27)가 적어도 3가지의 특징(복수의 상이한 값들인 전압 크기 또는 주파수)을 지닌 교류 전압들을 인버터부(22)가 모터부(23)에 인가하도록 한 경우이다. 즉, 제어부(27)는 중간적인 냉력을 지니는 교류전압에 따른 냉력을 나타내는 그래프(I 선)에 대응하는 자연 냉력 가변 제어를 수행할 수 있으며, I 선에 대응하는 교류전압보다 높은 크기의 교류 전압에 따른 냉력을 나타내는 그래프(II 선)에 대응하는 자연 냉력 가변 제어를 수행할 수 있다. 또한, 제어부(27)는 I 선에 대응하는 교류전압보다 낮은 크기의 교류 전압에 따른 냉력을 나타내는 그래프(III 선)에 대응하는 자연 냉력 가변 제어를 수행할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 제어부(27)는 인버터부(22)에 의해 모터(23)에 인가되는 교류 전압을 가변하여 일정하게 유지하되, 교류 전압의 가변을 통하여, 강제 냉력 가변 제어를 수행하게 되며, 가변된 교류 전압을 일정하게 유지함으로써 가변된 교류 전압에 대응하는 자연 냉력 가변 제어를 수행하게 된다. 즉, 제어부(27)는 기본적으로 자연 냉력 가변 제어를 수행하되, 냉력 필요에 따라 강제 냉력 가변 제어를 수행할 수 있다. 이러한 냉력 필요성은 자연 냉력 가변 제어에 의해 성취될 수 있는 냉력 이상의 냉력이 요구되는 경우에 부하에 대응하여, 강제 냉력 가변 제어가 요구되는 경우이거나, 사용자로부터의 냉력 제어 명령(냉력 증가, 냉력 감소 등)(예를 들면, 특냉 명령, 저냉 명령 등)에 따른 강제 냉력 가변 제어가 요구되는 경우 등을 포함한다.
도 15는 도 12의 리니어 압축기의 냉각 용량 그래프이다. 도 15는 도 14의 I 선과, III 선에 대응하는 교류 전압을 점차적으로 증가시킴으로써, 자연 냉력 가변 제어와, 강제 냉력 가변 제어를 동시에 또는 선택적으로 수행하는 경우(IV 선)입니다.
예를 들면, IV 선의 경과를 보면, 온도가 약 18℃ 이하에서는, 제어부(27)가 자연 냉력 가변 제어만이 수행되도록 하며, 약 18-19℃에서, 이전보다 큰 교류 전압을 인가하여 강제적으로 냉력이 증가되도록 하는 강제 냉력 가변 제어를 수행하되, 이러한 강제 냉력 가변 제어를 수행하는 중에, 자연 냉력 가변 제어가 동시에 또는 선택적으로 수행될 수 있다. 또한, 강제 냉력 가변 제어 시의 증가된 교류전압의 크기 및 주파수가 일정하게 유지되는 구간에서, 즉 약 19-27℃에서는 자연 냉력 가변 제어가 수행되도록 제어부(27)가 인버터부(22)를 제어하게 된다. 즉, 제어 부(27)는 냉각의 필요성에 따라, 또는 부하에 대응하여 자연 냉력 가변 제어와 강제 냉력 가변 제어를 수행한다.
도 16은 도 12의 리니어 압축기의 냉각 용량 그래프이다. 특히, 도 16은 종래의 리니어 압축기의 냉각 용략 그래프(VI 선)(즉, 도 2의 그래프)와, 도 12의 리니어 압축기의 냉각 용량 그래프를 함께 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 그래프 VI 선은 부하에 따라, 냉력 비율을 증가시키기 위해서, 강제 냉력 가변 제어만이 가능하여, 순차적 단계로 모터에 인가되는 교류 전압을 증가시켜야 한다. 이에 따라, 강제 냉력 가변 제어에 의해서만 냉력이 가변되므로, 수회 이상 강제 냉력 가변 제어를 반복적으로 수행해야 한다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 그래프 V 선은 일정 냉력 비율(예를 들면 60%)까지는 자연 냉력 가변 제어만이 수행되도록 하고, 냉력 비율이 60-75%까지는 강제 냉력 가변 제어와 자연 냉력 가변 제어를 동시에 또는 선택적으로 수행하여, 냉력을 증가시키고, 냉력 비율이 75% 이상에서는 자연 냉력 가변 제어만이 수행되도록 하여, 필요한 냉력이 성취되도록 한다. 즉, 강제 냉력 가변 제어를 최소한으로 수행하면서도 원하는 냉력 비율 또는 냉력을 성취할 수 있다.
도 17은 도 3의 리니어 압축기가 적용된 냉각 시스템의 일 예를 나타내는 도면이다. 냉각 시스템(또는 복합 냉각 시스템)은 하나의 실외기(70), 냉각 장치인 김치 냉장고(80), 와인 저장고(90), 냉장고(100)를 포함하며, 냉매가 냉매 관(110) 및 관 연결부(120)를 통하여 실외기(70)와 김치 냉장고(80), 와인 저장고(90), 냉 장고(100) 사이에서 순환한다. 여기서, 냉각 장치는 이러한 냉동 및 냉장 장치 이외에도, 공기조화기와 같이, 냉방 등을 수행하는 장치도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 18은 본 발명에 따른 냉각 시스템을 구성하는 냉동 사이클의 일 예를 나타내는 구성도이다.
실외기(70)는 냉매의 흐름을 따라 어큐뮬레이터(71), 도 12에 따른 리니어 압축기(72), 응축기(73)를 포함한다. 응축기(73)에는 팬(74)이 더 구비될 수 있으며, 어큐뮬레이터(71)는 기상의 냉매가 리니어 압축기(72)로 들어갈 수 있도록 역할한다. 응축기(73)를 나온 냉매는 공급 냉매 관(111)을 통해, 관 연결부(120)로 들어가며, 관 연결부(120)를 거쳐 김치 냉장고(80), 와인 저장고(90) 및 냉장고(100) 중의 하나로 공급된다. 이러한 공급은 밸브(131,132,133)에 의해 제어된다. 김치 냉장고(80), 와인 저장고(90) 및 냉장고(100) 중의 하나를 거친 냉매는 회수 냉매 관(112), 관 연결부(120)를 거쳐 어큐뮬레이터(71)로 회수된다. 관 연결부(120)는 실제로 구비될 수도 있으나, 공급 냉매 관(111), 회수 냉매 관(112) 및/또는 밸브(131,132,133)가 위치하는 가상의 공간으로 이해되어도 좋으며, 실외기(70) 측에 위치할 수도 있다. 한편, 밸브(131,132,133)는 그 제어를 담당하는 제어 유닛(미도시)에 따라 실외기(70) 및/또는 냉장고 측에 위치할 수도 있다. 공급 냉매 관(111) 및 회수 냉매 관(112)을 통해, 김치 냉장고(80), 와인 저장고(90) 및 냉장고(100)가 각각 실외기(70)에 연결되어 있다. 김치 냉장고(80)는 증발기(81)를 구비하며, 와인 냉장고(90)는 증발기(91)와 팬(92)을 구비하고, 냉장고(100)는 증 발기(101A,101B)와 팬(102A,102B)을 구비한다. 냉장고(100)는 냉동실(103)과 냉장실(104)을 구비하며, 증발기(101A)가 냉동실(103)의 냉동에 사용되고, 증발기(101B)가 냉장실(104)의 냉장에 사용된다. 또한, 냉장고(100)는 냉동실(103)에는 제상을 위해 히터(105)와, 냉동실(103) 및 냉장실(104)로의 냉매 공급을 제어하는 밸브(106)를 구비한다. 본 발명의 기본 사상에 벗어나지 않는 범위에서, 냉장 또는 냉동이 가능하다면 본 발명이 김치 냉장고, 와인 냉장고, 냉동실 및 냉장실이 구비된 냉장고에 제한되지 않는다는 것은 당업자에게 자명하다. 또한, 김치 냉장고(80), 와인 저장고(90) 및 냉장고(100) 각각에는 온도의 측정을 위한 온도 센서(87,97,107A,107B)가 구비되어 있다. 한편 실외기(70), 김치 냉장고(80), 와인 저장고(90) 및 냉장고(100)의 작동을 제어하기 하기 위한 제어 유닛(미도시), 이들 간의 신호를 주고 받기 위한 케이블(미도시)이 더 구비된다. 제어 유닛은 냉장고들 및 실외기 각각에 구비되어 좋고, 어느 하나 또는 이들 중 적어도 하나에 구비되는 형태여도 좋다. 제어 유닛의 구성과 작동에 대한 다양한 변형은 하나의 실외기와 복수개의 실내기를 갖춘 에어콘 시스템에서 찾아볼 수 있다. 온도 센서서(87,97,107A,107B)는 고내에 위치하는 것이 일반적이나, 증발기에 위치하여도 좋고, 고내 및 증발기에 위치하여도 좋다.
리니어 압축기(72)는 상술된 도 2 및 도 12에 따른 리니어 압축기가 적용되며, 자연 냉력 가변 제어와 강제 냉력 가변 제어를 수행한다. 또한, 리니어 압축기(72)는 복수개의 리니어 압축기로 구성될 수도 있다.
다음으로, 도 18에 도시된 냉동 사이클의 작동에 대해서 설명한다.
냉동실(103)을 냉각하는 경우에, 리니어 압축기(72)가 작동되고, 응축기(73), 공급 냉매 관(111)을 거쳐 증발기(101A)로 냉매가 공급되고, 회수 냉매 관(112), 어큐뮬레이터(71)를 거쳐 리니어 압축기(72)로 냉매가 순환된다. 이때, 밸브(133)는 개방되고, 밸브(131,132)는 폐쇄되며, 밸브(106)는 냉매가 증발기(101A)로 향하도록 작동된다. 팬(107A)과 팬(74)도 함께 작동될 수 있다. 온도 센서(107A)에 의해 측정되는 온도가 설정된 값(예: -18℃) 이하가 되면, 증발기(101A)로의 냉매 공급이 중단된다.
냉장실(104)을 냉각하는 경우에, 밸브(106)가 냉매가 증발기(101B)로 향하도록 작동되고, 온도 센서(107B)에 의해 측정되는 온도가 설정된 값(예: 3℃) 이하가 되면, 증발기(101B)로의 냉매 공급이 중단된다.
위의 냉장고(100)의 냉각의 경우, 온도 센서(107A, 107B)에 의해 측정된 온도(즉, 부하)에 따라, 리니어 압축기(72)는 자연 냉력 가변 제어를 통해서, 부하에 대응하는 냉력이 성취되도록 한다.
이러한 것은 냉장고, 김치 냉장고(90), 와인 냉장고(80)가 각각 냉각이 필요한 경우에는 리니어 압축기(72)는 자연 냉력 가변 제어만으로도 필요한 냉력을 공급할 수 있다.
각 냉장고의 냉각은 위와 같이 순차적으로 이루어질 수 있으나, 복수개의 냉장고에 대한 냉각이 요청되는 경우(즉, 이전에 필요한 냉력에 비하여 현저하게 높은 냉력이 요청되는 경우)(즉, 냉력의 편차가 큰 경우)에서는, 온도 센서(87,97,107A,107B)에 의해 측정되는 고내의 온도가 설정된 값 이상이 되면, 리니 어 압축기(72)는 각 냉장고에 설치된 냉각 제어 장치(예를 들면, 냉장고의 제어장치, 메인 제어부 등) 또는 전체 냉각 시스템을 관리하는 냉각 제어 장치로부터 냉각 제어 명령을 수신하여, 강제 냉력 가변 제어를 수행하여, 자연 냉각 가변 제어로 성취할 수 없는 냉력을 성취하도록 한다.
도 19는 본 발명에 따른 냉각 시스템의 일 예를 블럭화한 도면이다.
제어 유닛(150)은 리니어 압축기(72), 팬(74), 온도 센서(87,97,107A,107B), 팬(32,42A,42B), 밸브(106,131,132,133)와 연동하여 냉각 시스템을 운전하며, 제어 유닛(150)은 냉각 제어 명령을 사용자의 버튼(152)(예를 들면, 특냉 명령, 저냉 명령 등)(즉, 입력 수단) 조작에 의해 입력받거나, 온도 센서로부터의 감지된 온도에 대응하여 냉각 제어 명령을 생성하여, 리니어 압축기(72)로 전송할 수 있다.
이러한 제어 유닛(150)은 도 18의 각 냉장고(80, 90, 100)에 구비된 냉각 제어 장치 등에 대응될 수도 있고, 이들과 독립적으로 리니어 압축기(72)와 통신하여, 냉각 제어 명령을 전송하는 장치일 수도 있다.
이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예들 및 첨부도면에 기초하여 상세하게 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술되는 청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한되어야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 모터 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 리니어 압축기의 냉력 가변 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 모터 제어 장치의 구성도이다.
도 4 내지 6은 도 3의 전압 검출부의 검출 회로의 제1 내지 제3실시예이다.
도 7 및 8은 도 3의 인버터의 동작 회로도들이다.
도 9 내지 11은 감지된 전압의 그래프들이다.
도 12는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도이다.
도 13 내지 16은 도 12의 리니어 압축기의 냉각 용량 그래프들이다.
도 17은 도 3의 리니어 압축기가 적용된 냉각 시스템의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명에 따른 냉각 시스템을 구성하는 냉동 사이클의 일 예를 나타내는 구성도이다.
도 19는 본 발명에 따른 냉각 시스템의 일 예를 블럭화한 도면이다.

Claims (19)

  1. 냉매가 흡입되는 압축공간과;
    왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와;
    가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과;
    가동부재를 왕복 직선운동시키기 위해, 모터와, 모터에 직렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 모터부와;
    부하에 대응하여, 가동부재의 왕복 운동에 의한 자연 냉력 가변을 수행하는 모터 제어부로 이루어지고,
    모터 제어부는 모터부로 인가되는 전압의 크기 및 주파수를 실질적으로 일정하게 유지하여, 자연 냉력 가변을 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서, 전압의 크기와 전압의 주파수가 각각 일정 범위 내에서 변동하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 냉매가 흡입되는 압축공간과;
    왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와;
    가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과;
    가동부재를 왕복 직선운동시키기 위해, 모터와, 모터에 직렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 모터부와;
    냉매 변화에 대응하여, 가동부재의 스트로크가 가변되어 자연 냉력 가변을 수행하는 모터 제어부로 이루어지고,
    모터 제어부는 모터부로 인가되는 전압의 크기 및 주파수를 실질적으로 일정하게 유지하여, 자연 냉력 가변을 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제3항에 있어서, 전압의 크기와 전압의 주파수가 각각 일정 범위 내에서 변동하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제3항에 있어서, 모터 제어부는 외부에서 인가되는 상용전원 또는 모터부에 인가되는 전원에 대응하는 전압만을 감지하여 모터부를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 모터 제어부는 모터부로 인가되는 전압의 크기 또는 주파수를 가변하여 강제 냉력 가변을 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  7. 제6항에 있어서, 모터 제어부는 모터부로 인가되는 전압의 크기 또는 주파수를 복수의 값들로 가변하여 일정하게 유지하여, 유지된 교류 전압을 모터부에 인가하여 자연 냉력 가변을 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 제6항에 있어서, 모터 제어부는 냉각 제어 장치로부터의 냉력 가변 명령에 대응하여, 전압의 크기 또는 주파수를 가변하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제6항에 있어서, 모터 제어부는 교류전원을 입력받아 직류 전압으로 출력하는 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터부에 제공하는 인버터부와, 인버터부에 인가되는 전압을 감지하는 제1 전압 검출부와, 캐패시터의 양단 전압, 또는 캐패시터와 접지 간의 전압에 대응하는 전압을 검출하는 제2 전압 검출부와, 제1전압 검출부로부터의 제1전압과, 제2전압 검출부로부터의 제2전압을 인가받아, 제1 및 제2전압에 대응하되 인버터부가 교류 전압의 크기 및 주파수가 실질적으로 일정하도록 하는 제어 신호를 생성하여 인버터부에 인가하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 제9항에 있어서, 제어부는 제2전압을 검출하는 제2전압 검출부의 샘플링 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  11. 제9항에 있어서, 제어부는 제1 및 제2전압에 대응하는 역기전력을 연산하여, 연산된 역기전력에 따른 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 적어도 하나 이상의 냉각 장치와, 냉각 장치에 냉매를 공급하도록 연결되며, 냉각 장치와 함께 냉동 사이클을 형성하는 리니어 압축기, 그리고, 냉각 장치와 리니어 압축기를 연결하는 냉매 관을 포함하는 냉각 시스템에서,
    리니어 압축기는 부하에 대응하여 냉력을 자연적으로 가변하는 자연 냉력 가변 제어와, 부하 또는 냉각 제어 명령에 대응하여 냉력을 강제적으로 가변하는 강제 냉력 가변 제어를 수행하여, 냉매를 냉각 장치에 공급하고,
    리니어 압축기는 냉매가 흡입되는 압축공간과, 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재를 왕복 직선운동시키기 위해, 모터와, 모터에 직렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 모터부와, 모터부로 인가되는 전압의 크기 및 주파수를 실질적으로 일정하게 유지하여 자연 냉력 가변 제어를 수행하고, 인가되는 전압의 크기 또는 주파수를 가변하여 강제 냉력 가변 제어를 수행하는 모터 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 리니어 압축기는 자연 냉력 가변 제어와 강제 냉력 가변 제어를 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 냉각 장치는 사용자로부터 냉각 제어 명령의 입력을 입력받거나, 냉각 장치에 구비된 냉각 공간에 대한 냉각 필요성에 대응하여 냉각 제어 명령을 생성하여, 리니어 압축기로 전송하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  15. 제12항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 전압의 크기와 전압의 주파수가 각각 일정 범위 내에서 변동하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  16. 적어도 하나 이상의 냉각 장치와, 냉각 장치에 냉매를 공급하도록 연결되며, 냉각 장치와 함께 냉동 사이클을 형성하는 리니어 압축기, 그리고, 냉각 장치와 리니어 압축기를 연결하는 냉매 관을 포함하는 냉각 시스템에서,
    리니어 압축기는 부하에 대응하여 냉력을 자연적으로 가변하는 자연 냉력 가변 제어만을 수행하여, 냉매를 냉각 장치에 공급하고,
    리니어 압축기는 냉매가 흡입되는 압축공간과, 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재를 왕복 직선운동시키기 위해, 모터와, 모터에 직렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 모터부와, 모터부로 인가되는 전압의 크기 및 주파수를 실질적으로 일정하게 유지하여 자연 냉력 가변 제어를 수행하는 모터 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 전압의 크기와 전압의 주파수가 각각 일정 범위 내에서 변동하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  18. 제6항에 있어서, 모터 제어부는 제1 냉력 비율까지는 자연 냉력 가변제어만을 수행하고, 제1 냉력 비율보다 큰 제2 냉력 비율에서는 강제 냉력 가변 제어와 자연 냉력 가변 제어를 동시에 또는 선택적으로 수행하고, 제2냉력 비율보다 큰 제3 냉력 비율에서는 자연 냉력 가변 제어만을 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  19. 제13항에 있어서, 모터 제어부는 제1 냉력 비율까지는 자연 냉력 가변제어만을 수행하고, 제1 냉력 비율보다 큰 제2 냉력 비율에서는 강제 냉력 가변 제어와 자연 냉력 가변 제어를 동시에 또는 선택적으로 수행하고, 제2냉력 비율보다 큰 제3 냉력 비율에서는 자연 냉력 가변 제어만을 수행하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
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