KR20070079515A - 리니어 압축기의 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 외부 전원의 변동과 무관하게 부하에 따라 출력을 변동시키는 리니어 압축기의 제어장치에 관한 것이다.
본 발명인 리니어 압축기의 제어장치는 리니어 압축기의 원주 방향으로 적층된 코일 권선체와, 상기 코일 권선체에 직렬로 연결된 캐패시터와, 외부 전원을 인가받아 특정크기의 정전원으로 변환되도록 하여 상기 코일 권선체에 인가하는 정전원 공급부와, 상기 정전원 공급부가 상기 특정크기의 정전원을 상기 코일 권선체에 공급하도록 제어하여 부하에 따른 상기 리니어 압축기의 출력변화를 유도하는 제어부로 이루어진다.

Description

리니어 압축기의 제어장치{CONTROLLING APPARATUS FOR LINEAR COMPRESSOR}
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 제어장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기가 도시된 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어장치의 구성도이다.
도 4는 도 3의 제어장치에 따른 냉각 용량 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
40: 정전원 공급부 50: 분지수단
60: 제어부
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 외부 전원의 변동과 무관하게 부하에 따라 출력을 변동시키는 리니어 압축기의 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치로써, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
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.
일반적으로 리니어 압축기는 모터의 직선 구동력을 이용하여 냉매를 흡입, 압축, 토출시키게 되는데, 크게 냉매 가스를 압축시키는 실린더 및 피스톤 등이 포함된 압축부와, 상기 압축부에 구동력을 공급하는 리니어 모터가 포함된 구동부로 나뉘어진다.
구체적으로, 상기 리니어 압축기는 밀폐용기 내부에 실린더가 고정되도록 설치되고, 상기 실린더 내부에 피스톤이 왕복 직선운동 가능하게 설치되며, 상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동 함에 따라 상기 실린더 내부의 압축공간으로 냉매를 유입되도록 하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 구성되며, 상기 압축공간에는 흡입밸브 어셈블리 및 토출밸브 어셈블리가 설치되어 상기 압축공간 내부의 압력에 따라 냉매의 유입 및 토출을 조절한다.
또한, 상기 피스톤에 직선 운동력을 발생시키는 리니어 모터가 서로 연결되도록 설치되는데, 상기 리니어 모터는 상기 실린더 주변에 복수개의 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성된 이너 스테이터 및 아웃터 스테이터가 소정의 간극을 두고 설치되되, 상기 이너 스테이터 또는 아웃터 스테이터 내측에는 코일(또는 코일 권선체)이 감겨지도록 설치되며, 상기 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에는 영구자석이 상기 피스톤과 연결되도록 설치된다.
이때, 상기 영구자석은 상기 피스톤의 운동방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 코일에 전류가 흐름에 따라 발생되는 전자기력에 의해 상기 피스톤의 운동방향으로 왕복 직선 운동하게 되는데, 보통 상기 리니어 모터는 일정한 운전주파수(fc)로 작동될 뿐 아니라 상기 피스톤이 소정의 스트로크(S)로 왕복 직선 운동하도록 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 제어장치의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 제어장치는 리니어 압축기의 원주방향으로 권선되고 전원을 인가받는 코일 권선체(L)와, 코일 권선체(L)의 일부 또는 전체에 전원이 인가되도록 하는 분지수단(100)과, 부하에 따라 냉력을 조절하기 위해 분지수단(100)을 제어하는 제어부(200)로 이루어진다.
자세하게는, 코일 권선체(L)의 일단은 전원에 연결되고, 코일 권선체(L)의 타단에는 분지수단(100)의 연결단자(100a)가 형성되고, 연결단자(100b)는 코일 권 선체(L)의 중간점(M)(또는 중간점(M)의 분지선)에 연결되며, 제어부(200)의 제어에 의해 전원을 연결단자(100a) 또는 (100b)에 인가하는 스위칭 소자(100c)가 분지수단(100)에 포함된다.
제어부(200)는 냉동 싸이클 내에서 과부하시에 고냉력을 출력하기 위해 코일 권선체(L) 일부에 전원이 인가되도록 하는 공진 운동(power mode)이 수행되도록 하고, 냉동 싸이클 내에서 저부하시에 또는 중간부하시에 저냉력 또는 중간 냉력을 출력하기 위해 코일 권선체(L) 전체에 전원이 인가되도록 하는 정상 운동(saving mode)이 수행되도록 한다. 이를 위해, 제어부(200)는 공진 운동을 위해 분지수단(100)의 스위칭 소자(100c)가 연결단자(100b)에 연결되도록 하고, 또는 제어부(200)는 정상 운동을 위해 분지수단(100)의 스위칭 소자(100c)가 연결단자(100a)에 연결되도록 한다.
상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터가 설계 상에서 고려한 부하 하에서 상기 코일 스프링의 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg)에 의해 산출되는 피스톤의 고유주파수(fn)에 일치하는 운전주파수(fc)로 운전되도록 구성되기 때문에 단지 설계 상에서 고려한 부하 하에서만 상기 리니어 모터가 공진 상태에서 운전됨으로 효율을 높일 수 있다.
그런데, 상기와 같은 리니어 압축기는 실제 부하가 가변됨에 따라 상기 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg) 및 이를 고려하여 산출된 피스톤의 고유주파수 (fn)가 변경된다.
구체적으로, 상기 리니어 모터는 설계시 중간부하 영역에서 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치하도록 운전주파수(fc)가 결정되고, 부하가 가변되더라도 이와 같이 결정된 일정한 운전주파수(fc)로 운전되지만, 상기 피스톤의 고유주파수(fn)는 부하가 커짐에 따라 커지게 된다.
Figure 112006008046952-PAT00001
이때, 상기 fn 은 피스톤의 고유주파수이고, Km 및 Kg 는 기계 스프링 상수 및 가스 스프링 상수이며, M은 피스톤의 질량이다.
보통, 설계 당시 전체 스프링 상수(KT)에서 가스 스프링 상수(Kg)가 차지하는 비율이 작기 때문에 가스 스프링 상수(Kg)를 고려하지 않거나, 가스 스프링 상수(Kg)를 일정한 값으로 설정하여 적용되고, 상기 피스톤의 질량(M) 및 기계 스프링 상수(Km) 역시 일정한 값을 가짐으로 상기 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 상기 수학식1에 의존하여 일정한 값으로 산출된다.
그러나, 실제로 부하가 증가할수록 제한된 공간에서 냉매의 압력 및 온도가 높아지고, 이로 인하여 상기 가스 스프링 자체의 탄성력이 커져 가스 스프링 상수(Kg)가 커지고, 이러한 가스 스프링 상수(Kg)에 비례하도록 산출되는 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 커지게 된다.
상술된 도 1의 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 제어장치는 이러한 가스 스프링 상수(Kg)에 따라 가변하는 피스톤 또는 가동부재의 고유주파수(fn)를 고려함이 없이, 운전주파수(fc)만을 조절하게 됨으로써, 부하의 냉력에 따라 출력을 가변할 수는 있어도, 리니어 압축기의 공진 주파수에서는 벗어나게 되어, 리니어 압축기의 효율이 떨어지게 된다. 또한, 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 경우, 외부로부터 인가되는 공급전원의 변동에 따라 효율 및 냉력의 변화가 상당히 크게 되어, 리니어 압축기의 운전 상에서 치명적인 문제점이 되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 인가되는 외부 전원의 변동에 영향을 받지 않고 부하에 따라 출력이 변동하는 리니어 압축기의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 소정의 요구되는 출력에 따라 코일에 인가되는 정전원의 크기를 변화시킴으로써 다수개의 출력을 구현하는 리니어 압축기의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 정전원의 크기 및, 이 정전원이 인가되는 코일의 길이를 변 화시킴으로써, 다수개의 출력을 구현하는 리니어 압축기의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 리니어 압축기의 제어장치는 리니어 압축기의 원주 방향으로 적층된 코일 권선체와, 상기 코일 권선체에 직렬로 연결된 캐패시터와, 외부 전원을 인가받아 특정크기의 정전원으로 변환되도록 하여 상기 코일 권선체에 인가하는 정전원 공급부와, 상기 정전원 공급부가 상기 특정크기의 정전원을 상기 코일 권선체에 공급하도록 제어하여 부하에 따른 상기 리니어 압축기의 출력변화를 유도하는 제어부로 이루어진다.
이때, 상기 정전원 공급부는 상기 외부 전원의 전압 및 주파수 중의 적어도 하나 이상을 상기 특정크기로 변환하여 이에 따른 정전원을 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 코일 권선체와 상기 캐패시터에 의한 운전주파수는 상기 리니어 압축기의 최대출력에서의 고유주파수와 일치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 요청출력에 따라 상기 전압 및 주파수 중의 적어도 하나 이상의 특정크기를 변경하고, 상기 정전원 공급부가 상기 변경된 특정크기의 정전원을 생성하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 코일 권선체는 복수의 권선탭이 접속되고, 상기 제어장치는 상기 요청출력에 따라 상기 제어부에 의해 제어되어 상기 복수의 권선탭에 선택적으로 접속되어 상기 코일 권선체의 일부 또는 전체에 상기 정전원이 인가되도록 하는 분지수단을 추가적으로 구비하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명은 본 발명의 실시예들 및 첨부도면에 기초하여 무빙 마그네트 타입의 리니어 모터가 작동되고, 이와 연결된 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선 이동되면서 냉매를 흡입, 압축, 토출시키는 리니어 압축기를 예로 들어 상세하게 설명된다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 2에 도시된 바와 같이 밀폐용기(2) 일측에 냉매가 유,출입되는 유입관(2a) 및 유출관(2b)이 설치되고, 밀폐용기(2) 내측에 실린더(4)가 고정되도록 설치되며, 실린더(4) 내부의 압축공간(P)으로 흡입된 냉매를 압축시킬 수 있도록 실린더(4) 내부에 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되는 동시에 피스톤(6)의 운동방향에 탄성 지지되도록 각종 스프링이 설치되고, 피스톤(6)은 직선 왕복 구동력을 발생시키는 리니어 모터(10)와 연결되도록 설치되되, 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 의존하여 가변되더라도 상기 리니어 모터(10)는 가변되는 부하에 따라 냉력(출력)을 변화시키는 자연 출력 변화를 유도한다.
아울러, 압축공간(P)과 접하고 있는 피스톤(6)의 일단에 흡입밸브(22)가 설 치되고, 압축공간(P)과 접하고 있는 실린더(4)의 일단에 토출밸브 어셈블리(24)가 설치되며, 흡입밸브(22) 및 토출밸브 어셈블리(24)는 각각 압축공간(P) 내부의 압력에 따라 개폐되도록 자동적으로 조절된다.
여기서, 밀폐용기(2)는 내부가 밀폐되도록 상,하부 쉘이 서로 결합되도록 설치되고, 일측에 냉매가 유입되는 유입관(2a) 및 냉매가 유출되는 유출관(2b)이 설치되며, 실린더(4) 내측에 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치됨과 아울러 실린더(4) 외측에 리니어 모터(10)가 프레임(18)에 의해 서로 조립되어 조립체를 구성하고, 이러한 조립체가 상기 밀폐용기(2) 내측 바닥면에 지지스프링(29)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.
아울러, 밀폐용기(2) 내부 바닥면에는 소정의 오일이 담겨지고, 조립체 하단에는 오일을 펌핑하는 오일공급장치(30)가 설치됨과 아울러 조립체 하측 프레임(18) 내부에는 오일을 피스톤(6)과 실린더(4) 사이로 공급될 수 있도록 오일공급관(18a)이 형성되며, 이에 따라 오일공급장치(30)는 피스톤(6)의 왕복 직선 운동함에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑하고, 이러한 오일은 오일공급관(18a)을 따라 피스톤(6)과 실린더(4) 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 하도록 한다.
다음, 실린더(4)는 피스톤(6)이 왕복 직선 운동할 수 있도록 중공 형상으로 형성됨과 아울러 일측에 압축공간(P)이 형성되고, 유입관(2a) 내측에 일단이 근접하게 위치된 상태에서 유입관(2a)과 동일 직선상에 설치되는 것이 바람직하다.
물론, 실린더(4)는 유입관(2a)과 근접한 일단 내부에 상기 피스톤(6)이 왕 복 직선 운동 가능하게 설치되고, 유입관(2a)과 반대방향 측 일단에 상기 토출밸브 어셈블리(24)가 설치된다.
이때, 토출밸브 어셈블리(24)는 실린더(4)의 일단 측에 소정의 토출공간을 형성하도록 설치되는 토출커버(24a)와, 실린더의 압축공간(P) 측 일단을 개폐하도록 설치되는 토출밸브(24b)와, 토출커버(24a)와 토출밸브(24b) 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 일종의 코일 스프링인 밸브 스프링(24c)으로 이루어지되, 실린더(4)의 일단 내둘레에 오링(R)이 끼움되도록 설치되어 상기 토출밸브(24a)가 실린더(4) 일단을 밀착되도록 한다.
아울러, 토출커버(24a)의 일측과 유출관(2b) 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프(28)가 연결 설치되는데, 루프 파이프(28)는 압축된 냉매가 외부로 토출될 수 있도록 안내할 뿐 아니라 실린더(4), 피스톤(6), 리니어 모터(10)의 상호 작용에 의한 진동이 밀폐용기(2) 전체로 전달되는 것을 완충시켜 준다.
따라서, 피스톤(6)이 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 토출압력 이상이 되면, 밸브 스프링(24c)이 압축되어 토출밸브(24b)를 개방시키고, 냉매가 압축공간(P)으로부터 토출된 다음, 루프 파이프(28) 및 유출관(2b)을 따라 완전히 외부로 토출된다.
다음, 피스톤(6)은 유입관(2a)으로부터 유입된 냉매가 유동될 수 있도록 냉매유로(6a)가 중앙에 형성되고, 유입관(2a)과 근접한 일단이 연결부재(17)에 의해 리니어 모터(10)가 직접 연결되도록 설치됨과 아울러 유입관(2a)과 반대방향 측 일단에 흡입밸브(22)가 설치되며, 피스톤(6)의 운동방향으로 각종 스프링에 의해 탄 성 지지되도록 설치된다.
이때, 흡입밸브(22)는 박판 형상으로 중앙부분이 피스톤(6)의 냉매유로(6a)를 개폐시키도록 중앙부분이 일부 절개되도록 형성되고, 일측이 피스톤(6a)의 일단에 스크류에 의해 고정되도록 설치된다.
따라서, 피스톤(6)이 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 압축공간(P)의 압력이 토출압력보다 더 낮은 소정의 흡입압력 이하가 되면, 흡입밸브(22)가 개방되어 냉매가 압축공간(P)으로 흡입되고, 압축공간(P)의 압력이 소정의 흡입압력 이상이 되면, 흡입밸브(22)가 닫힌 상태에서 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
특히, 피스톤(6)은 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치되는데, 구체적으로 유입관(2a)과 근접한 피스톤(6)의 일단에 반경방향으로 돌출된 피스톤 플랜지(6b)가 코일 스프링 등과 같은 기계 스프링(8a,8b)에 의해 피스톤(6)의 운동방향으로 탄성 지지되고, 유입관(2a)과 반대방향 측 압축공간(P)에 포함된 냉매가 자체 탄성력에 의해 가스 스프링으로 작용하여 피스톤(6)을 탄성 지지하게 된다.
여기서, 기계 스프링(8a,8b)은 부하와 상관없이 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지되, 기계 스프링(8a,8b)은 상기 피스톤 플랜지(6b)를 기준으로 상기 리니어 모터(10)에 고정되는 소정의 지지프레임(26)과 실린더(4)에 각각 축방향으로 나란하게 설치되는 것이 바람직하며, 지지프레임(26)에 지지되는 기계 스프링(8a)과 실린더(4)에 설치되는 기계 스프링(8a)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, 상기의 수학식1에 의존하여 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 증 발압의 차가 클수록 부하가 커지고, 응축압과 증발압의 차가 동일하더라도 평균압이 클수록 부하가 커지도록 산출되며, 이와 같은 부하에 대응하여 가스 스프링 상수(Kg)가 커지도록 산출된다.
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, 종래의 리니어 압축기에 비해 기계 스프링 상수가 더 작은 기계 스프링을 적용함으로써, 전체 스프링 상수에 대한 가스 스프링 상수가 차지하는 비율을 높아지도록 하여 부하에 따라 피스톤의 공진주파수가 비교적 넓은 범위에서 변동되도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어장치의 구성도이다.
도 2와 관련하여, 리니어 모터(10)는 복수개의 라미네이션(12a)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임(18)에 의해 실린더(4) 외측에 고정되도록 설치되는 이너 스테이터(12)와, 코일이 감겨지도록 구성된 코일 권선체(14a) 주변에 복수개의 라미네이션(14b)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 상기 프레임(18)에 의해 상기 실린더(4) 외측에 이너 스테이터(12)와 소정의 간극을 두고 설치되는 아웃터 스테이터(14)와, 이너 스테이터(12)와 아웃터 스테이터(14) 사이의 간극에 위치되어 피스톤(6)과 연결부재(17)에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석(16)으로 이 루어지되, 코일 권선체(14a)는 이너 스테이터(12) 외측에 고정되도록 설치될 수도 있다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이 리니어 모터(10)는 외부 전원을 인가받아 정전원으로 변환하는 정전원 공급부(40)와, 인덕턴스를 다양하게 가변시킬 수 있도록, 리니어 압축기의 원주방향으로 권선되어 정전원을 인가받는 코일 권선체(L)(도 2의 코일 권선체(14a)와 동일한 소자)와, 코일 권선체(L)와 직렬로 연결되어 정전원을 인가받는 캐패시터(C)와, 코일 권선체(L)의 일부 또는 전체에 전원이 인가되도록 하는 분지수단(50)과, 부하에 따라 냉력을 조절되도록 하는 정전원 공급부(40) 및 분지수단(50)을 제어하는 제어부(60)로 이루어진다.
자세하게는, 정전원 공급부(40)는 변동 가능성이 있는 외부 전원을 인가받아, 소정의 크기의 정전압을 지닌 정전원, 또는 소정의 크기를 지닌 정주파수를 지닌 정전원, 또는 소정의 크기의 정전압과 소정의 크기의 정주파수를 지닌 정전원이 캐패시터(C)와 코일 권선체(L)에 인가되도록 한다. 이 정전원 공급부(40)는 인버터 또는 triac 등에 의한 전자회로로 구현될 수 있다.
여기서, 정전압의 크기와 정주파수의 크기는 각각 단일의 값으로 고정되어, 정전원 공급부(40)가 항시 동일한 크기의 정전압 및/또는 정주파수를 지닌 정전원을 인가할 수도 있고, 인가되는 외부 전원을 제어부(60)의 제어에 의해 다른 크기의 정전압 및/또는 정주파수를 지닌 정전원으로 변환하는 기능도 가능하다. 이러한 정전원 공급부(40)는 캐패시터(C)와 코일 권선체(L)에 정전원을 인가함으로써, 변동가능성이 있는 외부 전원의 변동에 의한 출력 변동을 방지할 뿐만 아니라, 부하( 예를 들면, low-load, mid-load, high-load, over-load 등)에 따라 피스톤(6)의 왕복행정 거리가 자동적으로 조절되도록 하여, 상술된 자연 출력 변화를 야기하게 된다. 즉, 이러한 자연 출력 변화는 low-load에서의 피스톤(6)의 왕복 행정 거리와, over-load에서의 피스톤(6)의 왕복 행정 거리가 서로 상이하도록 됨으로써 이루어지며, 특히 over-load 시에는 피스톤(6)의 상사점(TDC)까지 왕복 운동하도록 되는 것이 바람직하다.
또한, 코일 권선체(L)의 일단은 정전원이 인가되는 캐패시터에 연결되고, 코일 권선체(L)의 타단에는 분지수단(50)의 연결단자(50c)가 형성되고, 연결단자(50b)는 코일 권선체(L)의 중간점(M)(또는 중간점(M)의 분지선)에 연결된다.
또한, 캐패시터(C)는 코일 권선체(L)와 함께 제어장치의 회로적인 운전주파수(fc)를 결정하는 구성요소로서, 여기서, 캐패시터(C)와 코일 권선체(L)의 각각의 크기는 리니어 모터(10)의 최대 출력(예를 들면, over-load 동작시)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(10)의 피스톤(6)이 도2에 도시된 상사점(TDC)까지 왕복운동을 수행하도록 하고, 이 최대 출력 이하의 부하에서는 리니어 모터(10)의 피스톤(6)의 부하에 대응하여 왕복운동을 수행하도록 하기 위한 것이다.
또한, 분지수단(50)은 정전원 공급부(40)에 연결되어 연결 단자(50b) 또는 (50c)로 정전원이 인가되도록 선택하는 스위칭 소자(50a)와, 스위칭 소자(50a)와의 접속에 의해 정전원이 코일 권선체(L)에 인가되도록 코일 권선체(L)의 중간점(M)와 타단에 연결된 연결단자(50b, 50c)(또는 권선탭)로 구성된다. 이 분지수단(50)은 제어부(60)의 선택신호에 따라 스위칭 소자(50a)를 동작하여 정전원이 코일 권선체(L)의 일부 또는 전체에 인가되도록 한다. 여기서, 연결단자(50b, 50c)는 2개 뿐만 아니라, 3개 이상도 가능하다. 분지수단(50)은 초기에 스위칭 소자(50a)가 연결단자(50c)에 접하도록 한다.
다음으로, 제어부(60)는 우선적으로 정전원 공급부(40)를 제어하여, 외부 전원을 인가받아 소정의 크기의 정전원으로 변환하여 캐패시터(C)와 코일 권선체(L)에 인가되도록 한다. 그럼으로써, 리니어 모터(10)는 피스톤(6)이 부하에 따라 자동적으로 출력이 변화하도록 한다.
이러한 자동 출력 변화는 도 4에 도시된 도 3의 제어장치에 따른 냉각 용량 그래프에서 명확하게 인식될 수 있다. 즉, 냉각 용량 그래프는 부하(온도, 주위 온도 등)인 low-load(a), mid-load(b), high-load(c), over-load(d)에 따라 냉각 용량이 변화되고 있음을 도시하며, 특히 over-load(d)이후에는 거의 일정한 크기를 지니게 됨을 알 수 있다. 또한, 상술된 바와 같이, over-load(d) 시에는 피스톤(6)이 상사점(TDC)까지 왕복운동하게 되며, 그 이하에서는 부하에 대응하는 왕복 행정 거리로 운동하게 된다. 이러한 자동 출력 변화와 함께, 본 발명에 따른 제어장치에 의한 냉각 용량은 외부 전원이 변동이 되더라도 항상 일정한 크기의 정전원이 인가되기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이 그래프가 서서히 변화하여 냉각 싸이클이 안정적으로 구동된다. 또한, 자동 출력 변화 및 안정된 냉각 싸이클과 함께, 제어장치의 회로적 운전주파수(fc)가 최대출력의 고유주파수(fn)와 일치하도록 되어, 최대출력(over-load)에서 상사점(TDC) 왕복을 수행하여, 냉각 효율이 최대가 된다. 종래의 리니어 압축기의 경우, 회로의 운전주파수(fc)를 high-load의 출력의 고유주파수(fn)와 일치하도록 하여, 최대출력(over-load)에서 그 냉각 용량이 감소되는 경향이 있었다.
또한, 제어부(60)는 요청출력에 따라 냉각 용량을 변화시킬 수 있다. 여기서, 요청 출력은 냉각 싸이클 상에서 요구되거나 사용자 등에 의해서 요구되는 모든 출력 변동을 의미한다. 이러한 냉각 용량의 변화의 제1방법은 정전원 공급부(40)를 제어하는 방법이고, 제2방법은 분지수단(50)을 제어하는 방법이다.
먼저, 냉각 용량의 변화를 위한 제1방법은 정전원 공급부(40)에서 변환되는 정전원의 크기를 변경하는 것이다. 예를 들어, 출력을 높이고자 하는 경우, 제어부(60)는 정전원 공급부(40)에서 변환되는 정전원의 크기를 크게 하거나, 정주파수의 크기를 작도록 한다. 이렇게 출력을 높일 경우, 도 4의 그래프는 위쪽으로 이동하게 된다(다만, 이때 그래프의 기울기의 변동이 가능하다). 또한, 출력을 낮추고자 하는 경우, 제어부(60)는 정전원 공급부(40)에서 변환되는 정전원의 크기를 작게 하거나, 정주파수의 크기를 크도록 한다. 이렇게 출력을 낮출 경우, 도 4의 그래프 는 아래쪽으로 이동하게 된다(다만, 이때 그래프의 기울기의 변동이 가능하다). 경우에 따라서는, 초기 냉각 동작을 수행하는 경우는 출력을 높이고자 하면, 정주파수의 크기를 크게 변환하고, 출력을 낮추고자 하면 정주파수의 크기를 낮도록 해야 한다.
다음으로, 냉각 용량의 변화를 위한 제2방법은 분지수단(50)을 제어하여 정전원이 인가되는 코일 권선체(L)의 길이를 조절하는 방법이다. 도 4의 그래프는 분지수단(50)의 스위칭 소자(50a)가 연결단자(50c)에 연결된 상태에서 도출된 결과이고, 제어부(60)가 분지수단(50)을 제어하여 스위칭 소자(50a)가 연결단자(50b)에 연결되도록 하면 코일 권선체(L) 일부인 (L1)에만 정전원이 인가되어 출력이 감소되어, 도 4의 그래프는 아래쪽으로 이동하게 된다(다만, 이때 그래프의 기울기 변동이 가능하다). 즉, 정전원이 인가되는 코일 권선체(L)의 길이를 길게 하면 정전원이 전체에 인가되어 출력이 커지게 되고, 정전원이 인가되는 코일 권선체(L)의 길이를 짧게 하면 정전원이 일부분에만 인가되어 출력이 작아지게 된다.
상술된 제1방법과 제2방법은 각각 개별적으로 제어부(60)에 의해 수행될 수도 있고, 조합하여 수행될 수 있어서, 다양한 출력 변화를 구현할 수 있게 된다.
이러한 구성의 본 발명은 인가되는 외부 전원의 변동에 영향을 받지 않고 부하에 따라 출력이 변동하도록 하여 냉각 효율을 극대화시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 소정의 요구되는 출력에 따라 코일에 인가되는 정전원의 크 기를 변화시킴으로써 다수개의 출력을 구현하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 정전원의 크기 및, 이 정전원이 인가되는 코일의 길이를 변화시킴으로써, 다수개의 출력을 구현하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 정전원과 최대출력에서의 공진점 설계를 통하여 최대출력시에 상사점(TDC) 왕복 행정을 수행하도록 하여, 냉각 용량 및 냉각 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 리니어 압축기의 원주 방향으로 적층된 코일 권선체와;
    상기 코일 권선체에 직렬로 연결된 캐패시터와;
    외부 전원을 인가받아 특정크기의 정전원으로 변환되도록 하여 상기 코일 권선체에 인가하는 정전원 공급부와;
    상기 정전원 공급부가 상기 특정크기의 정전원을 상기 코일 권선체에 공급하도록 제어하여 부하에 따른 상기 리니어 압축기의 출력변화를 유도하는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정전원 공급부는 상기 외부 전원의 전압 및 주파수 중의 적어도 하나 이상을 상기 특정크기로 변환하여 이에 따른 정전원을 생성하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코일 권선체와 상기 캐패시터에 의한 운전주파수는 상기 리니어 압축기의 최대출력에서의 고유주파수와 일치하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제 어장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 요청출력에 따라 상기 전압 및 주파수 중의 적어도 하나 이상의 특정크기를 변경하고, 상기 정전원 공급부가 상기 변경된 특정크기의 정전원을 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일 권선체는 복수의 권선탭이 접속되고, 상기 제어장치는 상기 요청출력에 따라 상기 제어부에 의해 제어되어 상기 복수의 권선탭에 선택적으로 접속되어 상기 코일 권선체의 일부 또는 전체에 상기 정전원이 인가되도록 하는 분지수단을 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
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