KR101563369B1 - linear compressor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 가동부재가 상사점에 도달하였는지를 신속하게 판단하는 리니어 압축기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a linear compressor and, more particularly, to a linear compressor for quickly determining whether a movable member reaches a top dead center.
본 발명인 리니어 압축기는 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 고정부재 내부에서 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재와 연결되도록 설치되어 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키는 모터부로 이루어지는 기계 유닛과, 교류전원을 입력받아 직류 전압으로 출력하는 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터부에 제공하는 인버터부와, 모터부로 인가되는 인가 전압과, 모터부의 역기전력 간의 각도(θ)에 따라, 가동부재가 상사점에 도달하였는지를 판단하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된다. The linear compressor according to the present invention includes a fixed member including a compression space therein, a movable member for compressing the refrigerant sucked into the compression space while linearly reciprocating in the fixed member, and a movable member installed to elastically support the movable member in the direction of motion of the movable member A mechanical unit comprising at least one spring and a motor unit connected to the movable member for linearly reciprocating the movable member in the axial direction, a rectifying unit for receiving the AC power and outputting it as a DC voltage, And a controller for determining whether the movable member reaches the top dead center in accordance with the angle (?) Between the applied voltage applied to the motor unit and the counter electromotive force of the motor unit, And a control unit.
Description
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 가동부재가 상사점에 도달하였는지를 신속하게 판단하는 리니어 압축기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
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.Generally, a motor is also provided with a compressor, which is a mechanical device that receives power from an electric motor or a power generating device such as an electric turbine and compresses air, refrigerant or various other operating gases to increase the pressure, Or widely used throughout the industry.
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 스크롤(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.Particularly, when such a compressor is broadly classified, a reciprocating compressor (hereinafter, referred to as " compressor ") which compresses the refrigerant while linearly reciprocating the piston inside the cylinder is formed so as to form a compression space in which a working gas is sucked and discharged between the piston and the cylinder A rotary compressor for compressing the refrigerant while eccentrically rotating the roller along the inner wall of the cylinder so as to form a compression space in which a working gas is sucked and discharged between a roller and a cylinder, A scroll compressor for compressing a refrigerant while rotating the orbiting scroll along a fixed scroll so that a compression space in which an operating gas is sucked and discharged is formed between an orbiting scroll and a fixed scroll, ).
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.In recent years, among the reciprocating compressors, in particular, the piston is directly connected to the driving motor which reciprocates linearly, so that there is no mechanical loss due to the switching of the motion.
이러한 종래 기술에 따른 리니어 압축기에서, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하였는지를 판단하는 것은 중요하다. In the linear compressor according to this prior art, it is important to determine whether the piston has reached TDC.
이러한 상사점(TDC) 도달의 판단은 Kgas(가스 스프링 상수)를 이용하며, Kgas의 값을 산정하여, 아래떨림 발생시에서의 조작과 위떨림 발생시에서의 조작을 수행하여 Kgas의 변곡점을 검출한다. 이러한 변곡점에서, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달했었다고 판단된다. The determination of the arrival of the TDC is made using Kgas (gas spring constant), and the value of Kgas is calculated, and the operation at the time of occurrence of the downward tremble and the operation at the time of the occurrence of the disturbance are detected to detect the inflection point of Kgas. At this inflection point, it is judged that the piston has reached the TDC point.
따라서, 종래 기술에 의할 경우, 상사점(TDC) 검출을 위해 다양한 연산이 요구되며, 이러한 검출은 이미 피스톤이 상사전(TDC)을 도달한 이후에 확인되는 문제점이 있다.Thus, according to the prior art, various computations are required for TDC detection, and such detection is problematic after the piston has already reached the phase advance (TDC).
본 발명은 가동부재인 피스톤이 상사점(TDC)에 도달한 시점에 신속하여, 이러한 상태를 판단 및 확인할 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a linear compressor capable of promptly determining and confirming such a state when a piston as a movable member reaches a top dead center (TDC).
또한, 본 발명은 보다 짧은 시간 내에 상사점(TDC)를 감지할 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide a linear compressor capable of detecting a top dead center (TDC) in a shorter time.
본 발명인 리니어 압축기는 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 고정부재 내부에서 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재와 연결되도록 설치되어 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키는 모터부로 이루어지는 기계 유닛과, 교류전원을 입력받아 직류 전압으로 출력하는 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터부에 제공하는 인버터부와, 모터부로 인가되는 인가 전압과, 모터부의 역기전력 간의 각도(θ)에 따라, 가동부재가 상사점에 도달하였는지를 판단하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된다. The linear compressor according to the present invention includes a fixed member including a compression space therein, a movable member for compressing the refrigerant sucked into the compression space while linearly reciprocating in the fixed member, and a movable member installed to elastically support the movable member in the direction of motion of the movable member A mechanical unit comprising at least one spring and a motor unit connected to the movable member for linearly reciprocating the movable member in the axial direction, a rectifying unit for receiving the AC power and outputting it as a DC voltage, And a controller for determining whether the movable member reaches the top dead center in accordance with the angle (?) Between the applied voltage applied to the motor unit and the counter electromotive force of the motor unit, And a control unit.
또한, 제어부는 각도(θ)의 cos값이 증가하다가 감소하는 시점에서 가동부재가 상사점에 도달한 것으로 판단한다.Further, the control unit determines that the movable member has reached the top dead center at the time when the cos value of the angle? Increases and then decreases.
또한, 각도(θ)는 0°- 90°사이에 있는 것이 바람직하다.Further, the angle? Is preferably between 0 and 90 degrees.
또한, 모터부는 코일과 캐패시터를 구비한다.Further, the motor unit includes a coil and a capacitor.
또한, 모터부는 인덕턴스 성분의 소자만을 구비한다.Further, the motor section has only an element having an inductance component.
또한, 제어부는 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부를 구비하고, 전류 감지부로부터의 전류를 적분하되, 적분된 값에 상수(1/Cr)를 곱하여 감쇄 전압을 연산하고, 인가 전압과, 감쇄 전압 간의 차이에 해당되는 교류전압이 생성되도록 하는 제어 신호를 생성하여 인버터부에 인인가한다.In addition, the control unit includes a current sensing unit that senses a current flowing between the motor and the inverter unit. The control unit integrates the current from the current sensing unit, calculates a decay voltage by multiplying the integrated value by a constant (1 / Cr) Generates a control signal for generating an AC voltage corresponding to a difference between the voltage and the attenuation voltage, and generates the control signal to the inverter unit.
또한, 제어부는 인버터부와 모터부 사이에 흐르는 인가 전류와, 모터부의 역기전력 간의 위상각에 따라, 가동부재가 상사점에 도달하였는지를 판단한다.The control unit determines whether the movable member reaches the top dead center in accordance with the phase angle between the applied current flowing between the inverter unit and the motor unit and the counter electromotive force of the motor unit.
또한, 제어부는 위상각이 감소하다가 증가하는 시점에서 가동부재가 상사점에 도달한 것으로 판단한다.Further, the control unit determines that the movable member has reached the top dead center at the time when the phase angle decreases and then increases.
본 발명은 가동부재인 피스톤이 상사점(TDC)에 도달한 시점에 신속하여, 이러한 상태를 판단 및 확인할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of promptly determining and confirming such a state when the piston as the movable member reaches the top dead center (TDC).
또한, 본 발명은 보다 짧은 시간 내에 상사점(TDC)를 감지할 수 있어, 피스톤의 스트로크를 제어하여, 안정적인 압축기 동작이 가능하도록 하는 효과가 있다.Further, according to the present invention, TDC can be sensed within a shorter time, so that the stroke of the piston is controlled to enable stable compressor operation.
이하에서, 본 발명은 실시예와 도면을 통하여 상세하게 설명된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments and drawings.
도 1은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 구성도의 제1실시예이다. 1 is a first embodiment of a control block diagram of a linear compressor according to the present invention.
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(C)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. As shown in FIG. 1, the motor control apparatus includes a rectifying section including a
여기서, 제어부(15)는 우선적으로 부하 또는 냉력에 따라, 필요한 전압이 모터부에 인가될 수 있도록 인버터부(12)에서 생성하는 인가 전압의 크기를 제어한다. Here, the
이러한 제어 장치에서, 연산부(16)는 하기의 수학식1에 따라 역기전력을 연산한다. In this control apparatus, the
여기서, L은 모터(13)의 인덕턴스이고, Vin는 인버터부(12)로의 모터부에 인가되는 교류 전압인 인가 전압이고, R은 모터의 저항값이고, Vc는 캐패시터(C)의 양단 전압에 해당되며, i는 캐패시터(C)에 흐르는 전류 또는 인버터부(12)와 모터(13) 사이에 흐르는 전류에 해당된다. Here, L is the inductance of the
즉, 연산부(16)는 전류 검출부(5)로부터의 감지 전류에 따라 역기전력(EMF)를 연산하게 된다. That is, the
도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구성도이다. 본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 2에 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. 2 is a configuration diagram of a linear compressor according to the present invention. 2, the linear compressor according to the present invention is provided with an
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.A
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.Here, the closed
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.A predetermined oil is contained in the bottom surface of the closed
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 바람직하 다.Next, the
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.Of course, in the
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. The
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.A
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.When the pressure in the compression space P becomes equal to or higher than a predetermined discharge pressure as the
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.Next, the
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.At this time, the
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.Accordingly, when the pressure in the compression space P becomes equal to or lower than a predetermined suction pressure lower than the discharge pressure as the
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.Particularly, the
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 나란 하게 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.Here, the mechanical springs (38a, 38b) will be of a constant mechanical spring constant (K m), regardless of the load, the mechanical spring (38a, 38b) is fixed to the linear motor (40) relative to the piston flange (36b) The
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.However, the gas spring is the to be of a varying gas spring constant (K g), the gas contained in the compression space (P) is the higher the ambient temperature, self-elasticity depending on the pressure of the refrigerant increases, becomes larger depending on the load The gas spring constant (K g ) increases as the load increases.
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.At this time, the mechanical spring constant (K m) is constant, while the gas spring constant (K g) is overall spring constant because variable depending on the load also being variable depending on the load, the piston natural frequency (f n) is also the gas It is varied depending on the spring constant (K g).
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. Therefore, even if the load is variable mechanical spring constant (K m) and the mass (M) of the piston it has a natural frequency of a constant, while the piston since the gas spring constant (K g) variable (f n) is dependent on the load a gas spring Which is greatly affected by the constant (K g ).
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.Of course, this load can be measured in a variety of ways, but since such a linear compressor is configured to be included in a refrigeration / air conditioning cycle in which the refrigerant is compressed, condensed, evaporated and expanded, the load is the condensation pressure It can be defined as the difference in evaporation pressure, which is the pressure at which the refrigerant is evaporated. Further, it is determined in consideration of the average pressure that the condensation pressure and the evaporation pressure are averaged to increase the accuracy.
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. In other words, the load is above is calculated to be proportional to the condensing pressure and the car and the average pressure of the evaporation pressure, the larger the load there is be a gas spring constant (K g) is larger, the larger the difference between the condensing pressure and the evaporation pressure as an example the load increases, even if it is the same difference between the condensing pressure and the evaporation pressure greater the average pressure is calculated so as to increase the load, in response to this load is calculated so as to increase the gas spring constant (K g). The linear compressor may have a sensor (pressure sensor, temperature sensor, etc.) for calculating a load.
이때, 이 부하는 실제적으로 응축압에 비례하는 응축온도 및 증발압에 비례하는 증발온도를 측정하고, 응축온도와 증발온도의 차 및 평균온도에 비례하도록 산출된다.At this time, the load is calculated so as to measure the condensation temperature proportional to the condensation pressure and the evaporation temperature proportional to the evaporation pressure, and to be proportional to the difference between the condensation temperature and the evaporation temperature and the average temperature.
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. More specifically, the mechanical spring constant (K m ) and the gas spring constant (K g ) can be determined through various experiments. The ratio of the gas spring constant to the total spring constant is increased so that the resonance frequency of the piston And can be varied over a relatively wide range.
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 연 결부재(47)에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석(46)으로 이루어지되, 코일 권선체(44a)는 이너 스테이터(42) 외측에 고정되도록 설치될 수도 있다.The
리니어 모터(40)는 상술된 모터(23)의 일 실시예에 해당된다.The
도 3은 도 1의 리니어 압축기에서의 벡터 다이아그램이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 벡터 다이아그램에서 역기전력(emf)과, 인가 전압(Vin)은 각도(θ)를 이루는 관계이다, 3 is a vector diagram in the linear compressor of Fig. 3, the relationship between the counter electromotive force emf and the applied voltage Vin in the vector diagram is an angle?
피스톤(36)이 상사점(TDC)에 가까이 갈수록 가스 스프링 상수(Kg)의 값이 감소하게 되어, 궁극적으로 압축기의 기계 공진 주파수(MK 공진 주파수)의 크기도 감소하게 된다. 이에 따라, 스트로크가 증가되면, 역기전력(emf)의 크기가 증가하게 되고, 역기전력(emf)과, x축(Ri)과의 각도가 작아지게 된다. 따라서, 역기전력(emf)과 인가 전압(Vin) 간의 각도(θ)도 감소하게 된다. 이러한 점에서, 각도(θ)가 작아지다가 커지는 지점 또는 때가 피스톤(36)이 상사점(TDC)에 도달한 때에 해당된다. 이러한 각도(θ)는 하기와 같이, 수학식2로 연산될 수 있다.As the
또한, 각도(θ)는 기구적으로 0<θ<90°의 영역에서 움직이도록 설계된다.Further, the angle? Is designed to move mechanically in the range of 0 <? ≪ 90 占.
도 4는 역기전력과 인가 전압 간의 각도(θ)와, cos 값의 관계 그래프이다. 상술된 바와 같이, 각도(θ)가 가변 가능한 영역 내에서의 cos 값은 0<cos(θ)<1 의 영역 내에서 가변하게 된다. 4 is a graph of a relationship between the angle? Between the counter electromotive force and the applied voltage and the cos value. As described above, the cos value in the region where the angle? Is variable is variable within the range of 0 <cos (?) <1.
도시된 바와 같이, 점(A)에서 피스톤(36)이 상사점(TDC)에 근접한 정도보다, 점(B)에서 피스톤(36)이 상사점(TDC)에 근접한 정도가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이것을 이용하여, 제어부(17)는 인버터부(12)를 제어하여, 인가 전압(Vin)을 증가시켜 스트로크를 증가시킬 때, cos(θ)이 커지다가 작아지는 지점 또는 시점에 피스톤(36)이 상사점(TDC)에 도달하였음을 신속하게 확인할 수 있다. 즉, 제어부(17)는 한 사이클 내에 피스톤(36)의 상사점(TDC) 도달 여부를 확인할 수 있다. As can be seen, it can be seen that the degree of proximity of the
제어부(17)가 신속하게 피스톤(36)의 상사점(TDC) 도달을 감지하여, 상사점을 초과하여 stroke가 증가되어, 토출밸브(54b)와 충돌하게 되는 문제점을 사전에 방지하는 제어를 수행할 수 있게 된다. The
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 구성도의 제2실시예이고, 도 6은 도 5의 제어부의 제어 실시예이다. FIG. 5 is a second embodiment of the control block diagram of the linear compressor according to the present invention, and FIG. 6 is a control block diagram of the control block of FIG.
리니어 압축기의 제어 구성은 상용전원인 교류전원을 입력받아 정류 및 평활하여 출력하는 정류부(21)와, 직류전압을 인가받아 제어부(25)로부터의 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터(23)에 제공하는 인버터부(22)와, 코일(L)을 포함하는 모터(23)와, 모터(23)와 인버터부(22) 또는 모터(23) 내의 코일(L)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 감지부(24)와, 전류 감지부(24)로부터의 감지 전류를 기준으로 하여, 모터(23)에 인가되어야할 모터 인가 전압(Vmotor)을 연산하여, 인 버터부(22)에 이에 대응하는 제어신호를 생성하여 인가하는 제어부(25)와, 정류부(21)로부터의 직류 전압의 크기를 감지하는 전압 감지부(26)로 이루어진다. 다만, 본 제어 구성에서, 제어부(25), 전류 감지부(24), 전압 감지부(26) 등에 필요한 전압을 공급하는 구성에 대해서는, 본 발명이 속하는 기술분야에 익숙한 사람에게는 당연한 기술적 구성에 해당되므로, 그 설명이 생략된다. The linear compressor includes a rectifying
정류부(21)는 일반적인 정류 기능을 수행하는 다이오드 브리지와, 정류된 전압을 평활하는 캐패시터 등을 포함하여 구성된다. The rectifying
인버터부(22)는 직류 전압을 인가받아, 교류 전압을 생성하여 모터(23)에 인가하는 수단으로서, 스위칭 소자인 IGBT 소자와, 제어부(25)로부터의 제어 신호에 따라, IGBT 소자를 온/오프 시키는 gate 제어부 등을 구비하여 구성된다. 인버터부(22)는 본 발명이 속하는 기술분야에 익숙한 사람들에게 당연히 인식되는 정도에 불과하므로, 그 설명이 생략된다.The
모터(23)는 다른 기계적인 구성에서 일반적인 모터와 동일하게 코일(L)을 구비하나, 종래 기술과 달리 캐패시터를 포함하고 있지 않다.The
전류 감지부(24)는 인버터부(22)와 모터(23) 사이의 도선에 흐르는 전류를 감지하거나 모터(23)의 코일(L)에 흐르는 전류를 감지하는 소자이다.The
전압 감지부(26)는 정류부(21)에서 출력되는 직류 전압을 감지하는 소자이다. 이때, 전압 감지부(26)는 전체 직류 전압을 감지할 수도 있고, 일정 비율로 감소된 직류 전압을 감지할 수 있다. The
제어부(25)는 리니어 압축기의 기동 명령을 외부로부터 수신하거나, 교류 상 용 전원이 인가되는 경우에, 기설정된 인가 전압(Vin)이 모터(23)에 인가되도록 하는 제어 신호를 생성하여, 인버터부(22)에 인가한다. 이에 따라, 인버터부(22)는 인가 전압(Vin)에 대응하는 교류 전압을 생성하여 모터(23)에 인가한다. The
이러한 교류 전압의 인가에 의해, 전류 감지부(24)는 인버터부(22)로부터 모터(23)로의 전류(i) 또는 모터(23)의 코일(L)에 흐르는 전류(i)를 감지한다. By the application of the AC voltage, the
제어부(25)는 전류 감지부(24)로부터 전류(i)를 인가받아, 도 4와 같은 처리를 수행한다. The
제어부(25)는 전류 감지부(24)로부터의 전류(i)를 적분하는 적분기(25a)와, 적분된 값에 상수(1/Cr)를 곱하여 감쇄 전압(Vc)을 연산하는 감쇄기(25b)와, 설정된 인가 전압(Vin)과, 감쇄 전압(Vc)의 차를 연산하는 연산부(25c)를 구비한다. 본 실시예에서의 인가 전압(Vin)은 종래 기술의 압축기에서의 인버터부가 인가하는 전압에 해당될 것으로, 리니아 압축기의 제어 알고리즘에 따라 고정 또는 가변하게 된다. The
적분기(25a)와 감쇄기(25b)는 모터(23)에 흐르는 전류(i)를 이용하여, 모터의 코일(L)에 의한 인덕턴스 영향을 감쇄시키는 감쇄 연산부에 대응하는 것이다. 즉, 본 실시예에서는, 모터(23)의 코일(L)에 연결된 캐패시터가 없으므로, 코일(L)에 의한 인덕턴스 영향을 모터(23)에 인가되는 모터 인가 전압(Vmotor)를 제어하여, 감소시키는 것이다. The
또한, 감쇄기(25b)에서의 상수(1/Cr)은 모터(23)의 코일(L)의 크기에 따라 고정설정되거나 가변 설정될 수 있다. 예를 들면, LC 공진 주파수가 압축기의 기계 공진 주파수에 대응하도록 설정될 때, 그에 따라 상수(1/Cr)가 결정될 수도 있다. 또는, 압축기의 기계 공진 주파수보다 높거나 낮게 설정될 경우에도, 그에 따라 상수(1/Cr)이 결정될 수도 있다.The constant 1 / Cr in the
이에 따라, 제어부(25)는 모터 인가 전압(Vmotor)가 연산된 이후에는, 인버터부(22)가 연산된 모터 인가 전압(Vmotor)을 모터(23)에 인가하도록 하는 제어 신호를 생성하여, 인버터부(22)에 인가한다. 즉, 제어부(25)는 감지된 전류(i)를 모터 인가 전압(Vmotor)에 피드백되도록 하여, 캐패시터가 모터(23)에 연결되지 않은 상태에서도, 모터(23)의 운전을 제어할 수 있게 된다. 본 발명에서, 역기전력은 전류(i)에 반영되어 피드백되므로, 별도로 고려되지 않아도 된다. 이후에도, 제어부(25)는 모터 인가 전압(Vmotor)을, 초기 전압인 인가 전압(Vin)과, 인가되는 모터 인가 전압(Vmotor)에 의한 전류를 적분한 감쇄 전압(예를 들면, 인가 전압(Vin)에 의한 제1감쇄 전압 또는 1차적으로 산정된 모터 인가 전압(Vmotor)에 의한 제2감쇄 전압 등등)과의 차이에 따라, 반복적으로 산정하여 인가하도록 한다.Thus, after the motor application voltage Vmotor is calculated, the
부하의 증가에 따라, 필요 전압인 모터 인가 전압(Vmotor)이 증가하게 된다. 본 발명에서는, 필요 전압인 모터 인가 전압(Vmotor)(즉, 최대값)이 직류 전압(Vdc)보다 작은 경우에는 저부하 또는 중부하로 판단된다. 이러한 저부하 또는 중부하의 경우, 인버터부(22)는 이 직류 전압(Vdc) 이내의 크기를 지닌 교류 전압(모터 인가 전압(Vmotor))을 모터(23)에 인가한다. 이에 따라, 제어부(25)는 인버터부(22)로부터 모터(23)에 인가되는 교류 전압의 크기를 조절하여, 필요한 냉력을 유지할 수 있도록 한다. As the load increases, the motor-applied voltage Vmotor, which is a required voltage, increases. In the present invention, when the motor-applied voltage Vmotor (that is, the maximum value), which is a required voltage, is smaller than the DC voltage Vdc, it is determined as a low load or a heavy load. In the case of such a low load or a heavy load, the
또한, 제어부(25)는 인버터부(22)로부터의 모터 인가 전압(Vmotor)의 주파수를 가변함으로써, 예를 들면, 고부하에서 주파수를 증가시킴으로써 필요한 고냉력을 성취할 수도 있다. In addition, the
또한, 도 5의 리니어 압축기의 모터에서의 전기적 등가 회로는 수학식 3과 같다:The electric equivalent circuit in the motor of the linear compressor of Fig.
여기서, Vmotor는 모터 인가 전압이고, R은 모터 코일의 저항값이고, L은 코일의 인덕턴스값이고, i는 모터의 코일에 흐르는 전류이고, e는 역기전력이다. 또한, Vprime=Ri+Ldi/dt로 정의된다. 본 실시예에서, Vmotor는 인버터부(22)의 출력 교류 전압에 해당된다. 여기서도, 역기전력(e)과, 인가 전압(Vin) 간의 각도의 cos 값의 변화에 따라, 제어부(25)는 수학식 2를 이용하여, 피스톤(36)이 상사점(TDC)에 도달하였는지를 판단할 수 있다. Here, Vmotor is the motor-applied voltage, R is the resistance value of the motor coil, L is the inductance value of the coil, i is the current flowing in the coil of the motor, and e is the counter electromotive force. Also, Vprime = Ri + Ldi / dt is defined. In this embodiment, Vmotor corresponds to the output AC voltage of the
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 냉력과 부하의 변화 그래프이다.FIG. 7 is a graph of change in cooling power and load in the linear compressor according to the present invention.
제어부(25)는 가변 가능한 상수(1/Cr)를 저장한다. 도 7에 도시된 바와 같이, Cr(10㎌)인 경우, 리니어 압축기의 냉력은 부하에 대응하여, 가변하고 있음이 확인된다. The
Cr(1/Cr)의 값이 가변됨에 따라, 냉력 가변률이 도 7과 같이 가변되고 있음을 알 수 있다. It can be seen that as the value of Cr (1 / Cr) varies, the cooling power variation rate changes as shown in Fig.
이에 따라, 본 발명에 따른 제어부(25)는 상수(1/Cr)(또는 Cr)를 가변하여 냉력 가변율을 조절할 수 있게 된다. Accordingly, the
Cr이 가변됨에 따라, 저부하에서, 모터 인가 전압(Vmotor)와, 전류(i)의 위상차가 감소하게 되어, 같은 부하에서 더 많은 냉력을 낼 수 있다. 즉, Cr의 값에 의해 LC 공진 주파수가 결정되며, 일정 부하에서의 모터 인가 전압(Vmotor)와 전류(i)의 위상이 결정되는데, 이 때 Cr을 변경하게 되면, 모터 인가 전압(Vmotor)와 전류(i)의 위상이 달라지게 되어, 전체 전력이 달라지게 된다. 곧, 냉력이 커지거나 작아지게 되므로 자연 냉력 가변률이 상이하게 된다. As the Cr is varied, the phase difference between the motor-applied voltage (Vmotor) and the current (i) decreases at a low load, so that more cooling can be exerted under the same load. That is, the LC resonance frequency is determined by the value of Cr, and the phases of the motor-applied voltage (Vmotor) and the current (i) at a constant load are determined. If Cr is changed at this time, The phase of the current i is changed, and the total power is different. Soon, the cooling power becomes larger or smaller, so that the natural cooling power variable rate becomes different.
도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 전압 그래프들이다. 도시된 바와 같이, 인가 전압(Vin)으로부터 전류(i)로부터 연산된 감쇄 전압(Vc)을 감산하여, 실제의 모터 인가 전압(Vmotor)를 연산하게 되며, 이 모터 인가 전압(Vmotor)은 코일(L)에 캐패시터가 직렬로 연결된 회로에서 모터에 인가되는 전압과 동일하게 되어, 리니어 압축기는 냉력 가변 제어될 수 있다. 8 is voltage graphs of a linear compressor according to the present invention. As shown in the figure, the actual motor-applied voltage Vmotor is calculated by subtracting the decaying voltage Vc calculated from the applied voltage Vin from the current i, L, the voltage applied to the motor in the circuit in which the capacitors are connected in series, so that the linear compressor can be controlled to vary the cooling power.
도 9는 가스 스프링 상수(Kg)와, 스트로크 간의 상관 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 스트로크가 증가함에 따라, 가스 스프링 상수(Kg)는 점차 감소하게 되며, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달할 때까지 감소하게 된다. 스트로크가 증가하여 일단 피스톤이 상사점(TDC)을 도과하게 되는 때부터, 가스 스프링 상수(Kg)가 점차 증가한다. 따라서, 이러한 가스 스프링 상수(Kg)가 감소하다가 증가하는 부분이 있는 것을 통하여, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하였다고 판단할 수 있다. 다만, 가스 스프링 상수(Kg)의 연산은 복잡한 과정을 거쳐야 하며, 그 정확도가 높지 않게 된다. 9 is a graph showing a correlation between the gas spring constant (K g ) and the stroke. The, the gas spring constant (K g) as the stroke is increased as shown in Figure 9 is gradually reduced, it is reduced until the piston reaches the top dead center (TDC). As the stroke increases, the gas spring constant (K g ) gradually increases from the moment when the piston first passes the TDC. Thus, through that part to increase while reducing such a gas spring constant (K g), it can be determined that the piston reaches the top dead center (TDC). However, the calculation of the gas spring constant (K g ) must be complicated and its accuracy is not high.
도 10은 위상각(φ)과, 스트로크 간의 상관 그래프이다. 여기서, 위상각(φ)은 모터(23)에 인가되는 인가 전류와, 역기전력 간의 위상차를 의미한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 스트로크가 증가함에 따라, 위상각(φ)이 점차 감소하게 되며, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달할 때까지 감소하게 된다. 스트로크가 증가하여 일단 피스톤이 상사점(TDC)을 도과하게 되는 때부터, 위상각(φ)이 점차 증가한다. 따라서, 이러한 위상각(φ)가 감소하다가 증가하는 부분이 있는 것을 통하여, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하였다고 판단할 수 있다. 전기적 공진 주파수(LC 공진 주파수)와, 기계 공진 주파수 간의 차이에 따라, 위상각(φ)의 최저값(A)이 상이하게 된다. 예를 들면, 전기적 공진 주파수(LC 공진 주파수)와, 기계 공진 주파수가 동일한 경우, 최저값(A)은 '0'이 된다. 10 is a correlation graph between the phase angle phi and the stroke. Here, the phase angle? Means the phase difference between the applied current applied to the
이러한 위상각(φ)의 경우, 제어부(25)가 감지된 인가 전류(i)를 인가받아 역기전력과, 위상각(φ)을 산정할 수 있다. 아울러, 도 1의 제어부(17) 또는 도 5 의 제어부(25)는 위상각(φ)의 크기 변화를 통하여, 즉, 크기가 감소하다가 증가하는 시점에서, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하였다고 판단할 수 있다. 역기전력을 산정하는 과정은 본 발명이 속하는 기술분야에 익숙한 사람에게는 명백하게 인식되는 정도에 불과하여, 그 설명이 생략된다. 또한, 도 1의 제어부(17) 또는 도 5의 제어부(25)는 상술된 각도(θ)의 cos값을 이용하는 것과 유사하게, 위상각(φ)의 sin값 또는 cos값을 이용하여, 상사점(TDC)의 도달 여부를 판단할 수도 있다. In the case of the phase angle phi, the
도 9 및 10의 인가 전류와, 역기전력 간의 위상각(φ)에 의한 상사점 판단 방법은, 상술된 도 3 및 4의 역기전력과 인가 전압 간의 각도(θ)에 의한 상사점 판단 방법을 보완할 수 있다. 예를 들면, 도 1의 제어부(17) 또는 도 5의 제어부(25)는 역기전력과 인가 전압 간의 각도(θ)에 의한 상사점 판단 방법과, 인가 전류와, 역기전력 간의 위상각(φ)에 의한 상사점 판단 방법에서 모두 상사점(TDC)에 도달하였다고 판단될 경우에, 도 1의 제어부(17) 또는 도 5의 제어부(25)가 현재 상태가 상사점(TDC)에 도달하였다고 판단할 수도 있다. 또는 도 1의 제어부(17) 또는 도 5의 제어부(25)는 역기전력과 인가 전압 간의 각도(θ)에 의한 상사점 판단 방법을 기본으로 하여 판단하되, 인가 전류와, 역기전력 간의 위상각(φ)에 의한 상사점 판단 방법에 의한 상태를 고려할 수도 있다. The top dead center determining method by the phase angle phi between the applied current and the counter electromotive force in Figs. 9 and 10 can complement the top dead center determining method by the angle [theta] between the counter electromotive force and the applied voltage in Figs. have. For example, the
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 제한되 어야 한다.The present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention and the accompanying drawings. However, the scope of the present invention is not limited by the above embodiments and drawings, and the scope of the present invention should be limited only by the content of the following claims.
도 1은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 구성도의 제1실시예이다. 1 is a first embodiment of a control block diagram of a linear compressor according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구성도이다.2 is a configuration diagram of a linear compressor according to the present invention.
도 3은 도 1의 리니어 압축기에서의 벡터 다이아그램이다.3 is a vector diagram in the linear compressor of Fig.
도 4는 역기전력과 인가 전압 간의 각도(θ)와, cos 값의 관계 그래프이다.4 is a graph of a relationship between the angle? Between the counter electromotive force and the applied voltage and the cos value.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 구성도의 제2실시예이다. 5 is a second embodiment of the control block diagram of the linear compressor according to the present invention.
도 6은 도 5의 제어부의 제어 실시예이다. 6 is a control example of the control unit of Fig.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 냉력과 부하의 변화 그래프이다.FIG. 7 is a graph of change in cooling power and load in the linear compressor according to the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 전압 그래프들이다.8 is voltage graphs of a linear compressor according to the present invention.
도 9는 가스 스프링 상수(Kgas)와, 스트로크 간의 상관 그래프이다. 9 is a correlation graph between the gas spring constant (Kgas) and the stroke.
도 10은 위상각(φ)과, 스트로크 간의 상관 그래프이다.10 is a correlation graph between the phase angle phi and the stroke.
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