KR20080034962A - 리니어 압축기 컨트롤러 - Google Patents

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KR20080034962A
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주앙 티엔
주니어 존 에이치 보이드
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피셔 앤 페이켈 어플라이언스 리미티드
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Abstract

리니어 압축기용 제어부는 압축기의 현재 고유 진동수와 조화되게 리니어 모터에 에너지를 제공한다. 컨트롤러는 현재 운전 진동수를 모니터하여 하나 이상의 외측 한계 역치를 갖는 진동수와 비교한다. 제어부는 운전 진동수가 저 역치값 이하로 내려가는 경우 리니어 모터로부터 파워를 없앨 수 있다. 제어부는 운전 진동수가 고 역치값 이상으로 상승하는 경우 리니어 모터로의 파워를 줄일 수 있다. 제어부는 안전 작동 한계 내에서 압축기를 작동시키는 압축기 운전 진동수를 사용한다.
Figure 112008013370017-PCT00001
압축기, 고유 진동수, 하한 역치, 자유 피스톤 리니어 압축기, 역기전력

Description

리니어 압축기 컨트롤러{LINEAR COMPRESSOR CONTROLLER}
본 발명은 자유 피스톤 리니어 압축기용 제어 시스템에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 그것에만 국한되지는 않지만, 냉동기 압축기에 관한 것이다.
리니어 압축기는 자유 피스톤 원리로 작동하며, 크랭크 샤프트를 채용하는 종래의 로터리 압축기와는 달리, 스트로크 진폭이 고정되어 있지 않으므로, 스트로크 진폭의 정밀한 제어를 필요로 한다. 유체의 압축되는 상태를 위하여 과다한 모터 파워를 가하는 것은 내부에서 왕복운동하는 피스톤과 실린더의 헤드 기어의 충돌을 야기한다.
압축기를 최대 파워 및 고 체적 효율에서 운전시키는 것이 바람직할 때, 충돌 검출 시스템이 이러한 작동 모드에서 통상적으로 발생할 충돌의 징후 및 증가하는 파워로 인해 손상을 야기할 연속 충돌들의 개시를 놓치지 않게 보장하는 것이 매우 중요하다. 미국 특허 6,536,326호 및 6,812,597호를 포함하는 여러 특허가 피스톤 충돌을 검출하는 방식을 설명하고 있다.
미국 특허 6,809,434호는 압축기에 들어가는 냉매 특성의 함수로서 모터 파워를 제한하는 자유 피스톤 압축기용 제어 시스템을 개시하고 있다. 하지만, 설명된 시스템은 냉매 특성을 감지하는 추가의 센서를 필요로 한다.
종래 기술에서 설명된 몇몇 리니어 압축기는 송출 압력이 최소 레벨 이상일 때에만 효율적으로 작동하는 정압 또는 동압 가스 베어링을 가지고 작동한다. 종래 기술에서 설명된 다른 리니어 압축기는 저파워의 작동 중에 효율적으로 작동하지않을 수 있는 윤활유 시스템을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 압축기가 하나 이상의 바람직하지못한 모드에서 작동하는 것을 막는 자유 피스톤 리니어 압축기용 제어 시스템을 제공하는 것이다.
제1 구성에서 본 발명은,
압축기가 시스템의 작동 상태에 따라 그 고유 진동수(고유 주파수, natural frequency)로 왕복운동하도록 요구 부하에 따라 압축기에 에너지를 제공하는 단계,
압축기의 왕복운동의 진동수를 모니터하는 단계, 및
압축기의 왕복운동의 진동수가 하한 역치(floor threshold) 이하일 때 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계를 포함하고 있는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법으로 구성되어있다.
다른 구성에서 본 발명은,
압축기가 시스템의 작동 상태에 따라 그 고유 진동수로 왕복운동하도록 요구 부하에 따라 압축기에 에너지를 제공하는 단계,
압축기의 왕복운동의 진동수를 모니터하는 단계, 및
압축기의 왕복운동의 진동수가 상한 역치(ceiling threshold) 이상일 때 압축기에 가해지는 파워를 감소시키는 단계를 포함하고 있는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법으로 구성되어있다.
또 다른 구성에서 본 발명은,
실린더,
실린더 내에서 왕복운동이 가능한 피스톤,
피스톤에 연결되고 하나 이상의 여자 권선을 가지고 있는 왕복운동하는 리니어 전기 모터, 및
압축기의 작동에 관한 피드백을 수신하고, 압축기의 순간 고유 진동수와 조화되게 리니어 모터에 전류를 가하기 위한 드라이브 신호를 제공하는 컨트롤러를 포함하고 있고,
컨트롤러는 압축기의 진동수가 하한 역치 이하로 내려갈 때 압축기로부터 파워를 제거하기 위한 수단을 포함하는 자유 피스톤 가스 압축기로 구성되어있다.
또 다른 구성에서 본 발명은,
실린더,
실린더 내에서 왕복운동이 가능한 피스톤,
피스톤에 연결되고 하나 이상의 여자 권선을 가지고 있는 왕복운동하는 리니어 전기 모터, 및
압축기의 작동에 관한 피드백을 수신하고, 압축기의 순간 고유 진동수와 조화되게 리니어 모터에 전류를 가하기 위한 드라이브 신호를 제공하는 컨트롤러를 포함하고 있고,
컨트롤러는 압축기의 고유 진동수가 상한 역치 이상으로 올라갈 때 압축기로의 파워를 감소시키기 위한 수단을 포함하는 자유 피스톤 가스 압축기로 구성되어있다.
본 발명의 한 바람직한 형태는 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 제어되는 리니어 압축기의 길이방향의 단면도.
도 2는 블럭 다이어그램 형태로 냉동기 제어 시스템을 도시한 도면.
도 3은 압축기 모터의 역기전력(back EMF)으로부터 타이밍된 스위칭으로 전자식 정류를 이용하는 기본 리니어 압축기 제어 시스템을 도시한 도면.
도 4는 피스톤 충돌 방지 수단을 갖춘 도 3의 제어 시스템을 도시한 도면.
도 5는 피스톤 충돌 검출 알고리즘을 갖춘 도 3의 제어 시스템을 도시한 도면.
도 6은 도 4의 피스톤 충돌 방지 수단과 도 5의 피스톤 충돌 검출 수단을 갖춘 도 3의 제어 시스템을 도시한 도면.
도 7은 리니어 모터의 권선에 에너지를 제공하기 위해 압축기 컨트롤러에 의해 구동되는 전원 브리지의 일례를 도시한 도면.
도 8은 운전 진동수 역치(running frequency threshold)를 사용하는, 본 발명에 따른 추가의 제어 시스템 옵션을 도시한 도면.
도 9는 도 8의 제어 시스템 옵션을 실시하기 위한 독립형 제어 프로그램을 예시한 흐름도.
도 10은 도 8의 제어 시스템 옵션을 실시하기 위한 서브루틴 제어 프로그램 을 예시한 흐름도.
본 발명은 리니어 전기 모터에 의해 파워가 공급되는 자유 피스톤이 왕복운동하는 압축기의 제어에 관한 것이다. 본 발명은 전형적으로 냉동기 및 기타 용도에 적용될 것이다.
컨트롤러는 압축기의 순간 고유 진동수와 조화되게 리니어 모터에 전류를 가하기 위한 드라이브 신호를 제공한다. 컨트롤러는 행해지는 진동수를 모니터하고, 진동수가 상한 역치 이상일 경우에 파워를 줄이거나, 또는 진동수가 하한 역치 이하로 떨어질 경우에 압축기를 중단시키거나, 또는 이 둘 다를 행할 수 있다.
이해관계를 제공하기 위해, 본 발명에 따라 제어될 수 있는 자유 피스톤 리니어 압축기가 도 1에 도시되어있고, 이는 예시일 뿐 한정하려는 것은 아니다.
증기 압축 냉각 시스템용 압축기는 셸(2) 내부에 지지되어있는 리니어 압축기(1)를 포함하고 있다. 전형적으로 하우징(2)은 기밀 폐쇄되어있고 가스 입구(3)와 압축 가스 출구(4)를 포함하고 있다. 압축되지않은 가스가 하우징의 내부에서 압축기(1)의 주위로 흐른다. 이러한 압축되지않은 가스는 흡입 스크로크 동안 압축기 내로 빨려들어가, 압축 스트로크 시 피스톤 크라운(14)과 밸브 플레이트(5) 사이에서 압축되고 송출 밸브(6)를 통하여 압축 가스 매니폴드(7) 내로 배출된다. 압축 가스는 매니폴드(7)로부터 가요성 있는 튜브(8)를 통하여 셸의 출구(4)로 빠져나간다. 송출 튜브(8)의 강성 효과(stiffness effect)를 줄이기 위해, 튜브는 압축기의 왕복운동 축선을 가로지르는 루프 즉 나선으로 배열되는 것이 바람직하 다. 압축실로의 흡입은 헤드, 흡입 매니폴드(13) 및 흡입 밸브(29)를 통하여 이루어질 수 있다.
대체로, 예시된 리니어 압축기(1)는 실린더 부품 및 메인 스프링에 의해 연결된 피스톤 부품을 가지고 있다. 실린더 부품은 실린더 하우징(10), 실린더 헤드(11), 밸브 플레이트(5) 및 실린더(12)를 포함하고 있다. 헤드(11)로부터 먼 측인 실린더 부품의 단부(18)에는 실린더 부품에 대한 메인 스프링이 장착되어있다. 메인 스프링은 도 1에 도시된 코일 스프링(19)과 평면 스프링(20)의 조합으로 형성될 수 있다. 피스톤 부품은 측벽(24)과 크라운(14)이 있는 공동 피스톤(22)을 포함하고 있다.
압축기 전기 모터는 압축기 구조부와 일체로 형성되어있다. 실린더 부품은 모터 고정자(15)를 포함하고 있다. 상호 작용하는 리니어 모터 전기자(17)가 로드(26)와 지지 보디(30)를 통해 피스톤에 연결되어있다. 리니어 모터 전기자(17)는 실린더 라이너 내부의 피스톤의 왕복운동 축선을 가로지르는 방향의 전극을 하나 이상 제공하도록 자성을 가지는 (페라이트 또는 네오디뮴과 같은)영구 자성 재료의 보디를 포함하고 있다. 피스톤(22)으로부터 먼 측인 전기자 지지부(30)의 단부(32)는 메인 스프링과 연결되어있다.
리니어 압축기(1)는 셸로부터 압축기를 격리시키기 위해 셸(2) 내부에서 다수의 서스펜션 스프링 상에 장착되어있다. 리니어 압축기를 사용함에 있어서, 실린더 부품은 진동할 것이지만, 피스톤 부품이 실린더 부품에 비교하여 매우 가볍게 만들어지므로, 실린더 부품의 진동은 피스톤 부품과 실린더 부품 간의 상대적 왕복 운동에 비해 작다.
반드시 정현파(sinusoidal)일 필요는 없는 고정자 권선의 교류 전류는, 진동 주파수가 기계 시스템의 고유 진동수에 가까운 경우, 전기자 및 고정자에 실질적인 상대운동을 제공하기 위하여, 진동력을 전기자 자석(17) 상에 발생시킨다. 최초의 고유 진동수는 스프링(19)의 강성, 실린더(10)와 고정자(15)의 질량에 의해 결정된다.
하지만, 스프링(19)뿐만 아니라, 냉장기 압축기의 경우에 증발기 또는 응축기 중 어느 하나의 압력(및 온도)이 변화함에 따라 변화하는 유효 스프링 상수를 가지는 고유의 가스 스프링이 있다. 이를 고려하여 고정자 권선 전류, 및 그에 따른 구동력을 설정하는 제어 시스템이 미국 특허 6,809,434호에 개시되어있고, 이 내용은 여기에 참조로 편성된다. 미국 특허 6,809,434호는 또한, 진동수 및 증발기 온도에 기초하여 피스톤과 실린더 헤드의 충돌을 최소화하기 위해 최대 모터 파워를 제한하기 위한 시스템을 설명하고 있다.
반드시 그렇지는 않지만 바람직하게는, 본 발명의 제어 시스템은 미국 특허 6,809,434호에 개시된 제어 시스템에 관련하여 작동한다.
본 발명의 리니어 압축기 제어 시스템에 관한 전후관계를 제공하기 위해, 냉동기용 기본 제어 시스템이 도 2에 도시되어있다.
본 발명의 개량된 제어 시스템은 압축기 컨트롤러(207) 내에 있다. 압축기 컨트롤러(207)는 냉동기 컨트롤러(210)로부터 디맨드 신호(216)를 수신한다. 냉동기 컨트롤러(210)는 사용자 인터페이스(212)로부터 사용자 설정 입력을 수신하고, 예를 들면 라인(214)의 캐비닛 온도 센서 입력을 포함하는 하나 이상의 센서 입력을 수신한다. 다른 입력은 부가의 캐비닛 실의 온도 센서로부터의 입력, 도어 개폐 센서로부터의 입력 및 증발기의 온도 또는 압력 센서로부터의 입력을 포함할 수 있다. 이러한 입력들로부터 냉동기 컨트롤러(210)는 디맨드 신호(216)를 발생시킨다.
디맨드 신호(216)는 모드의 선택 그룹 중의 하나에 따라 압축기가 작동하는 것을 명령할 수 있고, 이 선택 그룹은 온오프로 제한될 수 있고, 또는 추가의 최대값 설정을 포함할 수 있고, 또는 가능한 한 넓은 범위의 압축기 용량 레벨을 포함할 수 있다. 용량 레벨은 대체로 압축기가 주어진 기간 내에 냉각 시스템의 흡입 측으로부터 냉각 시스템의 송출 측으로 이동시키는 냉매의 질량을 나타낸다. 바람직하게는, 디맨드 신호는 어느 범위의 값으로 구성될 수 있고, 압축기 컨트롤러를 위한 이 범위의 값은 한 끝에서 정지하고 있는 변화량에 대응할 수 있고 다른 끝에서 변동이 있을 수 있다. 디맨드 신호는, 예를 들면 가변 전압 레벨 또는 가변 주파수인 아날로그 신호일 수 있거나, 예를 들면 8-비트 출력 신호인 디지털 신호일 수 있다.
압축기 컨트롤러(207)는 전원으로부터 파워를 받고, 디맨드 신호(216)를 수신한다. 압축기 컨트롤러는 압축기 어셈블리의 모터의 권선(220)에 연결되어있다. 압축기 컨트롤러는 디맨드 신호(216)와 압축기 컨트롤러에서 실행되는 제어 프로그램에 따라 전류를 공급원(218)으로부터 압축기의 권선으로 정류한다.
본 발명의 제어 시스템은 도 3의 기본 모터 제어 시스템, 바람직하게는 도 4 의 시스템, 도 5의 시스템 또는 도 6의 시스템과 관련하여 작동할 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 1을 참조로 이미 설명된 형태로 구성될 수 있는 리니어 압축기의 모터(103A)는 고정자 권선을 가지고 있고, 이 권선에는 도 7에 도시된 브리지 회로의 형태를 취할 수 있는 파워 스위치 회로(107)로부터 제공되는 교류 전압에 의해 에너지가 제공된다. 브리지 회로(107)는 압축기 고정자 권선(33)을 통하여 역극성의 전류를 정류하기 위해 스위칭 장치(411 및 412)를 사용한다. 고정자 권선의 다른 단부는 DC 전원에 연결되어있는 일련의 두 축전지의 연결 교차점에 연결되어있다.
압축기 컨트롤러는 파워 스위치 회로(107)의 작동을 제어하는 프로그램화된 마이크로프로세서로서 실시되는 것이 바람직하다.
스위치 회로(107)는 제어 시스템의 마이크로프로세서에 의해 실행되는 스위칭 알고리즘(108)에 의해 주로 제어된다. 마이크로프로세서는 모터에 적용되는 파워 입력을 스위칭 알고리즘(108)에 의해 제어하도록 프로그램화되어있다. 마이크로프로세서는 여러 함수를 실행하거나 도표를 사용하고, 예시의 목적으로 이들 중 몇몇은 도 3~6의 블럭도의 블럭으로 나타나있다.
압축기 피스톤의 왕복운동 및 그것의 진동수나 주기가 운동 검출기(109)에 의해 검출되고, 바람직한 실시예에서 운동 검출기는 왕복운동하는 압축기 전기자에 의해 압축기 고정자 권선에 유도되는 역기전력을 모니터하는 프로세스를 포함하고 있다. 보다 상세하게는, 이는 역기전력 신호의 제로 크로싱(zero crossing)을 검출하는 단계를 포함하고 있다. 파워 스위치(107)를 제어하기 위하여 마이크로프로 세서 출력 신호를 제공하는 스위칭 알고리즘(108)은 스위칭 시간이 역기전력 제로 크로싱 신호(110)의 로직 전이(logic transition)로부터 시작되도록 한다. 이는 압축기의 순간 고유 진동수와 동시성을 가지도록 권선에 에너지가 제공되고, 왕복운동하는 압축기가 우수한 효율성을 가지고 작동하는 것을 보장한다. 압축기의 입력 파워는 파워 스위치(107)에 의해 고정자 권선에 가해지는 전류 크기 또는 전류 지속기간을 제어함으로써 변경될 수 있다. 또한 파워 스위치의 펄스 폭 변조가 채용될 수 있다.
도 4는 피스톤의 진동수와 증발기 온도에 기초하여 최대 파워를 조정함으로써 정규 작동 중에 피스톤/실린더의 충돌을 최소화하는, 미국 특허 6,809,434호에 개시된 제어 기술로 인해 향상된 도 3의 기본 압축기 제어 시스템을 도시하고 있다. 증발기 온도 센서로부터의 출력(111)이 마이크로프로세서 입력부 중 하나에 전해지고 피스톤의 진동수는 역기전력 신호(110)의 제로 크로싱 사이의 시간을 측정하는 진동수 루틴(112)에 의해 측정된다. 측정된 진동수와 측정된 증발기 온도 모두는 비교측정기 루틴(114)을 위하여 최대 허용 파워(Pt)를 조절하는 최대 파워 룩업 테이블(113)로부터 최대 파워를 선택하기 위해 사용된다. 비교측정기 루틴(114)은 제2 입력으로서, 전체의 냉동기 제어로부터 요구되는 필요 파워(power demand)를 나타내는 입력값(106)을 수신한다. 비교측정기 루틴(114)은 스위칭 전류 크기 또는 지속기간을 제어하기 위하여 스위칭 알고리즘(108)에 의해 사용된다. 비교측정기 루틴(114)은 냉동기에 의해 요구되는 파워(Pr)와 최대 파워 테이블(113) 로부터 허용되는 파워(Pt) 중 최소값을 출력값(P)(115)으로 제공한다.
도 4를 참조로 설명된 제어 개념을 이용하는 것만으로도, 리니어 압축기(103A)(동작시)는 정규 작동 중에 피스톤 충돌이 없거나 최소한인 상태로 작동할 수 있다. 하지만, 미국 특허 6,812,597호에 개시된 바와 같이, 리니어 압축기(103A)는 도 4의 제어 시스템보다 높은 파워가 이루어질 수 있지만, 다소의 피스톤 충돌이 불가피한 "최대 파워 모드"로 운전될 수 있다. 이러한 모드를 용이하게 하는 제어 시스템이 설명될 것이다.
도 5를 참조하면, 또 다른 입력에 대한 값을 비교측정기 루틴(114)에 제공하는 파워 알고리즘(116)이 채용되어있다. 파워 알고리즘(116)은 연속적으로 증가하는 값을 비교측정기 루틴(114)에 제공함으로써 압축기의 입력 파워를 서서히 증가시키고, 비교기 루틴(114)은 스위칭 알고리즘(108)으로 하여금 파워 스위치(107) 전류 크기 또는 지속시간이 램프되도록 하게 한다. 파워(Pa)는 매 N 사이클 또는 매 N 피스톤 왕복운동마다 인크레멘탈 값만큼 증가한다. 이러한 증가는 피스톤 충돌이 검출될 때까지 계속한다. 충돌 검출 프로세스(117)는 압축기 권선에 유도된 역기전력의 분석으로부터 검출되는 것이 바람직하고, 그 사용 기술은 피스톤 주기에서 불시의 감소를 발견한 미국 특허 6,812,597호, 또는 아날로그 역기전력 신호의 기울기(slope)에서 불연속을 발견한 미국 특허출원 10/880,389호에서 개시된 것 중 하나로 사용될 수 있다.
충돌 검출 시, 파워 알고리즘(116)은 파워를 감소시키기 위해 감량 값(Pa)을 야기한다. 그 후 파워 알고리즘(116)은 다른 충돌이 검출될 때까지 값(Pa)을 천천히 증가시키고 이 프로세스가 반복된다.
바람직하게는, 설명된 고전력 제어 방법론이, 도 4를 참조하여 설명된 바와 같이 충돌 방지법이 채용되는 정규 작동에 관한 제어와 함께 사용된다. 두 가지 기술을 채용한 제어 시스템이 도 6에 도시되어있다. 여기에서, 비교측정기 루틴(114)은 세 개의 입력(Pr, Pt 및 Pa)을 수신한다.
본 발명에 따라, 제어 시스템은 도 8에 예시된 바와 같은 또 다른 기술을 포함하고 있다. 이 기술은 도 3~6에 예시된 하나 이상의 시스템에 관련하여 적용될 수 있다. 본 기술에 따라, 압축기 컨트롤러는 압축기의 운전 진동수에 따라 기동하는 총 제어부를 포함하고 있다.
또 다른 입력 값(Pc)을 비교측정기 루틴(114)에 제공하는 이 제어 구성은 도 8에 예시되어있다. 진동수 계산기(112)는 운동 검출기 루틴(109)의 출력에 따라 압축기의 현재 작동하는 진동수를 계산한다. 진동수 계산기 루틴(112)은 역치 제어부(160)를 위한 운전 진동수를 제공한다. 역치 제어부(160)는 순간 운전 진동수를 진동수 역치에 대하여 비교하고 출력으로서 값(Pc)을 제공한다. 역치 제어부(160)는 순간 운전 진동수를 저진동수 역치, 또는 고진동수 역치에 대하여 비교할 수 있다.
바람직하게는, 역치 제어부(160)는 저진동수 역치에 대하여 적어도 순간 진동수를 비교한다. 이 경우에서, 저진동수 역치는 압축기의 안전한 작동을 지원하 기에 적절한 수준 이하의 송출 압력을 가리킨다. 상세하게는, 이는 압축기가 가스 베어링을 가지고 작동하고, 이 가스 베어링의 유효한 작동을 유지하기에 최소한의 송출 압력이 유용한 경우이다. 최소한의 역치 압력은 압축기에 관하여 미리 정해지고 압축기 컨트롤러의 메모리 내에 기록되는 것이 바람직하다.
역치 제어부(160)는 또한 진동수를 고 역치값에 대하여 비교할 수 있다. 이 경우에, 고 진동수는 콘덴서 온도가 극도로 높아지게 되는 것을 나타낼 수 있다. 이는 냉동기 도어 또는 칸막이가 개방되어 야기되는 예외적인 냉동기 부하와 같은 비정상 작동 상태, 또는 콘덴서 팬의 고장과 같은 냉각 시스템의 하나 이상의 부품의 고장을 가리킨다.
저역치와 만나는 각각의 경우에서, 바람직하게는 역치 제어부는 예를 들면 0인 설정값(Pc)인, 압축기를 정지시키는 Pc의 값을 일시적으로 제공한다. 하지만, 고역치를 넘는 경우, Pc값은 압축기 출력을 낮추기 위해 평균화한 소정의 중간 레벨로 생성될 수 있다.
역치 제어부는 소정의 기간 동안 이러한 감소한(또는 0인) 파워 설정을 계속 제공하고 그 후 또 다른 소정의 기간 동안 그 자체를 정지시키도록 프로그램화될 수 있다. 이러한 또 다른 소정 시간이 경과한 후에 역치 제어부는 다시 한번 작동될 것이다.
역치 제어부(160)는 순간 운전 진동수에 따라 작동할 수 있지만, 감소한(또는 0인) 파워값을 제공하기 전에 소정 기간 동안 만나진 역치 진동수를 또한 필요 로 할 수 있다. 예를 들면, 먼저 압축기가 작동될 때, 최초의 운전 진동수는 압력이 냉동기의 회로의 고압 측 압력으로 증가할 때까지 낮아질 것이다. 파워값 Pc을 정하기 전에 소정 기간 동안 만나는 역치를 필요로 함에 따라, 역치 제어부는 냉각 시스템이 안정 상태의 운전 조건을 이루기에 충분한 시간이 경과될 때까지 압축기로의 파워를 차단하지 않을 것이다. 또 다르게는, 역치 제어부는 압축기가 시동한 후에 소정 기간 동안 유효하게 정지될 수 있다.
고역치를 넘는 경우에서, 역치 제어부는 또한, 예를 들면 냉각 시스템 컨트롤러(210)에 추가의 출력을 제공할 수 있다. 이 출력은 비정상적인 작동 상태에 대하여 냉각 시스템 컨트롤러를 경계시킬 수 있다. 냉각 컨트롤러(210)는 그 제어하에서 하나 이상의 장치에 대하여 테스트 루틴을 실행시키거나, 또는 사용자 경고나 장애 리포트를 제공함으로써 이러한 경계에 응할 수 있다.
도 9 및 10은 도 8의 역치 제어부(160)를 실시하기 위한 제어 프로그램 옵션을 예시하고 있다. 도 9의 제어 프로그램 옵션은 개별의 마이크로프로세서에서 작동될 수 있거나, 하나의 마이크로컴퓨터의 다른 프로세스들과 병행하여 가동하는 개별 프로세스로서 이행될 수 있고, 논리 회로에서 이행될 수 있는 독립형 제어를 실시하고 있다. 도 10의 프로세스는 큰 제어 프로세스에 의해 간격을 두고 실행하는 제어 서브루틴을 제외하고, 도 9의 프로세스와 동일한 기능을 수행한다. 예를 들면, 서브루틴은 도 6에 예시된 시스템의 최대 파워 테이블(113), 충돌 검출 알고리즘(117), 파워 알고리즘(116), 진동수 계산기(112) 및 비교측정기(114)를 실시하 는 완전한 제어 프로그램에서 사용될 수 있다. 어느 경우에나, 제어 시스템의 구성요소는 시스템 설계자가 원하는 대로 하드웨어나 소프트웨어 또는 논리 회로에서 실시될 수 있다. 또한, 기능들은 복합의 개별 컨트롤러 패키지들 사이에 분배되거나, 하나의 컨트롤러 패키지에 통합될 수 있다.
도 9를 참조하면, 독립형 제어는 진동수가 소정의 역치(TL) 이하로 떨어지거나 소정의 역치(TU) 이상으로 올라가는 경우를 제외하고, 출력(Pc)을 냉동기 디맨드 파워(Pr)로 유지시키는 메인 제어 루프(902)를 포함하고 있다.
독립형 제어는 압축기의 작동이 시작되는 때인 단계(904)에서 시작한다. 제어 알고리즘은 먼저 파워가 컨트롤러에 공급되는 때에 시작할 수 있다. 프로세스는 단계(906)로 진행되고 진동수 계산기(112)로부터 현재 운전 진동수를 읽는다. 그 후 제어는 결정 단계(908)를 시작한다.
단계(908)에서 진동수(f)가 압축기의 미작동을 나타내는 0과 같다고 제어부가 판정하는 경우, 프로세스는 단계(910)로 진행한다. 단계(908)에서 압축기가 작동 중인 것을 나타내는, 진동수(f)가 0과 같지 않다고 제어부가 판정하는 경우, 프로세스는 단계(912)로 진행한다.
압축기가 단계(910)를 시작하는 경우, 변수 t를 해당 시간으로 설정하는 프로세스가 행해진다. 그 후 프로세스는 단계(912)로 진행한다.
단계(912)에서, 출력값(Pc)을 냉동기 컨트롤러 요구 파워(Pr)와 동일하게 설정하는 프로세스가 행해진다. 이는 다음의 단계(916 또는 919)에서 진동수(f)가 역치 제어부를 트리거하지않는 한, 프로세스가 비교측정기(114)의 출력에 영향을 미치지 않는 것을 보장한다. 그 후 프로세스는 단계(914)로 진행한다.
단계(914)에서, 색인표로부터 저역치값(TL)과 고역치값(TU)을 각각 읽는 프로세스가 행해진 후 단계(916)로 진행한다.
결정 단계(916)에서, 진동수(f)가 저역치값(TL)보다 작은지 아닌지를 판정하는 프로세스가 행해진다. 참일 경우, 프로세스는 단계(918)로 진행한다. 거짓일 경우, 프로세스는 단계(919)로 진행한다.
결정 단계(919)에서, 진동수(f)가 고역치(TU)보다 큰지 아닌지를 판정하는 프로세스가 행해진다. 그 후 참일 경우, 프로세스는 단계(920)로 진행한다. 거짓일 경우, 프로세스는 루프(902)를 통하여 단계(906)로 되돌아간다.
단계(916)에서, 진동수가 역치값보다 작다고 판정한 프로세스가 행해진 경우, 프로세스는 압축기가 적어도 15초 동안 작동중인지 아닌지를 판정하는 단계(918)로 진행한다. 이는 압축기가 작동 시작 위상에서 정지한 상태이기 때문에, 간단히 압축기가 역치 진동수 이하에서 작동하지않는 것을 보장한다. 진동수를 저역치 진동수 이상의 안정 상태로 만드는 데에 걸리는 시간은 특정한 압축기와 냉각 시스템에 좌우할 것이다. 15초의 값은 단지 한 예로서 제공되었다. 그에 따라 단계(918)에서, 현재 시간이 변수(t)에 15초를 더한 것보다 큰지 아닌지를 판정하는 프로세스가 행해진다. 참일 경우, 이는 압축기가 시작 위상에 있지 않아서 출력값(Pc)을 조정하도록 제어가 단계(922)로 진행하는 것을 나타낸다. 거짓일 경우, 압축기는 시작 위상에 있다고 추정되고, 제어는 단계(919)로 진행한다. 단계(919)에서 불가피하게 거짓이라고 응답할 경우, 제어는 루프(902)를 통하여 단계(906)로 되돌아갈 것이다. 제어는 진동수가 저역치(TL)에 이르거나 시간이 t+15초보다 클 때까지 루프를 통해 반복적으로 실행될 것이다. 그러므로 제어에 의해 시작 상태 중에 압축기가 정지되는 것을 막거나, 이어서 약간의 짧은 지체 후에 반대의 운전 조건을 취하게 할 것이다. 물론, 지체 시간(예를 들면 15초)의 선택은 다소 임의적이고 압축기와 이 압축기가 편입된 냉각 시스템에 좌우되어야한다.
제어 프로세스가 단계(918)로부터 단계(922)로 진행하는 경우, 단계(922)에서 출력(Pc)을 0으로 설정하는 프로세스가 행해지고 단계(924)로 진행한다. 0인 출력(Pc)에 있어서, 반드시 이는 비교분석기(144)에 제공되는 최소값일 것이다(또는 최소값과 같을 것이다). 따라서, 드라이브 듀티율(duty ratio)(P)은 0일 것이고 파워는 압축기로부터 완전히 제거될 것이다.
독립형 제어는 루프의 시작 지점으로 되돌아가기 전에 단계(924)를 시작하고 대기한다. 대기 기간은 미리 정해져 제어 프로세스 내에 기록될 수 있거나, 다른 작동 상태나 시스템의 최근 기록 실적으로부터 결정될 수 있다. 예를 들면, 대기 기간은 역치 제어부(160)가 단시간 내에 반복적으로 실행되는 경우에 연장될 수 있다. 예를 들면 역치 제어부(160)는 저역치가 마지막으로 트리거된 이후의 기간을 기록할 수 있고, 이 경우 그 기간은 소정 값의 대기 기간 이하이고, 이 기간은 미리 설정한 값으로 변경될 수 있고, 증분될 수 있다. 바람직하게는, 제어 단계는 정기적으로 기간 변수를 재설정할 것이다. 예시된 예에서, 제어 프로세스는 단계(924)에서 300초와 같은 소정 기간 동안 대기한다. 이는 저역치 진동수 제어를 위한 최소한의 유용한 기간인 듯 보인다. 압축기를 다음의 사이클에서 적어도 단기간 동안 역치 진동수(TL) 이상에서 작동하게 할 작은 잔여 디맨드(residual demand)를 형성하도록 냉동기 작동 조건 시간에 5분이 주어져야 한다.
제어 프로세스가 단계(919)로부터 단계(920)로 진행하는 경우, 이는 압축기가 고역치(TU) 이상에서 작동하고 있는 것을 나타낸다. 이 경우에서, 역치 제어부는 예를 들면 현재 행해지는 드라이브 듀티 사이클 값(P)의 일부로서 감소한 값, 출력값(Pc)을 설정한다. 예를 들어 Pc는 P/2이다. 이는 비교분석기(144)로의 다른 입력(Pr, Pa 및 Pt)의 최소값의 절반일 것이다. 그 후 제어는 단계(928)를 시작한다.
단계(928)에서, 제어 프로세스에 의해 경고 변수가 참으로 설정된다. 냉각 컨트롤러는 고장 신호를 보내기 위해, 또는 그 반대로 시스템의 고장 진단을 시험하고 시도하도록 이를 사용할 수 있다. 냉각 컨트롤러는 냉동기가 고장을 일으키거나 냉동기에 대하여 사용자의 서비스 요청을 받게 되는 경우에, 추후 분석을 위하여 이 경고의 트리거링을 데이터 로그(log)에 기록할 수 있다. 그 후 제어는 단계(929)를 시작한다.
단계(929)에서, 단계(906)로 되돌아가기 전에 대기하는 프로세스가 행해진 다. 단계(929)에서의 대기 기간은 출력값(Pc)을 감소한 값으로 유지시키는 프로세스가 행해질 동안의 기간으로 설정한다. 이 기간 후에 Pc값은 단계(912)에서 Pr값으로 재설정될 것이다. 단계(929)에서의 기간은 단계(924)에서의 기간과 유사하게 실시될 수 있거나, 기록된 운전 실적을 보고하도록 제어 프로세스에 의해 조정될 수 있다.
도 10은 제어 서브루틴으로서 작동하는 동등한 프로세스를 예시하고 있다. 이 범위에서는 대기 시간을 포함하는 루프가 삭제되었다. 또한, 프로세스의 시작 지점으로 되돌아가 반복적으로 순환하는 프로세스 대신에, 프로세스의 각 림브(limb)가 종결하고 종결을 명령했던 프로세스로 제어를 복귀시킨다. 따라서, 서브루틴은 연속 독립형 프로세스보다 더 짧은 간격으로 실행하기 위한 것이다. 참조 변수는 영속적이고 서브루틴의 반복(iteration) 사이에 설정된 채로 있게 된다.
프로세스의 각 작동 단계는 단계(1000)에서 시작한다. 서브루틴은 시간이 프로세스의 이전 반복으로부터 이월되는 시간 변수(t2)보다 작은지 아닌지를 판정하는 단계(1020)로 진행한다. 시간 변수(t2)는 가장 최근인 단계(1022)에서 설정되거나, 아래에서 설명될 단계(1024 또는 1029)에서 증분될 것이다. 시간 변수(t2)가 제어 서브루틴의 이전 반복의 단계(1022)에서 설정되었다면, 현재 시간은 t2보다 커질 것이고 서브루틴은 단계(1022)로 진행할 것이다. 그렇지 않고 시간이 사전에 단계(1024 또는 1029)에서 300초보다 적게 증분되었다면, 현재 시간은 t2보다 작아 질 것이고 서브루틴은 단계(1020)로부터 종료의 단계(1021)로 진행할 것이다.
루틴이 단계(1022)로 진행하는 경우에, 프로세스는 진동수 계산기(112)로부터 현재 운전 진동수(f)를 읽고 변수 t2를 현재 시간으로 설정한다. 그 후 프로세스는 결정 단계(1018)로 진행한다.
단계(1008)에서, 제어는 진동수(f)가 0과 같은지 아닌지에 따라, 압축기가 운전중인지 아닌지를 판정한다. 참일 경우 제어는 단계(1010)로 진행하여, 단계(1012)로 진행하기 전에 변수(t1)를 현재 시간과 동일하게 설정한다. 거짓일 경우 프로세스는 바로 단계(1012)로 진행한다.
단계(1012)에서, 프로세스는 현재의 출력값(Pc)을 요구 듀티 사이클(Pr)과 동일하게 설정한다. 그 후 프로세스는 제어 테이블로부터 고역치값(TU)과 저역치값(TL)을 읽는 단계(1014)로 진행한다.
프로세스는 단계(1014)로부터 진동수가 저역치값(TL)보다 작은지 아닌지를 판정하는 단계(1016)로 진행한다. 참일 경우 프로세스는 단계(1018)로 진행한다. 다른 경우 프로세스는 단계(1019)로 진행한다.
단계(1019)에서 프로세스는 진동수가 고역치(TU)보다 큰지 아닌지를 판정한다. 참일 경우 프로세스는 단계(1006)로 진행한다. 다른 경우 프로세스는 종료 단계(1014)로 진행한다. 압축기가 정상의 주위 범위에서 작동하고 있는 경우, 프로세스는 일반적으로 종료 단계(1004)로 진행할 것이고 값 Pc은 값 Pr을 따를 것이 다.
프로세스가 단계(1016)로부터 단계(1018)로 진행하는 경우, 이는 압축기가 역치 진동수(TL) 이하에서 운전되고 있는 것을 나타낸다. 이 경우 단계(1018)에서, 프로세스는 압축기가 시동 모드로 작동하고 있고 미리 설정한 기간보다 짧은 기간 동안 운전되었는지 아닌지를 판정한다. 예시된 프로세스로 예를 들면, 현재 시간이 변수(t1)에 15초를 더한 것보다 크지 않으면 프로세스는 압축기가 시동 모드 상태라고 가정하고 종료 단계(1015)로 진행한다. 다르게는, 프로세스는 압축기가 0 이상의 속도로 적어도 15초 동안 현재까지 운전되고 있으므로 안정 운전 조건을 이루게 될 거라는 가정하에 단계(1007)로 진행한다. 이 시동 기간은 안정 운전 조건을 이루는 예상 시동 시간에 따라 제어부가 편입된 냉각 시스템의 세부 사항에 따라 변할 수 있다.
단계(1017)에서 제어 프로세스는, 비교분석기(144)에 의해 결정되는 최소 파워가 될 것이고 제어 출력(P)이 0으로 감소하는 것을 야기할 출력값(Pc)을 0으로 설정하여 압축기가 정지할 것이다. 그 후 프로세스는 변수(t2)를 현재 시간에 300초를 더한 것과 같게 설정하도록 단계(1007)로부터 단계(1024)로 진행한다. 이 값은 제어 서브루틴의 다음의 반복으로 이월될 것이고 단계(1020)에서 서브루틴의 작동에 영향을 미칠 것이다. 사실상 이는 다음 시도에서 적절하게 실행될 제어 서브루틴 전에 300초의 지연을 제공하는 것이다. 300초로 지정된 기간은 예시일 뿐이다. 도 9의 실시예와 같이 지연 기간은 미리 결정될 수 있고, 최근 서브루틴의 운전 기 록에 따라 조정될 수 있다. 그 후 프로세스는 종료의 단계(1031)로 진행한다.
압축기가 단계(1019)로부터 단계(1006)로 진행하는 경우, 이는 압축기가 고역치(Tu) 이상에서 운전되고 있는 것을 나타낸다. 이 경우 제어 프로세스는 단계(1006)에서 출력값(Pc)을, 예를 들면, Pc가 제어값(Pr, Pa, Pt)의 최소한의 반절이 되도록 현재 행해지는 제어값(P)의 반절로 감소한 수준으로 설정한다. 단계(1029와 1020)의 작동으로 인하여, Pc의 값은 지연 기간 동안 지속할 것이다. 단계(1028)에서 제어 서브루틴은 도 9에서의 제어의 경고와 동일한 목적을 위해 경고를 설정할 것이다. 단계(1029)로 진행한 후에 서브루틴은 변수(t2)를 현재 시간에 지연 기간(예를 들면 300초)을 더한 것과 동일하게 설정한다. 또한 지연 기간은 미리 결정될 수 있거나, 운전 조건 또는 최근 기록에 따라 변할 수 있다. 그 후 프로세스는 종료의 단계(1030)로 진행한다.
도 9 및 10의 상세 프로세스들은 도 3~6의 전체 제어 구조 및 방법과 통합하는 의미로 상세하게 명시되어있고, 이러한 제어 방법과 프로세스는 바람직하고 유리하게 작동하며, 진동수가 저역치 레벨 이하로 내려갈 때 압축기로부터 파워를 제거하거나, 진동수가 고역치 레벨 이상으로 오를 때 압축기로의 파워를 감소시키거나, 또는 이 둘 다를 행함으로써, 검출된 공진 진동수(resonant frequency)에 따라 압축기를 제어하는 기본 원리가 다양한 제어 시스템과 프로그램에 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
따라서 본 발명은 압축기의 작동에 관한 피드백을 수신하고, 압축기의 순간 고유 진동수와 조화되게 리니어 모터에 전류를 가하기 위한 드라이브 신호를 제공하는 컨트롤러로 구성되어있다. 압축기는 압축기의 고유 진동수가 하한 역치 이하로 내려갈 때 압축기로부터 파워를 제거하거나, 고유 진동수가 상한 역치 이상으로 오를 때 압축기로의 파워를 감소시키거나, 또는 이 둘 다를 행하기 위한 수단을 포함하고 있다. 이러한 수단은 소프트웨어나 하드웨어에서 실시되는 역치 제어 알고리즘을 포함할 수 있다.
컨트롤러는 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻기 위한 수단을 포함하고 있고, 파워를 제거하기 위한 수단은 이 측정값을 역치에 대하여 비교하는 비교분석기를 포함할 수 있다.
왕복운동 주기를 나타내는 측정값은 단일 왕복운동 주기의 측정값, 일련 또는 부속열(sub-series)로 된 최근 순서의 왕복운동 주기의 평균, 또는 현재 추정되는 압축기의 운전 진동수를 포함할 수 있다.
컨트롤러로의 피드백은 역기전력 데이터를 포함할 수 있고, 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻기 위한 수단은 역기전력 데이터를 분석함으로써 측정값을 얻을 수 있다.
하한 역치, 상한 역치, 또는 이 양자는 메모리로부터 읽어진 미리 결정된 역치일 수 있거나, 현재 상태에 따라 계산에 의해 적어도 부분적으로 결정되거나 수정되는 역치일 수 있다.
압축기는 윤활유를 필요로 할 수 있다. 실린더 내에서의 피스톤의 슬라이딩은 가스 베어링에 의해 용이하게 될 수 있다.
실린더 내에서의 피스톤의 슬라이딩이 정압 가스 베어링에 의해 촉진되는 경우, 압축 가스 공급 통로는 압축기에 의해 압축된 가스를 담아 이용하는 저장소로부터 정압 가스 베어링으로 뻗어있을 수 있다.
컨트롤러는 디맨드 입력을 수신하고, 이 디맨드 입력에 따라 전류를 정규 작동시 리니어 모터에 가할 수 있다. 디맨드 입력은 디맨드 레벨 입력 또는 디맨드 변경 입력일 수 있다.
컨트롤러는 압축기의 고유 진동수가 상한 역치 이상으로 오르거나, 하한 역치 이하로 내려가거나, 또는 이 둘 다의 경우에서와, 피스톤이 압축기의 헤드 또는 밸브 플레이트와 충돌하는 것이 검출되는 경우에서도 정규 작동을 무효로 할 수 있다.
컨트롤러는 리니어 모터로부터의 역기전력 데이터의 분석에 기초하여 충돌을 검출할 수도 있다.

Claims (54)

  1. 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법으로서,
    상기 압축기가 시스템의 작동 상태에 따라 그 고유 진동수로 왕복운동하도록 요구 부하에 따라 상기 압축기에 에너지를 제공하는 단계,
    상기 압축기의 왕복운동의 진동수를 모니터하는 단계, 및
    상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 하한 역치 이하일 때 상기 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법은 상기 압축기가 시동할 때마다, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 하한 역치 이하일 때 상기 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계의 전에, 상기 압축기가 안정 상태의 운전 조건을 이룰 수 있는 시간을 허용하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수를 모니터하는 단계는 상기 압축기를 구동시키는 전자 정류식 리니어 모터의 왕복운동 주기를 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 하한 역치 이하일 때 상기 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계는 하한 역치 진동수를 결정하는 단계, 상기 결정된 하한 역치에 대하여 현재 압축기의 왕복운동의 진동수를 비교하는 단계, 및 상기 현재 진동수가 상기 하한 역치 이하일 때 상기 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법은, 상기 하한 역치 이하로 떨어지는 운전 진동수에 기인하여 압축기에 에너지를 공급하는 것을 중단하는 단계 후에,
    300초 이상의 지연 기간 후에 상기 압축기에 에너지를 공급하는 것을 재개하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수를 모니터하는 단계는 상기 압축기를 구동시키는 전자 정류식 리니어 모터의 역기전력 전압을 모니터하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 압축기를 구동시키는 전자 정류식 리니어 모터는 상기 리니어 모터의 권선에 전류를 가하기 위한 하나 이상의 전원 스위치를 포함하는 전원 회로로부터 제공되고, 상기 리니어 모터에는 전원 스위치가 압축기의 스트로크의 끝에서 오프되도록 에너지가 제공되고, 상기 압축기를 구동시키는 전자 정류식 리니어 모터의 역기전력 전압을 모니터하는 단계는 역기전력의 제로 크로싱 사이의 주기를 측정하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 상한 역치 이상일 때 상기 압축기에 가해지는 파워를 감소시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 상한 역치 이상일 때 상기 압축기에 가해지는 파워를 감소시키는 단계는 상한 역치 진동수를 결정하는 단계, 상기 결정된 역치에 대하여 현재 압축기의 왕복운동의 진동수를 비교하는 단계, 및 상기 현재 진동수가 상기 상한 역치 이상일 때 상기 압축기로의 파워를 감소시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법은 상한 역치 이상으로 상승하는 운전 진동수에 기인하여 압축기에 가해지는 파워를 감소시키는 단계 후에,
    300초 이상의 지연 기간 후에 상기 요구 부하에 따라 상기 압축기에 에너지를 공급하는 것을 재개하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  11. 상기 압축기가 시스템의 작동 상태에 따라 그 고유 진동수로 왕복운동하도록 요구 부하에 따라 상기 압축기에 에너지를 제공하는 단계,
    상기 압축기의 왕복운동의 진동수를 모니터하는 단계, 및
    상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 상한 역치 이상일 때 상기 압축기에 가해지는 파워를 감소시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수를 모니터하는 단계는 상기 압축기를 구동시키는 전자 정류식 리니어 모터의 왕복운동 주기를 모니터하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 상한 역치 이상일 때 상기 압축기에 가해지는 파워를 감소시키는 단계는 상한 역치 진동 수를 결정하는 단계, 상기 결정된 역치에 대하여 현재 압축기의 왕복운동의 진동수를 비교하는 단계, 및 상기 현재 진동수가 상기 상한 역치 이상일 때 상기 압축기로의 파워를 감소시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법은, 상기 상한 역치 이상으로 상승하는 운전 진동수에 기인하여 압축기에 가해지는 전류를 감소시키는 단계 후에,
    300초 이상의 지연 기간 후에 상기 요구 부하에 따라 상기 압축기에 에너지를 공급하는 것을 재개하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수를 모니터하는 단계는 상기 압축기를 구동시키는 전자 정류식 리니어 모터의 역기전력 전압을 모니터하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 압축기를 구동시키는 전자 정류식 리니어 모터는 상기 리니어 모터의 권선에 전류를 가하기 위한 하나 이상의 전원 스위치를 포함하는 전원 회로로부터 제공되고, 상기 리니어 모터에는 전원 스위치가 압축기의 스트 로크의 끝에서 오프되도록 에너지가 제공되고, 상기 압축기를 구동시키는 전자 정류식 리니어 모터의 역기전력 전압을 모니터하는 단계는 역기전력의 제로 크로싱 사이의 주기를 측정하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 하한 역치 이하일 때 상기 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법은 상기 압축기가 시동할 때마다, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 하한 역치 이하일 때 상기 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계의 전에, 상기 압축기가 안정 상태의 운전 조건을 이룰 수 있는 시간을 허용하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 하한 역치 이하일 때 상기 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계는 하한 역치 진동수를 결정하는 단계, 상기 결정된 역치에 대하여 현재 압축기의 왕복운동의 진동수를 비교하는 단계, 및 상기 현재 진동수가 상기 하한 역치 이하일 때 상기 압 축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법은 하한 역치 이하로 떨어지는 운전 진동수에 기인하여 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계 후에,
    300초 이상의 지연 기간 후에 상기 압축기에 에너지를 공급하는 것을 재개하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 리니어 압축기를 제어하는 방법.
  21. 자유 피스톤 가스 압축기에 있어서,
    실린더,
    상기 실린더 내에서 왕복운동이 가능한 피스톤,
    상기 피스톤에 연결되고 하나 이상의 여자 권선을 가지고 있는 왕복운동하는 리니어 전기 모터, 및
    상기 압축기의 작동에 관한 피드백을 수신하고, 상기 압축기의 순간 고유 진동수와 조화되게 리니어 모터에 전류를 가하기 위한 드라이브 신호를 제공하는 컨트롤러를 포함하고 있고,
    상기 컨트롤러는 압축기의 고유 진동수가 하한 역치 이하로 내려갈 때 압축기로부터 파워를 제거하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 컴퓨터를 포함하고 있고, 상기 압축기의 고유 진동수가 하한 역치 이하로 내려갈 때 상기 압축기로부터 파워를 제거하기 위한 수단은 상기 컴퓨터로 실행하기 위한 기록된 프로그램을 포함하고 있고, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 컴퓨터가,
    하한 역치를 결정하게 하고,
    상기 압축기의 현재 작동하는 진동수를 모니터하게 하고,
    상기 하한 역치에 대하여 상기 현재 운전 진동수를 비교하게 하고, 및
    상기의 비교가 현재 운전 진동수가 상기 하한 역치 이하라고 나타낼 때 상기 리니어 전기 모터로부터 파워를 제거시키도록 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 데이터 기억장치로부터 역치값을 읽음으로써, 상기 컴퓨터가 하한 역치를 결정하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻음으로써, 상기 컴퓨터가 현재 운전 진동수를 모니터하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 모터 전기자의 운동에 의해 리니어 모터의 권선에서 생성되는 역기전력 전압에 관한 데이터를 수신하고, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 역기전력의 데이터를 분석함으로써, 상기 컴퓨터가 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  26. 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러로부터의 드라이브 신호는 상기 컴퓨터의 출력에 의해 결정되는 듀티 사이클을 가지고 있는 PWM 신호를 포함하고 있고, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 듀티 사이클을 0으로 조정함으로써, 상기 컴퓨터가 상기 리니어 전기 모터로부터 파워를 제거하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  27. 제 22 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 컴퓨터가, 상기 압축기가 시동할 때마다, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 하한 역치 이하일 때 상기 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계의 전에, 상기 압축기가 안정 상태의 운전 조건을 이룰 수 있는 시간을 허용하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  28. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그 램은 상기 컴퓨터가, 상기 하한 역치 이하로 떨어지는 운전 진동수에 기인하여 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계의 전에, 300초 이상인 지연 기간 후에 상기 압축기에 에너지는 제공하는 것을 재개하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  29. 제 22 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 컴퓨터가, 현재 운전 진동수가 상한 역치 이상일 때 상기 모터에 가해지는 파워를 감소하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 컴퓨터가, 상한 역치 이상으로 상승하는 운전 진동수에 기인하여 압축기에 가해지는 파워를 감소시키는 단계 후에, 300초 이상인 지연 기간 후에 요구 부하에 따라 상기 압축기에 에너지는 공급하는 것을 재개하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  31. 제 21 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻기 위한 수단을 포함하고 있고, 상기 파워를 제거하기 위한 수단은 상기의 측정값을 역치에 대하여 비교하는 비교분석기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 컨트롤러로의 상기 피드백은 역기전력 데이터를 포 함하고 있고, 상기 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻기 위한 수단은 역기전력 데이터를 분석함으로써 측정값을 얻는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  33. 제 21 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기에는 윤활유가 필요하고, 상기 실린더 내에서 피스톤의 슬라이딩은 가스 베어링에 의해 용이하게 되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 실린더 내에서 피스톤의 슬라이딩은 압축 가스 공급 통로가 압축기에 의해 압축된 가스를 담아 이용하는 저장소로부터 정압 가스 베어링으로 뻗어있는 상태로, 상기 정압 가스 베어링에 의해 용이하게 되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  35. 제 21 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 요구 입력을 수신하고 정규 작동시 상기 요구 입력에 따라 리니어 모터에 전류를 가하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 압축기의 고유 진동수가 상한 역치 이상으로 상승하거나, 또는 하한 이하로 떨어지거나, 또는 이 둘 다의 경우에서와, 피스톤이 압축기의 헤드 또는 밸브 플레이트와 충돌하는 것을 검출한 경우에서 정규 작동을 무효화하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 역기전력 데이터의 분석에 기초하여 충돌을 검출하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  38. 자유 피스톤 가스 압축기에 있어서,
    실린더,
    상기 실린더 내에서 왕복운동이 가능한 피스톤,
    상기 피스톤에 연결되고 하나 이상의 여자 권선을 가지고 있는 왕복운동하는 리니어 전기 모터, 및
    상기 압축기의 작동에 관한 피드백을 수신하고, 상기 압축기의 순간 고유 진동수와 조화되게 리니어 모터에 전류를 가하기 위한 드라이브 신호를 제공하는 컨트롤러를 포함하고 있고,
    상기 컨트롤러는 압축기의 고유 진동수가 상한 역치 이상으로 올라갈 때 압축기로의 파워를 감소시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 컴퓨터를 포함하고 있고, 상기 압축기의 고유 진동수가 하한 역치 이하로 내려갈 때 상기 압축기로부터 파워를 제거하기 위한 수단은 상기 컴퓨터로 실행하기 위한 기록된 프로그램을 포함하고 있고, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 컴퓨터가,
    상한 역치를 결정하게 하고,
    상기 압축기의 현재 운전 진동수를 모니터하게 하고,
    상기 하한 역치에 대하여 상기 현재 운전 진동수를 비교하게 하고, 및
    상기의 비교가 현재 운전 진동수가 상기 상한 역치 이상이라고 나타낼 때 상기 리니어 전기 모터에 공급되는 파워를 감소시키게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  40. 제 39 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 데이터 기억장치로부터 역치값을 읽음으로써, 상기 컴퓨터가 상한 역치를 결정하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  41. 제 39 항 또는 제 40 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻음으로써, 상기 컴퓨터가 현재 운전 진동수를 모니터하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 모터 전기자의 운동에 의해 리니어 모터의 권선에서 생성되는 역기전력 전압에 관한 데이터를 수신하고, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 역기전력의 데이터를 분석함으로써, 상기 컴퓨터가 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가 스 압축기.
  43. 제 39 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러로부터의 드라이브 신호는 상기 컴퓨터의 출력에 의해 결정되는 듀티 사이클을 가지고 있는 PWM 신호를 포함하고 있고, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 듀티 사이클을 0으로 조정함으로써, 상기 컴퓨터가 상기 리니어 전기 모터로의 파워를 감소시키게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  44. 제 39 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 컴퓨터가, 상한 역치 이상으로 상승하는 운전 진동수에 기인하여 압축기에 가해지는 파워를 감소시키는 단계 후에, 300초 이상의 지연 기간 후에 요구 부하에 따라 상기 압축기에 에너지를 공급하는 것을 재개하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  45. 제 39 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 컴퓨터가, 현재 운전 진동수가 하한 역치 이하일 때 상기 모터로부터 파워를 제거하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  46. 제 45 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 컴퓨터가, 상기 압축기가 시동할 때마다, 상기 압축기의 왕복운동의 진동수가 하한 역치 이하일 때 상 기 압축기에 에너지를 제공하는 것을 중단하는 단계의 전에, 상기 압축기가 안정 상태의 운전 조건을 이룰 수 있는 시간을 허용하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  47. 제 45 항 또는 제 46 항에 있어서, 상기 실행될 때의 프로그램은 상기 컴퓨터가, 하한 역치 이하로 떨어지는 운전 진동수에 기인하여 압축기에 에너지를 공급하는 것을 중단 후에, 300초 이상의 지연 기간 후에 상기 압축기에 에너지를 공급하는 것을 재개하게 하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  48. 제 38 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻기 위한 수단을 포함하고 있고,
    상기 파워를 감소시키기 위한 수단은 상기의 측정값을 역치에 대하여 비교하는 비교분석기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  49. 제 48 항에 있어서, 상기 컨트롤러로의 상기 피드백은 역기전력 데이터를 포함하고 있고, 상기 피스톤의 왕복운동 주기를 나타내는 측정값을 얻기 위한 수단은 역기전력 데이터를 분석함으로써 측정값을 얻는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  50. 제 38 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기에는 윤활유가 필요하고, 상기 실린더 내에서 피스톤의 슬라이딩은 가스 베어링에 의해 용이하게 되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  51. 제 50 항에 있어서, 상기 실린더 내에서 피스톤의 슬라이딩은 압축 가스 공급 통로가 압축기에 의해 압축된 가스를 담아 이용하는 저장소로부터 정압 가스 베어링으로 뻗어있는 상태로, 상기 정압 가스 베어링에 의해 용이하게 되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  52. 제 38 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 요구 입력을 수신하고 정규 작동시 상기 요구 입력에 따라 리니어 모터에 전류를 가하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  53. 제 52 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 압축기의 고유 진동수가 상한 역치 이상으로 상승하거나, 또는 하한 이하로 떨어지거나, 또는 이 둘 다의 경우에서와, 피스톤이 압축기의 헤드 또는 밸브 플레이트와 충돌하는 것을 검출한 경우에서 정규 작동을 무효화하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
  54. 제 53 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 역기전력 데이터의 분석에 기초하여 충돌을 검출하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 가스 압축기.
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