KR20010080811A - 선형압축기의 피스톤 평균 밀림량 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형압축기의 피스톤 평균 밀림량 측정 방법에 관한 것으로, 종래 기술에 있어서 선형압축기의 피스톤은 고정되어 있지 않아 동작 중에 압력을 받게 되고, 이 압력에 의해 평균적으로 초기 위치보다 뒤로 밀려 왕복운동을 하는데, 모터의 전압과 전류를 이용하여 피스톤의 위치를 추정할 경우 피스톤이 평균적으로 어느 정도 밀려 있는지를 감지하지 못하여 피스톤의 위치를 정확히 추정하지 못하는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 증발기 및 압축기의 온도를 측정하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 측정한 온도에 따라 기 설정된 테이블에 의해 흡입압력 및 토출압력을 예측하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에서 예측한 흡입압력 및 토출압력을 이용하여 피스톤의 평균 밀림량을 결정하는 제 3단계로 이루어진 방법을 제공하여, 압축기 및 증발기의 온도를 측정하여 압축기 내의 피스톤이 평균적으로 밀려 있는 양을 결정함으로써, 결정된 피스톤의 평균 밀림량에 따라 압축기를 제어하여 압축기가 일정 압축비를 갖게 함과 아울러 피스톤의 위치를 더 정확히 추정할 수 있게 되어 압축기의 고장을 방지함은 물론, 압축기의 성능 및 효율을 향상하는 효과가 있다.

Description

선형압축기의 피스톤 평균 밀림량 측정 방법{METHOD FOR MEASURING THE AVERAGE PRESSED LENGTH OF PISTON IN LINEAR COMPRESSOR}

본 발명은 선형압축기(Linear Compressor)의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 압축기 및 증발기의 온도를 측정하여 압축기 내의 피스톤이 평균적으로 밀려 있는 양을 결정하는 선형압축기의 피스톤 평균 밀림량 측정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 선형압축기(Linear Compressor)는 기존의 가역 압축기(Recipro Compre ssor)와는 달리 회전 운동을 직선 운동으로 변환할 때 손실이 없어 기존의 가역 압축기보다는 고효율을 갖는다.

하지만, 선형압축기는 피스톤이 고정되어 있지 않아 운행 중에 피스톤 머리가 충돌할 가능성이 있고, 용량을 가변해야 하므로 피스톤 위치 제어가 필요하다.

이 피스톤 위치 제어를 위해 위치 센서를 부착하는 방법 혹은 센서 없이 압축기 모터의 전압과 전류를 이용하여 위치를 감지하는 방법 등이 사용되고 있는데, 위치 센서를 부착할 경우 압축기가 고온,고압의 상태가 되면 취부가 어려워 사용이 용이하지 않아 압축기 모터의 전압과 전류를 이용하여 위치를 알아내는 방법이 주로 사용된다.

도1은 종래 선형압축기의 부분절개도로서, 이에 도시된 바와 같이 입력전원에 대해 전기적 공진하여 자계를 형성하는 권선(1)과; 상기 권선(1)에서 발생한 자계와 반응하여 척력을 전달하는 영구자석(2)과; 상기 권선(1)과 영구자석(2)에서 발생한 자계를 압축기 내부에 가둬 큰 척력이 발생하도록 하는 적층된 철심(3)과; 상기 영구자석(2)에서 발생한 척력으로 상하운동을 하는 피스톤(4)과; 상기 피스톤(4)이 하향으로 척력을 받을 때 압축되었다가 상향으로 척력을 받을 때 상기 피스톤(4)을 밀어내는 스프링(5)과; 가스의 흡입 및 토출이 이루어지는 밸브(6)로 구성되며, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명한다.

전원이 인가되면 권선(1)은 전기적으로 공진하여 자계를 형성하고, 이 자계에 대해 영구자석(2)이 반응하여 척력을 일으키고, 이에 의해 피스톤(4)이 상하운동을 한다.

이때, 적층된 철심(3)은 상기 권선(1)과 영구자석(2)에서 발생한 자계를 압축기 내부에 가둬 큰 척력이 발생하도록 하는 역할을 하고, 스프링(5)은 상기 피스톤(4)이 하향으로 척력을 받을 때 압축되었다가 상향으로 척력을 받을 때 상기 피스톤(4)이 더 큰 힘으로 상하 운동을 하도록 상기 피스톤(4)을 밀어내는 역할을 한다.

그리고, 밸브(6)를 통해 압축기의 동작 중에 가스가 흡입 및 토출된다.

한편, 선형압축기는 피스톤(4)이 고정되어 있지 않아 운행 중에 피스톤(4) 머리가 충돌할 가능성이 있고, 용량을 가변해야 하므로 피스톤(4) 위치 제어가 필요하다.

여기서, 압축기 모터의 전압과 전류를 이용하여 피스톤(4)의 위치를 알아내는 방법을 살펴보면, 역기전력을 포함한 선형모터를 저항(R)과 인덕턴스(L)와 피스톤(4)의 속도에 비례하는 역기전압 성분으로 모형화하여 구현할 수 있으므로, 이를 방정식으로 표현하면 다음의 수학식1과 같다.

여기서, x는 피스톤(4)의 행정거리인 스트로크, L은 모터의 인덕턴스, R은 모터의 권선저항, α는 역기전력상수, i는 모터에 흐르는 전류, V는 모터양단전압이고, 스트로크는 피스톤(4)의 왕복 운동의 행정길이를 나타낸다.

그리고, 상기 수학식1을 스트로크에 대해 정리하면 다음의 수학식2와 같다.

여기서, 상기 수학식2를 회로나 알고리즘으로 구현하여 스트로크를 추정하는데, 이 경우 오프셋(offset)에 의한 적분 오차가 존재하므로, 적분과 동시에 DC 성분은 제거하는 방법으로 스트로크를 추정한다.

그러나, 상기에서와 같이 종래의 기술에 있어서 선형압축기의 피스톤은 고정되어 있지 않아 동작 중에 압력을 받게 되고, 이 압력에 의해 평균적으로 초기 위치보다 뒤로 밀려 왕복운동을 하는데, 모터의 전압과 전류를 이용하여 피스톤의 위치를 추정할 경우 피스톤이 평균적으로 어느 정도 밀려 있는지를 감지하지 못하여 피스톤의 위치를 정확히 추정하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 압축기 및 증발기의 온도를 측정하여 압축기 내의 피스톤이 평균적으로 밀려 있는 양을 결정하도록 하는 선형압축기의 피스톤 평균 밀림량 측정 방법을 제공함에 그목적이 있다.

도1은 종래 선형압축기의 부분절개도.

도2는 도1에서, 선형압축기 내의 변위 변화에 따른 피스톤에 걸리는 압력의 변화를 보인 그래프도.

도3은 본 발명 선형압축기의 피스톤 평균 밀림량 측정 방법의 동작과정을 보인 동작흐름도.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 증발기 및 압축기의 온도를 측정하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 측정한 온도에 따라 기 설정된 테이블에 의해 흡입압력 및 토출압력을 예측하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에서 예측한 흡입압력 및 토출압력을 이용하여 피스톤의 평균 밀림량을 결정하는 제 3단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명 선형압축기의 피스톤 평균 밀림량 측정 방법의 동작과정을 보인 동작흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이 증발기(미도시) 및 압축기(미도시)의 온도센서를 통해 각 부의 온도(Ts,Td)를 측정하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 측정한 온도(Ts,Td)에 따라 흡입/토출압력 예측기(미도시)에서 흡입압력(Ps) 및 토출압력(Pd)을 예측하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에서 예측한 흡입압력(Ps) 및 토출압력(Pd)을 이용하여 피스톤 밀림량 예측기(미도시)에서 피스톤 평균 밀림량(Xavg)을 결정하는 제 3단계로 이루어지며, 이와 같이 구성한 본 발명에 따른 일실시예의 동작 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 각 단계를 수행하기 위한 압축기의 구조 및 동작은 종래와 동일하다.

그리고, 선형압축기의 동작 메카니즘(Mechanism)은 다음의 수학식3과 같이 모델화 할 수 있다.

여기서, x는 피스톤(4)의 변위이고, m은 피스톤(4)의 질량, d는 감쇠 계수, k는 스프링의 상수, α는 역기전력 상수, i는 압축기에 흐르는 전류, Fp(x)는 변위에 따라 달라지는 압력에 의해 피스톤(4)에 가해지는 힘이다.

그리고, 상기 수학식3의 양변을 압축기의 한 행정 주기(T)에 대해 적분하면, 압축기의 동작 중 압력에 의해 피스톤(4)이 평균적으로 미리는 량, 즉 피스톤(4)의 평균 밀림량(Xavg)이 다음의 수학식4와 같이 결정된다.

여기서, 상기 수학식4에서 피스톤(4)에 가해지는 힘(Fp(x))은 다음의 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.

여기서, A는 피스톤(4)의 단면적, P(x)는 변위에 따른 압력, Ps는 흡입압력이다.

한편, 압축기 내의 변위 변화에 따른 피스톤(4)에 걸리는 압력의 변화를 도2에 나타내었는데, 도2의 구간 A 및 구간 C는 각각 소정 변위에서의 흡입압력(Ps)과 토출압력(Pd)을 나타낸 것이고, 도2의 구간 B 및 구간 D는 단열 과정 구간을 나타낸 것이다.

이때, 흡입압력(Ps)은 냉동 사이클의 증발기(미도시)의 온도에 비례하고 토출압력(Pd)은 응축기(미도시)의 온도에 비례하므로, 상기 증발기(미도시) 및 응축기(미도시)의 온도를 측정하면 토출압력(Pd)과 흡입압력(Ps)을 예측할 수 있어, 이를 이용하면 피스톤(4)이 평균적으로 얼마만큼 밀려 있는 지를 결정할 수 있다.

즉, 피스톤(4)에 가해지는 힘(Fp(x))이 변위에 따른 압력(P(x))에 의해 결정되고, 이를 상기 수학식4에 대입하면 피스톤(4)의 평균 밀림량(Xavg)이 결정된다.

여기서, 상기 증발기(미도시) 및 응축기(미도시)의 온도와 압력(Pd,Ps)의 관계는 실험적으로 구한 기 설정한 테이블에 의해 결정하고, 변위에 따른 압력(P(x))은 토출압력(Pd)과 흡입압력(Ps) 사이에서 변동한다.

그리고, 상기 변위에 따른 압력(P(x))은 압축 및 팽창에서 단열 과정이라고 가정하여 결정하거나, 실험을 통하여 결정할 수 있다.

따라서, 피스톤(4)의 평균 밀림량(Xavg)은 다음의 수학식6과 같이 응축기(미도시)의 온도(Tc)와 증발기(미도시)의 온도(Te)의 함수로 나타낼 수 있다.

여기서, 피스톤(4)의 평균 밀림량(Xavg)을 결정하는 방법을 도3을 참조하여 설명하면, 증발기(미도시) 및 압축기(미도시)에 부착된 온도센서를 통해 각 부의 온도(Ts,Td)를 측정하고, 흡입/토출압력 예측기(미도시)에서 기 설정된 테이블에 따라 상기 측정된 온도(Ts,Td)를 이용하여 각각 흡입압력(Ps)과 토출압력(Pd)을 예측한다.

그러면, 피스톤 밀림량 예측기(미도시)는 상기 예측된 흡입압력(Ps)과 토출압력(Pd) 사이에서 변위에 따른 압력(P(x))을 결정하고, 이를 상기 수학식5에 대입하여 압축기의 한 행정 주기(T) 동안의 변위에 따른 압력(P(x)) 및 토출압력(Ps)에 의해 피스톤(4)에 가해지는 힘(Fp(x))을 결정한 다음, 상기 수학식4를 이용하면 피스톤 평균 밀림량(Xavg)을 결정하게 된다.

여기서, 피스톤(4)의 변위 x는 하모닉 모션(Harmonic Motion)으로 왕복운동을 한다고 가정한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 압축기 및 증발기의 온도를 측정하여 압축기 내의 피스톤이 평균적으로 밀려 있는 양을 결정함으로써, 결정된 피스톤의 평균 밀림량에 따라 압축기를 제어하여 압축기가 일정 압축비를 갖게 함과 아울러 피스톤의 위치를 더 정확히 추정할 수 있게 되어 압축기의 고장을 방지함은 물론, 압축기의 성능 및 효율을 향상하는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 증발기 및 압축기의 온도를 측정하는 제 1단계와; 상기 제 1단계에서 측정한 온도에 따라 기 설정된 테이블에 의해 흡입압력 및 토출압력을 예측하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에서 예측한 흡입압력 및 토출압력을 이용하여 피스톤의 평균 밀림량을 결정하는 제 3단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 선형압축기의 피스톤 평균 밀림량 측정 방법.