KR20060119924A - 리니어 모터 컨트롤러 - Google Patents

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KR20060119924A
KR20060119924A KR1020067004322A KR20067004322A KR20060119924A KR 20060119924 A KR20060119924 A KR 20060119924A KR 1020067004322 A KR1020067004322 A KR 1020067004322A KR 20067004322 A KR20067004322 A KR 20067004322A KR 20060119924 A KR20060119924 A KR 20060119924A
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compression stroke
compressor
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KR1020067004322A
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장 티안
쥬니어 존 에이치 보이드
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피셔 앤 페이켈 어플라이언스 리미티드
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Abstract

자유 피스톤 공기 압축기는 실린더, 피스톤을 가지고 있으며, 피스톤은 압축 스트로크와 팽창 스트로크를 번갈아 실행하면서 상기 실린더내에서 왕복운동가능하다. 왕복 리니어 전기 모터는 피스톤에 구동가능하게 연결되어 있다. 컨트롤러는 적어도 하나의 현재 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크 기간을 포함하는 관계에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어 또는 조절하도록 프로그램되어 있고, 상기 관계는 충돌이 없을 때를 포함한 피스톤의 TDC(상사점) 위치를 나타내는 것이다. 바람직한 실시형태에서 컨트롤러는 압축 스트로크 기간과 팽창 스트로크 기간 사이의 차이를 반영한 측정값 획득하고, 획득한 측정값에 응답하여 파워 입력을 조절한다.
Figure 112006015170431-PCT00001
공기 압축기, 실린더, 피스톤, 압축 스트로크, 팽창 스트로크, 컨트롤러

Description

리니어 모터 컨트롤러{LINEAR MOTOR CONTROLLER IMPROVEMENTS}
본 발명은 압축기를 구동하기 위해 사용되는 리니어 모터용 컨트롤러에 관한 것이며, 제한하는 것은 아니지만 특히 냉동 압축기를 구동하기 위해 사용되는 리니어 모터용 컨트롤러에 관한 것이다.
리니어 압축기는 가동 코일 또는 가동 자석에 대하여 작동하며 압축기에서와 같이 피스톤에 연결되었을 때 크랭크샤프트를 채용하는 일반적인 압축기와 달리 스트로크 진폭이 고정된 것이 아니기 때문에 스트로크 진폭에 대한 엄격한 제어가 필요하다. 압축되는 유체의 상태에 대한 과도한 모터 파워의 적용은 그 안에 피스톤이 배치되는 실린더 헤드와 피스톤 충돌을 초래할 수 있다.
본 출원인은 국제특허출원공보 WO 00/79671에서 압축기에 들어가는 냉매의 특성의 함수로서 모터의 출력을 제한하는 자유 피스톤 압축기용 제어 시스템을 제안하였다. 그러나, 몇몇 자유 피스톤 냉동 시스템에서는 실제 피스톤 충돌을 검출하고 그 다음에 응답하여 모터 파워를 감소시키는 것이 유용할 수 있다. 이러한 전략은 어떤 이유로 과도한 모터 파워가 발생되었을 때 순수하게 압축기 손상을 방지하기 위하여 사용되거나 또는 높은 체적 효율을 보장하는 방식으로 사용될 수 있다. 특히, 높은 체적 효율을 보장하는 것과 관련하여, 최소 헤드 클리어런스 체적 으로 피스톤이 작동하는 것을 보장하기 위하여 압축기는 피스톤 충돌을 일으키는 것으로 확인된 것보다 약간 작게 설정된 파워로 구동될 수 있다. 헤드 클리어런스 체적을 최소화하는 것은 제적 효율의 증가로 이어진다.
국제특허출원공보 WO 03/44365에서는 피스톤 충돌이 발생할 때 피스톤 충돌을 검출하기 위한 시스템을 제안하였다. 이 시스템은 충돌이 발생한 것을 나타내는 절반 주기 시간에서의 급격한 감소와 함께 절반 주기 시간을 모니터링하는 것을 포함한다. 리니어 모터에 대한 입력 파워의 후속적인 감소는 헤드와 충돌하지 않고 높은 체적 효율의 상태에서 압축기를 가동한다.
그러나, WO 03/44365에 개시된 제어 전략은 압축기의 장기간 성능에 치명적인 실제적인 충돌을 필요로 한다. 게다가, 충돌없이 효율적인 작동을 보장하기 위하여 얼마나 구동 전류를 감소시킬지를 결정하는 것이 어렵다. 충돌의 위험을 낮추기 위하여 지나치게 신중한 조절이 이루어진다.
본 발명의 목적은 이러한 단점을 극복하거나 또는 적어도 유용한 선택을 제공하는 향상된 컨트롤러를 제공하는 것이다.
한 관점에 따라 본 발명을 구성하는 자유 피스톤 가스 압축기는:
실린더,
피스톤,
상기 피스톤은 교대로 압축 및 팽창 스트로크를 반복하면서 상기 실린더내에서 왕복운동가능하고,
적어도 하나의 여자 권선을 가지고 있으며 상기 피스톤에 구동가능하게 연결된 왕복운동하는 리니어 전기 모터, 및
적어도 하나의 현재 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크 존속 기간을 포함하는 관계에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어 또는 조절하도록 프로그램된 컨트롤러를 포함하고 있으며, 상기 관계는 충돌이 없을 때를 포함한 피스톤의 TDC(상사점) 위치의 표시(직접적으로 또는 간접적으로)이다.
이것은 예를 들면 단일 스트로크와 인접한 옆자리 사이의 차이가 될 수 있으며, 또는 단기 평균, 최대, 최소 또는 매초 마다의 스트로크인 몇 개의 스트로크의 중앙값이 될 수 있다.
다른 관점에 따라 본 발명을 구성하는 자유 피스톤 가스 압축기는:
실린더,
피스톤,
상기 피스톤은 교대로 압축 및 팽창 스트로크를 반복하면서 상기 실린더내에서 왕복운동가능하고,
적어도 하나의 여자 권선을 가지고 있으며 상기 피스톤에 구동가능하게 연결된 왕복운동하는 리니어 전기 모터, 및
적어도 하나의 현재 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크 존속 기간을 포함하는 관계에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어 또는 조절하기 위한 제어 수단을 포함하고 있으며, 상기 관계는 충돌이 없을 때를 포함한 피스톤의 TDC 위치의 표시(직접적으로 또는 간접적으로)이다.
또 다른 관점에 따라 본 발명을 구성하는 자유 피스톤 가스 압축기를 제어하기 위한 방법은 적어도 하나의 현재 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크 존속 기간을 포함하는 관계에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어 또는 조절하는 것을 포함하고 있으며, 상기 관계는 충돌이 없을 때를 포함한 피스톤의 TDC 위치의 표시(직접적으로 또는 간접적으로)이다.
또 다른 관점에 따라 본 발명을 구성하는 자유 피스톤 가스 압축기를 제어하기 위한 방법은 다른 측정 기간에 대하여 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크의 기간을 측정함으로써 소정의 이력 사이클 동안 피스톤 TDC가 헤드에 가까이 있는 것을 결정하는 것을 포함한다.
또 다른 본 발명을 구성하는 자유 피스톤 가스 압축기를 제어하기 위한 방법은 팽창 스트로크의 기간과 무관하게 압축 스트로크 기간을 포함하는 관계에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어하는 것을 포함한다.
또 다른 본 발명을 구성하는 자유 피스톤 가스 압축기를 제어하기 위한 방법은 미리 설정된 역치(threshold value)를 갖는 팽창 스트로크의 기간의 함수 또는 관계의 비교에 기초하여 전용량 작동 동안 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어하는 것을 포함한다.
바람직한 관계는 전반적으로 전체 사이클 기간에 대한 기여로서 압축 스트로크 및 팽창 스트로크의 상대적인 기간에 기초한 것이 될 수 있다. 팽창 스트로크의 임의의 단축과 무관한 압축 스트로크의 임의의 단축은 피스톤 TDC가 헤드에 더욱 가까이 이동한 것을 나타낸다. 압축 스트로크의 임의의 확대와 무관한 팽창 스트로크의 임의의 확대는 피스톤 TDC가 헤드에 더욱 가까이 이동한 것을 나타낸다.
관계는 전체 사이클 기간과 압축 또는 팽창 스트로크 기간 사이의 절대적인 또는 부분적인 비교, 또는 전체 사이클 기간과 하나의 압축 또는 팽창 스트로크 기간 사이의 부분적인 비교를 포함할 수 있다.
스트로크 기간은 단일(예를 들면 가장 최근)의 예가 될 수 있으며, 또는 한 세트의 일시적인 결과의 평균, 중앙값, 최대 또는 최소가 될 수 있다. 예를 들면 각각의 기간은 이전 세트의 6개 기간의 평균이 될 수 있다.
일반적으로 "압축" 또는 "팽창" 스트로크의 확인은 필요하지 않다. 몇몇 식에서 확인이 필요할 수 있다. 예를 들면, 팽창 스트로크에서만 제어가 실행되는 경우 확인이 필요하지만, 일반적으로는 보다 긴 기간의 스트로크가 번갈아 일어나도록 선택하는 것으로 충분하다.
관계에 기초하여 이루어지는 제어는 관계에 기초한 연속적인 또는 주기적인 피드백 제어, 및/또는 관계의 수치적인 출력에 대한 트리거 값(trigger values)에 기초한 간헐적인 조절을 포함할 수 있다. 피드팩 제어 및 관계는 예를 들면 단순 또는 가중 함수, 퍼지 논리 제어 또는 이와 유사한 것이 될 수 있다. 트리거 값은 예를 들면 색인표(look-up table)에 미리 설정될 수 있고, 예를 들면 피스톤과 헤드 사이에 충돌이 검출된 후에 동시 발생 사건 히스토리에 의해서 결정될 수 있다. 트리거 값은 압축기의 하나 이상의 독립적인 작동 조건에 의존할 수 있다. 예를 들면 냉동 시스템에서 트리거 값은 흡입측 압력 또는 온도에 의존하는 것이 최선이 될 수 있다. 트리거 값이 하나 이상의 작동 조건에 의존하는 경우 트리거 값은 작동 조건의 함수가 되거나 또는 미리 설정한 데이터 어레이를 포함하는 색인 테이블로부터 유도될 수 있다.
바람직하게 제어는 미리 설정된 트리거 값 또는 역치의 하나에 근접하지만 초과하지 않는 관계의 출력을 유지하는 것을 포함한다. 바람직하게 관계는 팽창 스트로크 기간 및 압축 스트로크 기간의 하나를 다른 것으로부터 삭감하는 것이다. 만약 관계가 압축 스트로크 기간으로부터 팽창 스트로크 기간을 삭감하는 것을 내포하고 있으면 그 후에 제어는 음수가 아닌 미리 설정한 값 이상으로 출력을 유지하려고 한다.
리니어 모터를 위한 적절한 또는 조절된 파워 입력으로부터 유도되고 임의의 관계의 평가를 포함하는 제어는 소프트웨어 또는 하드웨어 전자 로직, 또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다. 바람직하게는 마이크로프로세서에서 실행될 수 있는 소프트웨어로 실시된다. 마이크로프로세서의 관련 출력은 리니어 모터에 파워 공급의 연결을 제어하는 구동 출력이 될 수 있다.
본 발명의 관련 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위의 범위에서 벗어나지 않고 본 발명의 구성, 상이한 실시예 및 응용에 많은 변경이 가능하다는 것을 이해할 것입니다. 본원 명세서에 개시된 내용은 예시적인 것이며 본원 발명을 제한하도록 의도된 것은 아닙니다.
도 1 은 리니어 압축기의 단면도,
도 2 는 본 발명을 실시한 자유 피스톤 증기 압축기 및 관련 컨트롤러의 블 록 다이어그램,
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스트로크 컨트롤러 프로세스를 도시한 흐름도,
도 4 는 전체 압축기 사이클 동안 시간에 대한 전류 및 전압을 도시한 도면,
도 5 는 도 3의 프로세스에 의해 사용되는 역치 색인표를 도시한 챠트,
도 6 은 설명한 바와 같은 제어를 실행하는 리니어 압축기에 대하여 최소 헤드 클리어런스("갭")와 증발 온도(Tevap)를 도시한 도면.
본 발명은 리니어 전기 모터에 의해서 동력이 제공되는 자유 피스톤 왕복운동 압축기를 제어하기 위한 방법을 제공한다.
이하의 설명에서 본 발명은 원통형 리니어 모터와 관련하여 설명되지만, 본원 발명의 방법은 일반적으로 리니어 모터에 동일하게 적용가능하고, 특히 평탄한 리니어 모터에도 또한 동일하게 적용가능하다. 예를 들면, 본 명세서에 참조로 통합된 본 출원인이 출원한 국제특허출원 PCT/NZ00/00201를 참조하라. 당업자는 여기에 설명된 제어 전략을 어떠한 형태의 리니어 모터 구동식 자유 피스톤 압축기에 적용하는데 특별한 노력을 기울이지 않아도 된다.
도 1에 도시된 압축기는 왕복운동 자유 피스톤 압축기에 연결된 영구자석 리니어 모터를 포함한다. 실린더(9)는 압축기 셸(30) 내에서 원통형 스프링(14)에 의해 지지된다. 피스톤(11)은 스프링 장착부(25)를 경유하여 스트링(13)과 원통형 보어에 의해 형성된 베어링에 의해서 방사상으로 지지된다. 베어링은 공지된 여러가지 방법중의 하나에 의해서 윤활되는 것이 될 수 있다. 예를 들면, 여기에 참조로 통합된 국제특허출원 PCT/NZ00/00202에 설명된 가스 베어링 또는 국제특허출원 공보 WO00/26536에 설명된 오일 베어링이 될 수 있다. 마찬가지로 본 발명은 교호 왕복운동 시스템에 적용가능하다. 예를 들면, 이하에 압축기는 가스/기계적인 스프링 조합 시스템으로 설명되지만, 본 발명은 전적으로 가스 스프링 시스템과 함께 사용될 수 있다.
실린더(9)내에서 피스톤(11)의 왕복운동은 흡입 튜브(12), 흡입 포트(26), 흡입 머플러(20), 밸브 플레이트(21)의 밸브 포트(24)를 통하여 압축 공간(28)내로 가스를 끌어낸다. 그 후에 압축 가스는 배출 머플러(19)의 배출 밸브 포트(23)를 통하여 나와서 배출 튜브(18)를 통하여 빠져나간다. 유동 경로에 대한 다양한 변경이 가능하다. 예를 들면, 흡입 경로는 피스톤 크라운을 통한 흡입 포트를 갖는 피스톤의 내부를 통과하는 것이 될 수 있다.
압축기 모터는 두 부분의 고정자(5, 6) 및 아마츄어(22)를 포함한다. 피스톤(11)의 왕복운동을 발생시키는 힘은 아마츄어(22)내의 두개의 반경방향으로 자화되는 환형상 영구자석(3, 4)(플랜지(7)에 의해 피스톤(11)에 부착), 공기 갭(33)에서의 자기장(고정자(6)와 코일(1, 2)에 의해서 유도)의 상호작용으로부터 생긴다.
도 1에 도시된 두개의 코일을 가지고 있는 압축기 모터는 고정자(6)의 내부를 따라 축선방향으로, 단부 고정자 투스(tooth)(32)를 통하여 반경방향 외부로, 공기 갭(33)을 가로질러 흐르고 그 다음에 후방 철심(5)으로 들어가는 플럭스를 생 성하는 코일(1)에 흐르는 전류를 갖는다. 그 후에 전류는 공기 갭(33)을 가로질러 반경방향 내부 및 고정자(6)의 중앙 투스(34)내로 다시 흐르기 전에 짧은 거리(27)에 대해 축선방향으로 흐른다. 제2 코일(2)은 축선방향으로 짧은 거리(29)에 대해 공기 갭을 가로질러 중앙 투스(34)를 통하여 반경방향으로, 그리고 단부 투스(35)내로 공기 갭(33)을 통하여 바깥쪽으로 유동하는 플럭스를 생성한다. 투스(32)로부터 공기 갭(33)을 가로지르는 플럭스는 자석(3)의 자성이 다른 자석(4)과 반대 극성으로 구비된 반경방향으로 자화된 자석(3, 4)에 축선방향의 힘을 유도한다. 후방 철심(5) 대신에 자석과 대향하는 측면에 다른 세트의 코일을 갖는 것으로 하는 것도 가능하다.
사인파형이 필수적인 것이 아닌 코일(1, 2)의 진동 전류는 기계적인 시스템의 고유 주파수에 가까운 진동 주파수를 갖는 실질적인 상대 운동을 자석과 고정자에 제공하는 진동력을 자석(3, 4)에 대하여 생성한다. 고유 주파수는 스프링(13, 14)의 강성, 실린더(9)와 고정자(6)의 질량, 압축 공간(28)내에서 가스의 부가적인 가스 스프링 효과에 의해서 결정된다. 자석(3, 4)에 대한 진동력은 고정자 부분에 대한 반작용력을 생성한다. 그러므로, 고정자(6)는 접착제, 압착 고정 또는 클램프 등에 의해 실린더(9)에 견고하게 부착되어야 한다. 후방 철심은 고정자 장착부(17)에 클램핑 또는 접합 된다. 고정자 장착부(17)는 실린더(9)에 견고하게 연결된다.
제어 방법
압축기 피스톤-스프링 시스템의 고유 주파수로 구동될 때 자유 피스톤 압축기가 특히 효율적이라는 것은 실험으로 입증되었다. 그러나, 신중하게 구비된 금속 스프링뿐만 아니라 고유한 가스 스프링이 있으며, 그 유효 스프링 상수는 변한다. 앞서 설명된 전기 정류식 영구자석 모터는 참고로 여기에 통합된 국제특허출원공보 WO 00/79671에 개시된 바와 같이 전기 정류식 영구자석 모터에서의 실험으로부터 추론된 것을 포함하는 기술을 사용하여 바람직하게 제어된다.
리니어 모터가 WO 00/79671에 설명된 바와 같이 제어될 때, 압축기 입력 파워를 피스톤이 실린더의 단부를 둘러싸는 밸브 플레이트와 충돌하는 피스톤의 행정까지 증가시키는 것이 가능하다. 본 출원인은 국제특허출원공보 WO 03/44365에서 충돌을 검출하기 위한 시스템에 대하여 설명하였다. 충돌이 일어날 때 피스톤 왕복운동 주기는 필터링한 또는 평탄화시킨 값과 비교하여 떨어지는 것을 관찰하였다. 피스톤 주기는 하사점과 상사점 사이의 두개의 절반 주기로 이루어지고, 절반 주기는 대칭적이지 않다. 피스톤이 충돌할 때 두 절반 주기의 시간이 감소하지만, 헤드로부터 멀어지게 이동하는 절반 주기가 헤드를 향하여 이동하는 절반 주기보다 길다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 충돌 검출은 절반 주기 시간에서 충돌을 나타내는 임의의 급격한 감소에 대한 절반 주기 시간을 모니터링함으로써 제공되고 이에 반응하여 입력 파워가 감소된다.
본 발명에 따라 밸브 플레이트에 대한 피스톤 TDC의 접근을 결정하기 위한 시스템을 안출하였다. 헤드에 대한 TDC 위치가 각각의 팽창 및 압축 스트로크의 상대적인 기간에 영향을 미치는 것을 알았다. 헤드에 더욱 가까운 TDC 위치는 헤 드로부터 더욱 떨어져 있는 TDC 위치와 비교하여 압축 스트로크의 기간을 감소시킨다. 헤드에 더욱 가까운 TDC 위치는 헤드로부터 더욱 떨어져 있는 TDC 위치와 비교하여 팽창 스트로크의 기간을 증가시킨다. 본원의 발명자는 충돌 발생시 현저한 감소를 나타내는 헤드에 가까이 유지되는 TDC 위치를 이용하여 리니어 압축기를 작동하는 스트로크 제어를 위한 기초로서 이러한 특성을 사용할 수 있다는 것을 인식하였다. 이것은 피스톤을 위한 근접 또는 절대 위치 센서를 필요로 하지 않고 유지된다. 이것은 WO 03/44365에 설명된 것과 같은 충돌 검출기와 함께 구비될 수 있으며, 양자는 소프트웨어 및 공유 공통 입력 데이터로 실시될 수 있다. 예를 들면, 충돌의 노이즈를 검출하는 마이크로폰과 같은 다른 충돌 검출 시스템이 또한 포함될 수 있다.
바람직한 스트로크 제어는 아래와 같이 압축 스트로크의 기간(tC) 및 팽창 스트로크의 기간(tE)로부터 시간차(△t)를 계산한다.
△t = tC - tE
비록 이것은 매 사이클에 대해 계산될 수 있지만, 이것은 예를 들면 단일 스트로크와 바로 인접한 것 사이의 차이가 되거나, 또는 단기간의 평균, 매초 스트로크인 여러 스트로크의 최대, 최소 또는 중앙값이 될 수 있다.
시간차(△t)는 간격을 두고 계산되고 비휘발성 메모리에 저장된 색인표로부터 읽은 역치와 비교된다. 색인표는 작동 조건을 변경하기 위한 역치를 제공하고, 냉동 시스템에서 특히 압축기 흡입 압력은 본질적으로 증발 압력이며 가장 쉽게 측 정되는 증발 온도와 관련되어 있다.
색인표는 소정의 압축기 및 냉동 시스템 설계를 위해 사전에 결정될 수 있고 설계에 따라 사용하기 위해서 모든 컨트롤러에 미리 저장될 수 있다. 대안으로 색인표는 작동 조건의 변화하에서 파워를 서서히 증가시키고 여기에 설명된 바와 같은 충돌 검출 장치를 사용하여 충돌이 검출 및 충돌이 발생할 때까지 파워를 증가시킴으로써 역치를 알아내고, 충돌 직전에 관측된 시간차(△t)에 대한 역치로 편향시키는 것을 포함하는 계산 절차에서 각각의 개별적인 압축기에 대해 생성될 수 있다.
색인표에 대한 대안으로서 압축기의 정상적인 가동중에 역치를 간헐적으로 유도할 수 있다. 예를 들면 역치 유도 절차는 간헐적으로 반복될 수 있다. 이 절차는 충돌이 검출될 때까지 파워 입력을 급격히 증가시키는 동안 시간차(△t)를 모니터링하고 이어서 충돌이 일어나기 바로 전에 관측된 시간차(△t)를 제어 역치로 채택하는 것을 포함할 수 있다.
상술한 제어 방안은 본 발명의 바람직한 실시 형태이다. 그러나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 다른 실시형태도 가능하다. 충돌없는 최대 클리어런스를 성취하는 수준으로 압축기에 대한 파워 입력을 제어하기 위하여 압축 스트로크 기간 및/또는 팽창 스트로크 기간에서 관측된 변화를 사용할 수 있는 다른 제어 알고리즘이 유도될 수 있다.
첫번째 부가적인 예는 전체 사이클 기간에 대한 압축 스트로크 기간의 비교를 사용하는 것이 될 수 있다.
다른 예는 전체 사이클 기간과 팽창 스트로크 기간의 비교일 수 있다.
각각의 경우에 개별적인 절반 사이클 기간 및 전체 사이클 기간은 하나 이상의 절반 사이클 또는 전체 사이클의 평균일 수 있다. 예를 들면 이전의 여섯 사례의 평균이 적합할 수 있다. 대안으로, 기간의 최대, 최소 또는 중앙값이 같은 시기의 세트(예를 들면 이전의 여섯 사례)에서 확인되고 후속 제어를 위해 사용될 수 있다.
비교 관측 사이의 계산된 관계는 상당한 변화를 받을 수 있다. 예를 들면 계산되는 시간차보다는 오히려 팽창 스트로크 기간에 대한 압축 스트로크 기간의 비율 또는 전체 사이클 기간에 대한 팽창 스트로크 기간의 비율과 같은 비율이 계산된다. 또한 실질적으로 바뀌지 않는 냉동 시스템 조건하에서 압축 스트로크 기간 및/또는 팽창 스트로크의 기간에서의 변화에 민감한 필요 기준을 충족하는 다른 함수가 제안될 수 있다.
압축 스트로크 기간과 팽창 스트로크 기간 사이의 관계를 효과적으로 제공하는 가능한 제어 알고리즘이 앞에서 간략히 설명되었다. 이것은 냉동 시스템 조건으로부터 자유로운 적절한 독립성을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 효과적인 제어는 본 발명의 발명자에 의해서 색인표의 색인처럼 오직 흡입 압력의 검출을 사용하는 실제적인 작동 조건하에서 달성되었다. 또한 효과적인 제어는 색인표의 값과 각각의 스트로크의 비교, 또는 일정한 값을 갖는 압축 또는 팽창 스트로크의 함수의 비교와 같은 유사한 관계와 함께 팽창 스트로크 및 압축 스트로크 중의 하나만을 모니터링하는 것을 이용하여 달성될 수 있다는 것이 기대된다.
이것은 압축 스트로크 기간에서 나타나는 감소보다 팽창 스트로크 기간이 훨씬 큰 증가를 나타낸다는 점에서 특히 효과적이다.
도 2에 블록 다이어그램의 형태로 도시된 바람직한 컨트롤러에서, 전체 사이클 주기 및 각각의 스트로크의 주기를 검출하기 위하여 백 EMF 검출이 사용된다. EMF 센서(602)는 모터 권선(601)과 병렬로 연결된다. EMF 센서(602)는 모터 권선을 가로지르는 EMF를 표시하는 디지털 출력을 제공한다. EMF 센서(602)의 디지털화된 EMF 출력은 제어 마이크로프로세서(603)에 입력으로 제공된다. 냉매 증발기에 고정된 온도 센서는 증발 온도를 나타내는 출력 신호를 제공한다. 이 신호는 디지털화되어 또 다른 입력으로서 제어 마이크로프로세서(603)에 제공된다. 제어 마이크로프로세서(603)는 디지털화된 EMF 및 증발 온도 입력에 기초하여 제어 신호를 만들고 인버터 브리지(604)에 제어 신호를 제공한다. 인버터 브리지는 제어 마이크로프로세서(603)로부터의 제어 신호에 기초하여 모터 권선(601)에 대한 파워를 개폐한다. 제어 마이크로프로세서(603)를 위한 제어 프로그램은 본 출원인의 국제특허출원공보 WO 00/79671에 개시되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예 및 WO 03/044365에 설명된 충돌 검출을 실시하기 위하여, 제어 마이크로프로세서는 스트로크 주기 결정 알고리즘을 실시한다. 스트로크 주기 결정 알고리즘은 EMF 센서(602)로부터 수신된 디지털화된 EMF 신호를 모니터링함으로써 각각의 압축 및 팽창 스트로크의 기간을 결정한다. 이 알고리즘은 백 EMF 영 교차 사이의 시간 주기로 스트로크 주기를 결정한다. 도 4는 WO 00/79671에 개시된 제어 방법에 따라 작동되는 리니어 모터에서의 파형을 예시하고 있다. 하나의 파형은 모터 권선 전압(400)을 나타낸다. 다른 파형은 모터 전류(402)를 나타낸다. 이 도면은 팽창 스트로크 및 압축 스트로크 양자를 포함하는 단일의 전체 주기에 대한 파형을 도시한다. 이 주기에서 모터는 제어된 시간(ton) 동안 각각의 절반 사이클에서 전류가 통하게 된다. 고정자 권선 전압은 팽창 스트로크의 시작(420)에서 켜진다. 모터 전류(402)는 전압이 가해지는 동안 형성된다. 이 고정자 권선 전압은 시간(ton(ex))에서 제거된다. 전압이 제거되면 전류(402)는 시간(ton(ex))과 시간(toff1 (ex)) 사이에서 영으로 감소한다. 이러한 감소 동안에 감소하는 전류는 고정자 권선 전압을 완전히 네거티브로 되게 한다. 팽창 스트로크의 잔여 기간 동안 모터 권선 EMF 는 아마추어의 운동에 의해 유도된 백 EMF(404) 이다. 아마추어가 팽창 스트로크의 끝에서 헤드로부터 가장 먼 위치(하사점 또는 BDC 라고 한다)에 도달할 때 EMF(404)는 영으로 감소한다. 영 교차(toff2 (ex))는 팽창 스트로크의 끝 및 압축 스트로크의 시작 순간을 나타낸다. 압축 스트로크의 시작에서 구동 전압(422)이 모터 권선에 인가되고 전류는 전류 곡선(424)에 의해 표시된 것과 같이 상승하기 시작한다. 시간(ton(comp))이 경과한 후(도 6의 지점(ton(comp)) 구동 전압은 제거된다. 구동 전압이 제거되면 전류는 도면부호(427)로 표시된 바와 같이 떨어지고 고정자 권선 전압은 도면부호(425)로 표시된 바와 같이 완전히 포지티브로 된다. 일단 전류가 시간(ton(comp))에서 영으로 감소되면 EMF(406)는 권선에서 유도된 백 EMF를 나타낸다. 아마추어 속도가 헤드에 가장 근 접한 위치(상사점 또는 TDC 라고 한다)에 도달하여 감소될 때, 유도된 백 EMF(406)는 영으로 떨어진다. 전환하기 전에 상사점(TDC)에서 아마추어 속도는 순간적으로 영이 되고 시간(toff2 (comp))에서 백 EMF 영 교차가 발생한다.
제어 마이크로프로세서(603)에서 실행되는 스트로크 주기 결정 알고리즘은 영 교차 시점((toff2 (comp)) 및 (toff2 (comp)))을 식별하도록 프로그램된다. 팽창과 수축 사이를 식별하지 않는 영 교차 시점 사이의 시간 기간은 압축 스트로크 기간과 팽창 스트로크 기간 사이에 번갈아 일어나는 스트로크 기간에 대한 각각의 단일 스트로크 기간을 나타낸다. 스트로크 주기 결정 알고리즘은 두 개의 출력을 갖는다. 하나는 영 교차의 발생을 나타낸다. 다른 하나는 가장 최근의 스트로크 기간을 나타낸다.
제어 마이크로프로세서(603)는 전류 공급 시간(ton)을 연속적으로 조절하기 위한 알고리즘을 실행한다. 이 프로세스는 도 3에 도시되어 있다. 이 프로세스는 입력으로서 스트로크 결정기의 출력, 증발기 온도 센서 및 압축기 수요(Pcommand) 표시기의 출력을 취한다. 압축기 수요(Pcommand)는 냉동기 작동 조건에 기초하여 마이크로프로세서 또는 전체 냉동기 컨트롤러에 의해 결정된다. 본질적으로 이것은 압축기에 의해서 전달되도록 요구되는 용량과 관련되어 있다. 도시된 예에서 압축기 수요(Pcommand)는 네 개의 값 중의 하나를 취할 수 있다. "0" 값은 압축기의 즉각적인 정지를 나타낸다. "1" 값은 용량의 점진적인 감소를 나타낸다. "2" 값은 용량 을 현재 수준으로 유지하는 것을 나타내고 "3" 값은 용량을 점진적으로 증가시키는 것을 나타낸다. 용량을 변경하는 것은 각각의 절반 사이클에서 전류 공급의 기간의 상응하는 증가 또는 감소에 의해서 달성된다. 이러한 제어의 목적을 위해서 시간(ton)은 가변적이며 그 값은 전류 공급의 기간(밀리초(ms))이다.
도 3을 참조하면, 바람직한 방법은 단계(302)에서 시작하여 연속적으로 반복되는 루프를 포함한다. 각각의 루프의 시작에서 이 방법은 스트로크 결정 알고리즘(306)에 의해 표시할 영 교차를 위해 단계(304)에서 대기한다. 영 교차가 ton 제어 루프의 연속적인 실행으로 인도하는 인터럽트로서 작용하므로, 이 루프는 절반 사이클마다 한번 실행한다. 스트로크 결정기(306)에 의해 영 교차가 표시될 때 이 방법은 단계(308)로 진행하여 증발 온도 센서(310)로부터 증발 온도를 획득한다. 그 다음에 단계(312)로 진행하여 △t에 대한 역치(△tthreshold)가 색인표(314)로부터 읽어 들여진다. 색인표(314)는 증발 온도의 함수로서 △t 역치를 기록한다. "△t 역치 대비 증발 온도" 색인표의 예를 도시하는 플로트가 도 5로 제공된다.
단계(316)에서 스트로크 결정기(306)로부터 마지막 스트로크 주기가 획득되어 변수(tn)로 지정된다. 단계(318)로 진행하여, △t는 가장 최근의 스트로크 주기(tn)와 그 바로 앞의 스트로크 주기(tn-1) 사이의 차이의 절대값으로 계산된다. 프로그램은 단계(318)에서 계산된 △t가 단계(312)의 색인표(314)에서 읽어 들인 역치(△tthreshold)와 비교되는 결정 단계(320)로 진행한다.
만약 △t가 역치(△tthreshold)보다 크면 알고리즘은 단계(322)로 진행한다. 만약 △t가 역치(△tthreshold)보다 크면, 이것은 압축기가 최대 용량에 근접하여 작동하는 것을 나타낸다. 따라서 단계(322)에서 변수(Pincrese)는 "0"으로 설정된다. 그 다음에 알고리즘은 단계(324)로 진행한다.
만약 단계(320)에서 △t가 역치(△tthreshold)보다 크지 않으면 알고리즘은 단계(326)로 진행한다. 만약 △t가 역치(△tthreshold)보다 작거나 또는 같으면, 이것은 압축기가 아직 최소 헤드 클리어런스로 작동하지 않으며 그 이상의 용량이 사용가능하다는 것을 나타낸다. 따라서 변수(Pincrese)는 "1"로 설정된다. 그 다음에 알고리즘은 단계(324)로 진행한다.
단계(324)에서 변수(tn-1)는 tn의 값으로 설정된다. 이것은 다음 루프의 반복에서 사용하기 위한 것이다.
그 다음에 알고리즘은 듀티 시간(ton)이 조절되는 단계(326)로 진행한다. ton에 대한 조절은 두 변수(Pcommand 및 Pincrese)에 기초한 색인표에서 찾는다. 앞서 설명된 바와 같이 Pcommand 입력은 요청된 압축기 작동 변화를 나타낸다. 알고리즘에서 먼저 설정된 Pincrese 는 압축기가 이미 추가적인 용량의 여유가 없는 용량으로 작동되는 여부를 나타낸다. 따라서 Pincrese 가 1인 경우 추가적으로 사용할 수 있는 용 량이 있으며 ton 조절은 Pcommand 에 의해 요청된 조절과 대응한다. 작은 용량의 높은 작동 주파수 압축기의 경우에, 도시된 바와 같이 10㎲ 또는 0.1㎲ 만큼 줄여 ton 조절하다. Pincrese 가 0인 경우, 이것은 추가적인 용량이 사용가능하지 않으며 피스톤이 충돌에 근접한 위치로 이동될 수 있는 것을 나타낸다. 따라서 ton에 대한 조절은 Pcommand 와 무관하고 모든 경우에 예를 들면 10㎲씩 ton 기간을 감소시킨다.
단계(326)에서 ton 조절을 하면 알고리즘은 단계(327)에서 복귀하여 시작 단계(302)로 진행하여 루프를 다시 반복한다.
작동시에 전체 컨트롤러가 압축기로부터 최대 용량을 요구하는 경우(제품이 냉동 컴파트먼트에 추가되는 경우), Pcommand는 3으로 항상 설정될 것이다. 이것은 증발 온도 센서(310)에 의해 검출된 증발 온도에 대해 △t가 역치(△tthreshold)보다 클 때까지 ton 을 형성(각각의 절반 주기의 0.1㎲ 씩)하게 한다. 일단 △t가 역치(△tthreshold)보다 커지면, △t가 역치(△tthreshold)보다 크지 않을 때까지 ton 은 아래쪽으로 조절된다(각각의 절반 주기의 10㎲ 씩). 그 후의 반복에서 △t가 역치(△tthreshold)보다 커질 때까지 ton 은 위쪽으로 조절된다. 이러한 피드백 제어는 온도 변화가 발생할 때 센서(310)에 의해 검출된 증발 온도의 변화에 응답하여 △t가 역치에 대략 동일하게 되는 수준 부근에서 ton 변동을 보인다.
발명자는 여기에 설명된 알고리즘을 본 출원인이 출원하여 계류중인 뉴질랜드 특허출원 526361에 개시된 것과 같은 리니어 압축기에 대해서 시험하였다. 이 압축기에는 상사점 위치에서 헤드에 대한 피스톤의 접근을 측정하기 위하여 근접 센서가 설치되었다. 근접 센서 출력은 근접 센서 출력은 최대 용량(Pcommand = 3)이 요구되는 동안 소정의 증발 온도에서 정상 상태로 작동하는 주기에 걸쳐 측정된 최근접 상사점 위치를 결정하기 위하여 분석되고 모니터링 되었다. 여덟 개의 증발 온도에 대한 헤드 클리어런스 결과가 도 5에 도시되었다. 이것은 본 발명의 제어가 충돌없이 대략 0.2㎜ 내지 0.25㎜의 일관된 최소 클리어런스 갭을 달성한 것을 나타낸다. 클리어런스 갭은 도 5의 챠트에 따라 역치를 사용하여 얻었다. 도 5의 챠트의 역치는 0.2㎜의 의도된 클리어런스 갭을 위하여 선택되었다.
앞에서 언급된 바와 같이, 충돌 검출기는 또한 마이크로프로세서(603)에 저장된 소프트웨어로 실행될 수 있다. 충돌 검출기는 전기적인 주기 데이터를 수신하고 피스톤이 실린더 헤드와 충돌할 때 전체 사이클에서의 급격한 감소를 검출한다. 충돌 검출기는 도 3의 제어 알고리즘과 무관하게 ton 값을 수정하거나 또는 제어 알고리즘에 통합될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 제어 알고리즘 및 스트로크 결정기는 외부 로직에서 부분적으로 또는 전체적으로 실현되거나, 하나 이상의 모듈에 배당되거나, 또는 개별적인 아날로그 회로에서 동일하게 실현될 수 있는 제어 마이크로프로세서(603)에 의해서 실행되는 소프트웨어로 실현되는 것으로 설명되었다. 설명되 었던 것은 본 발명의 바람직한 실시형태이다. 본 발명의 기술사상에서 벗어나지 않고 본 발명의 다른 실시형태가 가능하다는 것은 당업자에게 자명한 것이며, 이것은 넓은 의미에서 본 발명의 범주에 속하는 것이다.

Claims (21)

  1. 실린더,
    압축 스트로크와 팽창 스트로크를 번갈아 실행하면서 상기 실린더내에서 왕복운동가능한 피스톤,
    적어도 하나의 여자 권선을 가지고 있으며 상기 피스톤에 구동가능하게 연결된 왕복 리니어 전기 모터, 및
    적어도 하나의 현재 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크 기간을 포함하는 관계에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어 또는 조절하도록 프로그램된 컨트롤러를 포함하고 있으며, 상기 관계는 충돌이 없을 때를 포함한 피스톤의 TDC(상사점) 위치를 직접적으로 또는 간접적으로 나타내는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    압축 스트로크 기간과 팽창 스트로크 기간 사이의 차이를 반영한 측정값을 획득하는 단계,
    획득한 측정값에 응답하여 상기 여자 권선에 대한 파워 입력을 조절하는 단계를 실행하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    하나 이상의 시스템 변수 값을 획득하는 단계,
    상기 획득한 시스템 변수 값에 기초하여 복수의 미리 저장된 역치 중에서 하나의 역치를 선택하기 위하여 저장 데이터에 액세스하는 단계, 및
    상기 획득한 측정값과 상기 검색된 역치 사이의 비교에 응답하여 상기 여자 권선에 대한 파워 입력을 조절하는 단계를 실행하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 압축기는 흡입 가스 압력 센서를 포함하고 있고, 상기 컨트롤러는 상기 압력 센서로부터 입력을 수신하고 상기 컨트롤러는 상기 압력 센서 입력으로부터 상기 시스템 변수 값을 획득하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 백 EMF 검출기를 포함하고 있고,
    일련의 백 EMF 영 교차 사이의 시간 기간의 측정값을 획득하는 단계, 및
    번갈아 실행하는 스트로크 사이의 시간 기간에서의 차이를 계산하는 단계를 실행함으로써 압축 스트로크 기간과 팽창 스트로크 기간 사이의 차이를 반영한 측정값을 획득하도록 프로그램되어 있고, 각각의 상기 일련의 백 EMF 영 교차 사이의 시간 기간은 단일의 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크의 시간 기간을 나타내는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는 전기 정류식 영구자석 DC 모터인 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기는 여자 전류가 흐르지 않을 때 상기 적어도 하나의 여자 권선에 유도된 백 EMF를 샘플링하기 위한 백 EMF 검출 수단, 상기 백 EMF 검출 수단의 출력에 연결된 영 교차 검출 수단, 및 상기 피스톤의 각각의 절반 사이클의 시간을 결정하기 위해 상기 영 교차 검출 수단으로부터의 출력 펄스 사이의 시간 간격을 결정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 피스톤 작동의 두개의 연속적인 절반 사이클의 기간에서의 차이를 계산하고, 상기 계산된 차이에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어 또는 조절하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  9. 실린더,
    압축 스트로크와 팽창 스트로크를 번갈아 실행하면서 상기 실린더내에서 왕복운동가능한 피스톤,
    적어도 하나의 여자 권선을 가지고 있으며 상기 피스톤에 구동가능하게 연결 된 왕복 리니어 전기 모터, 및
    적어도 하나의 현재 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크 기간을 포함하는 관계에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어 또는 조절하는 제어 수단을 포함하고 있으며, 상기 관계는 충돌이 없을 때를 포함한 피스톤의 TDC(상사점) 위치를 직접적으로 또는 간접적으로 나타내는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제어 수단은,
    압축 스트로크 기간과 팽창 스트로크 기간 사이의 차이의 측정값을 획득하는 수단,
    획득한 측정값에 응답하여 상기 여자 권선에 대한 파워 입력을 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제어 수단은,
    하나 이상의 시스템 변수 값을 획득하는 수단,
    상기 획득한 시스템 변수 값에 기초하여 복수의 미리 저장된 역치 중에서 하나의 역치를 선택하기 위하여 저장 데이터에 액세스하는 수단, 및
    상기 획득한 측정값과 상기 검색된 역치 사이의 비교에 응답하여 상기 여자 권선에 대한 파워 입력을 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 압축기는 흡입 가스 압력 센서를 포함하고 있고, 상기 제어 수단은 상기 압력 센서로부터 입력을 수신하고 상기 제어 수단은 상기 압력 센서 입력으로부터 상기 시스템 변수 값을 획득하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단은 백 EMF 검출기를 포함하고 있고, 압축 스트로크 기간과 팽창 스트로크 기간 사이의 차이를 반영한 측정값을 획득하는 수단은,
    일련의 백 EMF 영 교차 사이의 시간 기간의 측정값을 획득하는 수단, 및
    번갈아 실행하는 스트로크 사이의 시간 기간에서의 차이를 계산하는 수단을 포함하고 있고, 각각의 상기 일련의 백 EMF 영 교차 사이의 시간 기간은 단일의 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크의 시간 기간을 나타내는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는 전기 정류식 영구자석 DC 모터인 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기는 여자 전류가 흐르지 않을 때 상기 적어도 하나의 여자 권선에 유도된 백 EMF를 샘플링하기 위한 백 EMF 검출 수단, 상기 백 EMF 검출 수단의 출력에 연결된 영 교차 검출 수단, 및 상기 피스톤의 각각의 절반 사이클의 시간을 결정하기 위해 상기 영 교차 검출 수단으로부터의 출력 펄스 사이의 시간 간격을 결정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 측정값을 획득하는 수단은 상기 피스톤 작동의 두개의 연속적인 절반 사이클의 기간에서의 차이를 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 공기 압축기.
  17. 적어도 하나의 현재 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크 기간을 포함하는 관계에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어 또는 조절하는 것을 포함하고 있으며, 상기 관계는 충돌이 없을 때를 포함한 피스톤의 TDC(상사점) 위치를 직접적으로 또는 간접적으로 나타내는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기의 제어 방법.
  18. 다른 측정 기간과 관련하여 압축 스트로크 또는 팽창 스트로크의 기간을 관측함으로써 피스톤 TDC(상사점)이 주어진 이력 사이클에 대해 헤드에 근접한 것을 결정하는 것을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기의 제어 방법.
  19. 팽창 스트로크의 시간 기간과 무관하게 압축 스트로크의 시간 기간을 포함하는 관계에 기초하여 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어하는 것을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기의 제어 방법.
  20. 적어도 실질적으로 작동 조건이 변경되지 않는 상태에서 팽창 스트로크의 시간 기간에 반응하는 분석에 기초하여 전용량 작동 동안에 리니어 모너에 대한 파워 입력을 제어하는 것을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기의 제어 방법.
  21. 미리 설정된 역치와 압축 스트로크의 시간 기간의 함수 또는 관계의 비교에 기초하여 전용량 작동 동안에 리니어 모터에 대한 파워 입력을 제어하는 것을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기의 제어 방법.
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