KR20070092027A - 리니어 압축기의 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 일정한 운전 주파수에서 가동부재의 스트로크를 제어하여 냉력 또는 부하에 대응하는 리니어 압축기에 관한 것이다.
본 발명인 리니어 압축기의 제어장치는 외부 교류전원을 인가받아 소정의 제어신호에 따라 교류전압을 생성하여 리니어 모터의 코일 권선체에 인가하는 구동부와, 냉력에 따른 리니어 압축기의 가동부재의 스트로크의 가변량을 설정하여, 상기 가동부재가 상사점까지 직선왕복운동을 수행하면서도, 상기 가변량에 따른 직선왕복운동을 수행하도록 하는 제어신호를 생성하여 상기 구동부로 인가하는 제어부를 포함한다.

Description

리니어 압축기의 제어장치{CONTROLLING APPARATUS FOR LINEAR COMPRESSOR}
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크가 도시된 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도이다.
도 3은 도 2의 리니어 압축기의 냉력 또는 부하에 따른 스트로크를 도시하는 단면도이다.
도 4는 냉력 또는 부하에 따른 스트로크와 시간의 그래프이다.
도 5는 도 2의 리니어 압축기의 제어장치의 제1실시예이다.
도 6은 도 5의 제어장치에서 생성된 비대칭 교류전압의 실시예이다.
도 7은 도 2의 리니어 압축기의 제어장치의 제2실시예이다.
도 8은 도 7의 구동부의 상세 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
40: 상용 교류전원 50: 구동부
61: 전압감지부 62: 전류감지부
70: 제어부 71: 선형모델링부
72: 위상제어부 73: 역기전압 제어부
74: 신호생성부
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 일정한 운전 주파수에서 가동부재의 스트로크를 제어하여 냉력 또는 부하에 대응하는 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.
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.
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 코일이 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.
한편, 상기 피스톤은 상기 리니어 모터에 의해 왕복 직선 운동하더라도 운동방향으로 탄성 지지될 수 있도록 각종 스프링이 설치되는데, 구체적으로 기계 스프링의 일종인 코일 스프링이 상기 피스톤의 운동방향으로 상기 밀폐용기 및 실린더에 탄성 지지되도록 설치되며, 상기 압축공간으로 흡입된 냉매 역시 가스 스프링으로 작용하게 된다.
이때, 상기 코일 스프링은 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지고, 상기 가스 스프링은 부하에 따라 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가지며, 상기 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)를 고려하여 피스톤(또는 리니어 압축기)의 고유주파수(fn)가 산출된다.
이와 같이 산출된 피스톤의 고유주파수(fn)는 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)를 결정하게 되는데, 상기 리니어 모터는 운전주파수(fc)를 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치되도록 하여, 즉 상기 공진 상태에서 운전시킴으로 효율을 높일 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터에 전류가 인가되면, 상기 코일에 전류가 흐름이 따라 상기 아웃터 스테이터 및 이너 스테이터와 상호 작용에 의해 전자기력이 발생되고, 이러한 전자기력에 의해 상기 영구자석 및 이와 연결된 피스톤이 왕복 직선 운동하게 된다.
이때, 상기 리니어 모터는 일정한 운전주파수(fc)로 운전하게 되고, 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)는 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치하여 공진상태에서 운전되어 효율을 극대화시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간 내부의 압력이 변화되고, 이와 같이 상기 압축공간의 압력 변화에 따라 냉매가 상기 압축공간으로 흡입된 다음, 압축되어 토출된다.
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 도 1에 도시된 바와 같이 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 112006016552728-PAT00001
이때, 상기 fn 은 피스톤의 고유주파수이고, Km 및 Kg 는 기계 스프링 상수 및 가스 스프링 상수이며, M 은 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.
따라서, 중간부하 영역에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)와 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 일치함으로 상기 피스톤이 상사점까지 도달하도록 운전되어 안정적으로 압축작용이 이루어지고, 공진 상태에서 운전이 이루어짐으로 압축기의 효율이 최대가 된다.
하지만, 저부하 영역에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)보다 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 작아짐으로 상기 피스톤이 상사점 이상으로 과도하게 움직여 과도한 압축력이 작용될 뿐 아니라 상기 피스톤 및 실린더의 마찰 및 마모가 발생되고, 공진 상태에서 운전되지 않으므로 압축기 효율이 떨어진다.
마찬가지로, 고부하 영역에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)보다 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 커짐으로 상기 피스톤이 상사점에 못 미치도록 운전되어 압축력이 떨어지고, 공진 상태에서 운전되지 않으므로 압축기 효율이 떨어진다.
결과적으로, 종래의 리니어 압축기는 부하가 가변됨에 따라 피스톤의 고유주파수(fn)가 가변되는 반면, 리니어 모터의 운전주파수(fc)는 일정하기 때문에 상기 리니어 모터가 공진 상태에서 운전되지 않으므로 그 효율이 떨어지고, 능동적으 로 부하에 대응하지 못하여 신속하게 부하를 해소할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 부하의 가변됨에 따라 가변하는 피스톤의 고유주파수(fn)를 추종하여 가변되는 경우, 피스톤, 실린더 등의 부품의 재질에 따른 기구 고유주파수가 이 가변되는 운전주파수(fc)에 대응하여 공진되는 점을 회피하기 위한 추가적인 설계가 이루어져야 한다. 즉, 종래와 같이 운전주파수(fc)가 고정된 경우에는 발생하지 않던 문제가 야기될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 리니어 압축기가 공진 상태에서 동작하지 않더라도 모든 부하에 대응하여 효율적으로 동작할 수 있는 리니어 압축기의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 임의의 고정된 운전주파수를 사용하여 공진 회피 설계를 용이하게 하면서도 연속적으로 부하 또는 냉력에 대응할 수 있는 리니어 압축기의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 부하 또는 냉력의 가변과 상관없이 피스톤(가동부재)이 상사점까지 직선왕복운동을 수행하도록 하는 리니어 압축기의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 리니어 압축기의 제어장치는 외부 교류전원을 인가받아 소정의 제어신호에 따라 교류전압을 생성하여 리니어 모터의 코일 권선체에 인가하는 구동부와, 냉력에 따른 리니어 압축기의 가동부재의 스트로크의 가변량을 설정하여, 상기 가동부재가 상사점까지 직선왕복운동을 수행하면서도, 상기 가변량에 따른 직선왕복운동을 수행하도록 하는 제어신호를 생성하여 상기 구동부로 인가하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 구동부는 상기 제어신호에 따라 비대칭 교류 전압을 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 구동부가 일정한 주파수의 교류전압을 생성하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어장치는 상기 코일 권선체로 인가되는 교류전압 및 교류전류를 감지하는 감지부를 추가적으로 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 감지된 교류전압과 교류전류로부터 역기전압의 피크치와 위상을 산정하는 선형 모델링부와, 상기 역기전압의 피크치와 역기전압 지령으로부터 기준전압을 생성하는 역기전압 제어부와, 상기 감지된 교류전류의 위상과 역기전압의 위상으로부터 상기 비대칭 교류전압의 비대칭율을 산정하는 위상 제어부와, 상기 기준전압과 비대칭율에 따른 제어신호를 생성하여 상기 구동부에 인가하는 신호생성부로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 역기전압 지령은 상기 냉력에 대응하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구동부는 인버터부이고, 상기 신호생성부는 소정의 펄스폭변조신 호인 제어신호를 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구동부는 트라이액이고, 상기 신호생성부는 상기 트라이액의 온/오프를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 코일 권선체에 인가되는 구동부의 점호각을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구동부는 상기 제어신호에 따라 상기 외부 교류전원을 상기 코일 권선체로 그대로 인가하거나 소정의 직류전압을 더하여 상기 비대칭 교류전압을 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구동부는 상기 외부 교류전원을 정류하여 상기 직류전압을 생성하는 정류수단과, 상기 제어신호에 따라 상기 정류수단을 통한 직류전압의 생성을 제어하여 상기 비대칭 교류전압을 생성하는 스위치부로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 감지된 교류전압과 교류전류로부터 역기전압의 위상을 산정하는 선형 모델링부와, 상기 감지된 교류전류의 위상과 역기전압의 위상으로부터 상기 비대칭 교류전압의 비대칭율을 산정하는 위상 제어부와, 상기 비대칭율에 따른 제어신호를 생성하여 상기 구동부에 인가하는 신호생성부로 이루어진 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 상 세하게 설명된다. 그러나, 이하의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도이다. 본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 2에 도시된 바와 같이 밀폐용기(2) 일측에 냉매가 유,출입되는 유입관(2a) 및 유출관(2b)이 설치되고, 상기 밀폐용기(2) 내측에 실린더(4)가 고정되도록 설치되며, 상기 실린더(4) 내부의 압축공간(P)으로 흡입된 냉매를 압축시킬 수 있도록 상기 실린더(4) 내부에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되는 동시에 상기 피스톤(6)의 운동방향에 탄성 지지되도록 각종 스프링이 설치되고, 상기 피스톤(6)은 직선 왕복 구동력을 발생시키는 리니어 모터(10)와 연결되도록 설치된다.
아울러, 상기 압축공간(P)과 접하고 있는 상기 피스톤(6)의 일단에 흡입밸브(22)가 설치되고, 상기 압축공간(P)과 접하고 있는 상기 실린더(4)의 일단에 토출밸브 어셈블리(24)가 설치되며, 상기 흡입밸브(22) 및 토출밸브 어셈블리(24)는 각각 상기 압축공간(P) 내부의 압력에 따라 개폐되도록 자동적으로 조절된다.
여기서, 상기 밀폐용기(2)는 내부가 밀폐되도록 상,하부 쉘이 서로 결합되도록 설치되고, 일측에 냉매가 유입되는 유입관(2a) 및 냉매가 유출되는 유출관(2b)이 설치되며, 상기 실린더(4) 내측에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치됨과 아울러 상기 실린더(4) 외측에 상기 리니어 모터(10)가 프레임(18)에 의해 서로 조립되어 조립체를 구성하고, 이러한 조 립체가 상기 밀폐용기(2) 내측 바닥면에 지지스프링(29)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.
아울러, 상기 밀폐용기(2) 내부 바닥면에는 소정의 오일이 담겨지고, 상기 조립체 하단에는 오일을 펌핑하는 오일공급장치(30)가 설치됨과 아울러 상기 조립체 하측 프레임(18) 내부에는 오일을 상기 피스톤(6)과 실린더(4) 사이로 공급될 수 있도록 오일공급관(18a)이 형성되며, 이에 따라 상기 오일공급장치(30)는 상기 피스톤(6)의 왕복 직선 운동함에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑하고, 이러한 오일은 상기 오일공급관(18a)을 따라 상기 피스톤(6)과 실린더(4) 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 하도록 한다.
다음, 상기 실린더(4)는 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동할 수 있도록 중공 형상으로 형성됨과 아울러 일측에 압축공간(P)이 형성되고, 상기 유입관(2a) 내측에 일단이 근접하게 위치된 상태에서 상기 유입관(2a)과 동일 직선상에 설치되는 것이 바람직하다.
물론, 상기 실린더(4)는 상기 유입관(2a)과 근접한 일단 내부에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되고, 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 일단에 상기 토출밸브 어셈블리(24)가 설치된다.
이때, 상기 토출밸브 어셈블리(24)는 상기 실린더(4)의 일단 측에 소정의 토출공간을 형성하도록 설치되는 토출커버(24a)와, 상기 실린더의 압축공간(P) 측 일단을 개폐하도록 설치되는 토출밸브(24b)와, 상기 토출커버(24a)와 토출밸브(24b) 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 일종의 코일 스프링인 밸브 스프링 (24c)으로 이루어지되, 상기 실린더(4)의 일단 내둘레에 오링(R)이 끼움되도록 설치되어 상기 토출밸브(24a)가 상기 실린더(4) 일단을 밀착되도록 한다.
아울러, 상기 토출커버(24a)의 일측과 상기 유출관(2b) 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프(28)가 연결 설치되는데, 상기 루프 파이프(28)는 압축된 냉매가 외부로 토출될 수 있도록 안내할 뿐 아니라 상기 실린더(4), 피스톤(6), 리니어 모터(10)의 상호 작용에 의한 진동이 상기 밀폐용기(2) 전체로 전달되는 것을 완충시켜 준다.
따라서, 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 토출압력 이상이 되면, 상기 밸브 스프링(24c)이 압축되어 상기 토출밸브(24b)를 개방시키고, 냉매가 상기 압축공간(P)으로부터 토출된 다음, 상기 루프 파이프(28) 및 유출관(2b)을 따라 완전히 외부로 토출된다.
다음, 상기 피스톤(6)은 상기 유입관(2a)으로부터 유입된 냉매가 유동될 수 있도록 냉매유로(6a)가 중앙에 형성되고, 상기 유입관(2a)과 근접한 일단이 연결부재(17)에 의해 상기 리니어 모터(10)가 직접 연결되도록 설치됨과 아울러 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 일단에 상기 흡입밸브(22)가 설치되며, 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 각종 스프링에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.
이때, 상기 흡입밸브(22)는 박판 형상으로 중앙부분이 상기 피스톤의 냉매유로(6a)를 개폐시키도록 중앙부분이 일부 절개되도록 형성되고, 일측이 상기 피스톤(6a)의 일단에 스크류에 의해 고정되도록 설치된다.
따라서, 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력보다 더 낮은 소정의 흡입압력 이하가 되면, 상기 흡입밸브(22)가 개방되어 냉매가 상기 압축공간(P)으로 흡입되고, 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 흡입압력 이상이 되면, 상기 흡입밸브(22)가 닫힌 상태에서 상기 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
특히, 상기 피스톤(6)은 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치되는데, 구체적으로 상기 유입관(2a)과 근접한 피스톤(6)의 일단에 반경방향으로 돌출된 피스톤 플랜지(6b)가 코일 스프링 등과 같은 기계 스프링(8a, 8b)에 의해 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 탄성 지지되고, 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 압축공간(P)에 포함된 냉매가 자체 탄성력에 의해 가스 스프링으로 작용하여 상기 피스톤(6)을 탄성 지지하게 된다.
여기서, 상기 기계 스프링(8a,8b)은 부하와 상관없이 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지되, 상기 기계 스프링(8a,8b)은 상기 피스톤 플랜지(6b)를 기준으로 상기 리니어 모터(10)에 고정되는 소정의 지지프레임(26)과 상기 실린더(4)에 각각 축방향으로 나란하게 설치되는 것이 바람직하며, 상기 지지프레임(26)에 지지되는 기계 스프링(8a)과 상기 실린더(4)에 설치되는 기계 스프링(8a)이 동일한 기계 스프링 상수(Km)를 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.
물론, 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, 상기 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 산출된다.
다음, 상기 리니어 모터(10)는 복수개의 라미네이션(12a)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 상기 프레임(18)에 의해 상기 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 상기 이너 스테이터(12)와 소정의 간극을 두고 설치되는 아웃터 스테이터(14)와, 상기 이너 스테이터(12)와 아웃터 스테이터(14) 사이의 간극에 위치되어 상기 피스톤(6)과 연결부재(17)에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석(16)으로 이루어지되, 상기 코일 권선체(14a)는 상기 이너 스테이터(12) 외측에 고정되도록 설치될 수도 있다.
상기와 같은 리니어 모터(10)에서 상기 코일 권선체(14a)에 전류가 인가됨에 따라 전자기력이 발생되고, 이와 같은 전자기력과 상기 영구자석(16)의 상호작용에 의해 상기 영구자석(16)이 왕복 직선 운동하게 되고, 상기 영구자석(16)과 연 결된 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동하게 된다.
도 3은 도 2의 리니어 압축기의 냉력 또는 부하에 따른 스트로크를 도시하는 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 실린더(4) 내에서 피스톤(6)이 직선왕복운동을 하는데 있어서, 예를 들면, 저부하에 따른 저냉력 모드에서는 피스톤(6)이 중심점(MP)으로부터 압축행정 동안 거리(a)만큼 이동하고, 흡입행정 동안 거리(b1)만큼 이동하여 전체 스트로크(S1)은 거리(a)와 거리(b1)의 합으로 산정된다. 특히, 저냉력 모드에서도, 피스톤(6)은 압축행정 시에 실린더(4)의 상사점(TDC: Top Dead Center)까지 직선왕복운동을 수행하고, 흡입행정 시에 하사점(BDC1: Bottom Dead Center 1)까지 직선왕복운동을 수행한다.
또한, 고부하에 따른 고냉력 모드에서는 피스톤(6)이 중심점(MP: Mid Point)으로부터 압축행정 동안 거리(a)만큼 이동하고, 흡입행정 동안 거리(b2)만큼 이동하여 전체 스트로크(S2)은 거리(a)와 거리(b2)의 합으로 산정된다. 특히, 고냉력 모드에서도, 피스톤(6)은 압축행정 시에 실린더(4)의 상사점(TDC: Top Dead Center)까지 직선왕복운동을 수행하고, 흡입행정 시에 하사점(BDC2)까지 직선왕복운동을 수행한다. 상술된 저냉력 및 고냉력은 상대적인 개념에 불과하다.
도 3과 같이, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 부하가 가변되어 그에 따른 냉력을 야기하기 위해 피스톤(6)의 스트로크의 가변량을 설정하여 가변하되, 항상 피스톤(6)이 상사점(TDC)까지 직선왕복운동을 수행하도록 하여, 압축 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 냉력 또는 부하에 따른 스트로크와 시간의 그래프이다. 도 4는 도 3 에서 도시된 본 발명에 따른 리니어 압축기의 직선왕복운동을 시간에 따라 도시한 그래프이다.
먼저, 모든 부하에서 압축행정 시에, 중심점(MP)으로부터의 이동거리(a)는 동일하다. 저냉력 모드의 스트로크(S1)가 압축행정 시의 이동거리(a)와 흡입행정 시의 이동거리(b1)의 합이고, 고냉력 모드의 스트로크(S2)가 압축행정 시의 이동거리(a)와 흡입행정 시의 이동거리(b2)의 합이다. 또한, 저냉력 모드보다 더 적은 냉력 모드에서, 압축행정 시의 이동거리(a)와, 흡입행정 시의 이동거리(b3)의 합으로 정의될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 부하 또는 냉력에 따라 피스톤(6)의 스트로크의 크기를 제어하며, 즉 스트로크의 가변량을 설정할 수 있으며, 이러한 스트로크의 가변량은 (흡입행정시의 피스톤(6)의 이동거리)/(압축행정시의 피스톤(6)의 이동거리)로, 즉 비대칭율(b/a)(여기서, b는 흡입행정시의 피스톤(6)의 이동거리를 총칭하는 문자이다)로 간략하게 정의될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 피스톤(6)의 운전주파수(fc)를 고정한 상태에서 피스톤(6)이 중심점(MP)에 대하여 서로 비대칭적인 직선왕복운동을 수행하도록 하여, 가변하는 부하 또는 냉력에 대응할 수 있게 된다. 하기에서, 이러한 피스톤(6)의 스트로크 가변량에 따른 비대칭적인 직선왕복운동을 수행하기 위한 구성요소들에 대하여 상세하게 개시된다.
도 5는 도 2의 리니어 압축기의 제어장치의 제1실시예이다. 여기서, 제어장치는 상술된 리니어 모터(10)에 인가되는 비대칭 교류전압을 제어하는 장치이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어장치는 상용 교류전원(40)을 인가받아, 부하 또는 냉력에 따라 피스톤(6)이 비대칭 직선왕복운동을 수행할 수 있도록 하는 제어신호를 수신하여, 그에 따른 비대칭 교류전압을 코일 권선체(14a)에 인가하는 구동부(50)와, 구동부(50)로부터 코일 권선체(14a)에 인가되는 교류전압(v)과 교류전류(i)를 측정하는 전압 감지부(61) 및 전류감지부(62)와, 감지된 교류전압(v)과, 교류전류(i) 및 역기전압 지령치(E*)를 입력받아, 부하 또는 냉력에 따라 피스톤(6)의 비대칭 직선왕복운동을 위해 구동부(50)의 비대칭 교류전압의 생성을 위한 제어신호를 생성하여 구동부(50)에 인가하는 제어부(70)로 이루어진다. 여기서, 역기전압 지령치(E*)는 리니어 압축기가 장착되는 전기 기기의 마이컴(미도시)으로부터 생성된 것이거나, 제어부(70)가 별도의 온도센서(미도시)로부터 감지된 온도정보 등에 따라 독립적으로 부하 또는 냉력에 따라 산정한 값이다.
자세하게는, 상용 교류전원(40)은 일반 가정이나 공장, 사무실 등에서 사용되는 110V, 220V, 330V 등의 교류전원이다.
구동부(50)는 제어신호에 따라 코일 권선체(14a)로 비대칭 교류전압을 생성하여 피스톤(6)이 압축행정 시에 상사점(TDC)에 도달하고, 부하 또는 냉력에 따른 스트로크를 충족하기 위해 흡입행정 시에 적절한 하사점(BDC)까지 직선왕복운동을 수행하도록 한다. 여기서, 구동부(50)는 예를 들면 인버터부이거나 트라이액일 수 있다. 즉, 인버터부는 상용교류전원을 정류하는 정류부와, 이정류부로부터의 정류 전압을 제어신호(펄스폭변조(PWM) 신호)에 따라 교류전압으로 생성하는 인버터소자 로 이루어진다.
또한, 제어부(70)는 감지된 교류전압(v)과 교류전류(i)로부터 역기전압의 위상(Eθ) 및 피크치(EP)를 산정하는 선형모델링부(71)와, 감지된 교류전류의 위상(iθ)과 역기전압의 위상(Eθ)으로부터 비대칭율(b/a)을 산정하는 위상제어부(72)와, 역기전압의 피크치(EP)와 역기전압 지령치(E*)로부터 기준전압(Vref)을 산정하는 역기전압 제어부(73)와, 비대칭율(b/a)과 기준전압(Vref)에 따른 제어신호를 생성하여 구동부(50)로 인가하는 신호생성부(74)로 이루어진다.
자세하게는, 선형모델링부(71)은 하기의 수학식2에 따라 역기전압(E)을 산정하며, 그에 따라 그 위상(Eθ)과, 피크치(EP)를 산정할 수 있다.
Figure 112006016552728-PAT00002
여기서, R은 코일 권선체(14a) 등의 도선의 등가적 저항이고, L은 코일 권선체(14a)의 등가적 인덕턴스 계수이고, i는 감지된 교류전류이고, v은 감지된 교류전압이고, 제어장치에 캐패시터가 있는 경우, 이 캐패시터의 용량이 C에 해당된다. 상술된 변수들은 모두 측정이 가능하므로, 상기 수학식2를 통하여 역기전력을 산정할 수 있다.
다음으로, 위상제어부(72)는 전류감지부(62)로부터의 교류전류의 위상(iθ)와 선형모델링부(71)로부터의 역기전압의 위상(Eθ)이 서로 위상차가 '0'이 되도록 하는 비대칭율(b/a)을 산정한다. 예를 들면, 역기전압이 교류전압보다 앞서서, 즉 역기전압의 위상(Eθ)이 교류전류의 위상(iθ)보다 큰 경우, 즉 피스톤(6)의 공진 주파수(fn)가 증가하게 되어 고냉력 또는 과냉력이 요구되는 경우(예를 들면, 운전주파수(fc)가 60Hz일 때, 공진 주파수(fn)가 60Hz 이상이 되는 경우), 운전주파수(fc)의 변경없이 위상 제어부(72)는 비대칭율(b/a)을 증가시킴으로써 피스톤(6)의 스트로크를 증가시키고, 그에 따라 고냉력 또는 과냉력을 충족시키도록 한다.
반대로, 교류전압이 역기전압보다 앞서서, 즉 역기전압의 위상(Eθ)이 교류전류의 위상(iθ)보다 작은 경우, 즉 피스톤(6)의 공진 주파수(fn)가 감소하게 되어 저냉력 또는 최저냉력이 요구되는 경우(예를 들면, 운전주파수(fc)가 60Hz일 때, 공진 주파수(fn)가 60Hz 이하가 되는 경우), 운전주파수(fc)의 변경없이 위상 제어부(72)는 비대칭율(b/a)을 감소시킴으로써 피스톤(6)의 스트로크를 감소시키고, 그에 따라 저냉력 또는 최저냉력을 충족시키도록 한다.
또한, 역기전압 제어부(73)는 역기전압의 피크치(EP)와 역기전압 지령치(E*) 간의 차이로부터 기준전압(Vref)을 산정한다. 즉, 역기전압 제어부(730는 역기전압 의 피크치(EP)가 역기전압 지령치(E*)보다 작은 경우, 이전의 기준전압 또는 초기 기준전압을 증가시키고, 역기전압의 피크치(EP)가 역기전압 지령치(E*)보다 큰 경우, 이전의 기준전압 또는 초기 기준전압을 감소시킴으로써, 기준전압(Vref)을 설정하여 생성한다.
또한, 신호생성부(74)는 위상 제어부(72)로부터의 비대칭율(b/a)와 역기전압 제어부(73)로부터의 기준전압(Vref)에 따라 제어신호를 생성한다. 여기서의 제어신호는 압축행정시의 이동거리(a)에 대응하도록 기준전압(Vref)과 비대칭율(b/a)(즉, a)로부터 압축행정을 위한 교류전압 크기와, 흡입행정시의 이동거리(b)에 대응하도록 기준전압(Vref)과 비대칭율(b/a)(즉, b)로부터 흡입행정을 위한 교류전압 크기에 대한 신호이다. 예를 들면, 압축행정을 위한 교류신호의 피크치(피스톤(6)이 상사점(TDC)에 도달할 수 있는 전압 크기)가 기준전압(Vref)이면, 흡입 행정을 위한 교류신호의 피크치는 기준전압(Vref)와 비대칭율(b/a)의 곱으로 설정되어, 비대칭 교류전압이 비대칭율(b/a)에 따라 생성될 수 있다.
상술된 바와 같이, 구동부(50)가 인버터부인 경우, 이 제어신호는 펄스폭변조신호에 해당하며, 제어부(70)는 부하 또는 냉력에 따라 구동부(50)가 비대칭 교류전압을 생성하도록 이를 위한 펄스폭변조신호를 생성하여 인가한다. 인버터부의 경우, 운전주파수(fc)의 가변이 용이하므로, 제한적인 범위 내에서 리니어 압축기의 운전주파수(fc)를 증감하고, 상술된 피스톤(6)의 스트로크를 가변하여 부하 또는 냉 력에 따른 제어가 수행될 수도 있다.
또한, 구동부(50)가 트라이액과 같은 스위치인 경우, 이 제어신호는 트라이액의 점호각을 제어하는 신호에 해당된다. 즉, 제어부(70)는 부하 또는 냉력에 따라 구동부(50)가 비대칭 교류전압을 생성하도록 이를 위한 점호각 제어신호를 생성하여 인가한다.
도 6은 도 5의 제어장치에서 생성된 비대칭 교류전압의 실시예이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 구동부(50)가 트라이액과 같은 스위치인 경우, 구동부(50)가 부하 또는 냉력에 따라 압축행정 시에 피스톤(6)이 상사점(TDC)에 도달될 수 있는 정도의 전압량과, 부하 또는 냉력에 따라 피스톤(6)의 스트로크 가변량에 대응하도록 흡입행정 시에 피스톤(6)이 그에 따른 하사점(BDC)까지 도달될 수 있는 전압량을 코일 권선체(14a)에 인가하되, 이 피스톤(6)의 스트로크 가변량에 따라 운전주파수(fc)의 변동없이 영점에 대하여 비대칭 교류전압을 코일 권선체(14a)로 인가한다.
도 7은 도 2의 리니어 압축기의 제어장치의 제2실시예이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제어장치는 상용 교류전원(40)을 인가받아, 부하 또는 냉력에 따라 피스톤(6)이 비대칭 직선왕복운동을 수행할 수 있도록 하는 제어신호를 수신하여, 상용 교류전원(40)이 코일 권선체(14a)로 그대로 인가되거나 소정의 직류전압을 상용 교류전원(40)에 더하여 코일 권선체(14a)로 인가하는 구동부(52)와, 구동부(52)로부터 코일 권선체(14a)에 인가되는 교류전압(v)과 교류전류(i)를 측정하는 전압 감지부(61) 및 전류감지부(62)와, 감지된 교류전압(v)과, 교류전류(i)를 입력받아, 부하 또는 냉력에 따라 피스톤(6)의 비대칭 직선왕복운동을 위해 구동부(52)의 비대칭 교류전압의 생성을 위한 제어신호를 생성하여 구동부(52)에 인가하는 제어부(70a)로 이루어진다.
자세하게는, 상용 교류전원(40)은 도 5의 상용 교류전원(40)과 동일한 것으로, 예를 들면 50Hz 또는 60Hz의 110V, 220V, 330V 등의 교류전원이다.
구동부(52)는 상용 교류전원(40)의 주파수를 운전주파수(fc)로 그대로 사용한다. 또한, 구동부(52)는 제어신호에 따라 상용 교류전원에 가감되는 직류전압을 생성하기 위해, 상용 교류전원(40)을 정류하여 평활하는 정류부(53)와, 제어신호에 의해 직류전압의 가감을 제어하는 스위치부(54)로 구성된다. 특히, 정류부(53)와, 스위치부(54)는 상용 교류전원(40)에 대하여 병렬로 연결되나, 정류부(53)가 단자(A')에 연결되어, 단자(A-A')에 대해서는 직렬 연결되어 상용 교류전원(40)의 가감이 가능하게 된다.
또한, 제어부(70a)는 감지된 교류전압(v)과 교류전류(i)로부터 역기전압의 위상(Eθ)을 산정하는 선형모델링부(71a)와, 감지된 교류전류의 위상(iθ)과 역기전압의 위상(Eθ)으로부터 비대칭율(b/a)을 산정하는 위상제어부(72a)와, 비대칭율(b/a)에 따른 제어신호를 생성하여 구동부(50)로 인가하는 신호생성부(74a)로 이루어진다.
자세하게는, 선형모델링부(71a)은 상술된 수학식2에 따라 역기전압(E)을 산정하며, 그에 따라 그 위상(Eθ)을 산정할 수 있다.
또한, 위상 제어부(72a)는 도 5의 위상 제어부(72)와 동일한 기능을 수행한다.
다음으로, 신호생성부(74a)는 위상 제어부(72)로부터의 비대칭율(b/a) 에 따라 제어신호를 생성한다. 여기서의 제어신호는 압축행정시의 이동거리(a)에 대응하도록 비대칭율(b/a)(즉, a)로부터 압축행정을 위한 교류전압 크기와, 흡입행정시의 이동거리(b)에 대응하도록 비대칭율(b/a)(즉, b)로부터 흡입행정을 위한 교류전압 크기에 대한 신호이다. 예를 들면, 압축행정을 위한 교류신호의 피크치(피스톤(6)이 상사점(TDC)에 도달할 수 있는 전압 크기)가 전압(V1)이면, 흡입 행정을 위한 교류신호의 피크치는 전압(V1)과 비대칭율(b/a)의 곱으로 설정되어, 이러한 설정에 따른 제어신호가 구동부(52)에 인가되어, 비대칭 교류전압이 비대칭율(b/a)에 따라 생성될 수 있다.
도 8은 도 7의 구동부의 상세 구성도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 정류부(53)는 4개의 다이오드(D1 내지 D4)와 하나의 캐패시터(C)로 이루어진 전파 정류수단으로서, 단자(A-A')에 대하여 직렬 연결이 되어, 제어신호에 의한 스위치부(54)(SW)가 온오프됨으로써, 정류부(53)가 정류 및 평활 동작을 수행하게 되어, 단자(A-A')를 통하여 코일 권선체(14a)에 인가되는 전압이 비대칭 교류전압이 되어, 피스톤(6)이 압축행정시에 상사점(TDC)까지 도달하고, 흡입행정시에 소정의 피스톤(6)의 스트로크 가변량을 충족시키는 적절한 하사점(BDC)에 도달하게 된다.
이러한 구성의 본 발명은 리니어 압축기가 공진 상태에서 동작하지 않더라도 모든 부하에 대응하여 효율적으로 동작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 임의의 고정된 운전주파수를 사용하여 공진 회피 설계를 용이하게 하면서도 연속적으로 부하 또는 냉력에 대응할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부하 또는 냉력의 가변과 상관없이 피스톤(가동부재)이 상사점까지 직선왕복운동을 수행하도록 하는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 외부 교류전원을 인가받아 소정의 제어신호에 따라 교류전압을 생성하여 리니어 모터의 코일 권선체에 인가하는 구동부와;
    냉력에 따른 리니어 압축기의 가동부재의 스트로크의 가변량을 설정하여, 상기 가동부재가 상사점까지 직선왕복운동을 수행하면서도, 상기 가변량에 따른 직선왕복운동을 수행하도록 하는 제어신호를 생성하여 상기 구동부로 인가하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제어신호에 따라 비대칭 교류 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 구동부가 일정한 주파수의 교류전압을 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 코일 권선체로 인가되는 교류전압 및 교류전류를 감지하는 감지부를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 감지된 교류전압과 교류전류로부터 역기전압의 피크치와 위상을 산정하는 선형 모델링부와, 상기 역기전압의 피크치와 역기전압 지령으로부터 기준전압을 생성하는 역기전압 제어부와, 상기 감지된 교류전류의 위상과 역기전압의 위상으로부터 상기 비대칭 교류전압의 비대칭율을 산정하는 위상 제어부와, 상기 기준전압과 비대칭율에 따른 제어신호를 생성하여 상기 구동부에 인가하는 신호생성부로 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 역기전압 지령은 상기 냉력에 대응하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 구동부는 인버터부이고, 상기 신호생성부는 소정의 펄스폭변조신호인 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 구동부는 트라이액이고, 상기 신호생성부는 상기 트라이액의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 코일 권선체에 인가되는 구동부의 점호각을 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제어신호에 따라 상기 외부 교류전원을 상기 코일 권선체로 그대로 인가하거나 소정의 직류전압을 더하여 상기 비대칭 교류전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 외부 교류전원을 정류하여 상기 직류전압을 생성하는 정류수단과, 상기 제어신호에 따라 상기 정류수단을 통한 직류전압의 생성을 제어하여 상기 비대칭 교류전압을 생성하는 스위치부로 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 감지된 교류전압과 교류전류로부터 역기전압의 위상을 산정하는 선형 모델링부와, 상기 감지된 교류전류의 위상과 역기전압의 위상으로부터 상기 비대칭 교류전압의 비대칭율을 산정하는 위상 제어부와, 상기 비대칭율에 따른 제어신호를 생성하여 상기 구동부에 인가하는 신호생성부로 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
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