KR20100104951A - 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법이 개시된다. 본 발명은 일정 주기마다 위상차의 변화량 또는 가스 스프링 상수의 변화량을 근거로 위상차의 변곡점 또는 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하여 상사점을 검출하도록 함으로써 리니어 압축기를 공진 주파수 이상으로 운전 시에도 상사점을 용이하게 검출할 수 있고, 시스템의 신뢰성을 제고한다.

리니어 압축기, 비공진, 상사점

Description

리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING LINEAR COMPRESSOR AND METHOD THE SAME}

본 발명은 공진 주파수보다 높은 주파수 운전 시에 상사점을 용이하게 검출할 수 있도록 한 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동 시스템, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등,의 일부분으로 사용된다.

상기 압축기는 크게, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary Compressor)와, 선회 스크롤(Orbiting Scroll)과 고정 스크롤(Fixed Scroll) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 신회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll Compressor)로 구분된다.

상기 왕복동식 압축기는 내부 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복 운동시킴으로써 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출한다. 상기 왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 크게 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분된다.

상기 레시프로 방식은 회전하는 모터(Motor)에 크랭크샤프트(Crankshaft)를 결합하고, 상기 크랭크샤프트에 피스톤을 결합하여 모터의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 변환하는 방식이다. 반면, 상기 리니어 방식은 직선 운동하는 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.

이러한 왕복동식 압축기는 구동력을 발생하는 전동 유닛과, 전동 유닛으로부터 구동력을 전달받아 유체를 압축하는 압축 유닛으로 구성된다. 상기 전동 유닛으로는 일반적으로 모터를 많이 사용하며, 상기 리니어 방식의 경우에는 리니어 모터를 이용한다.

상기 리니어 모터는 모터 자체가 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계적인 변환 장치가 필요하지 않고, 구조가 복잡하지 않다. 또한, 상기 리니어 모터는 에너지 변환으로 인한 손실을 줄일 수 있고, 마찰 및 마모가 발생하는 연결 부위가 없어서 소음을 크게 줄일 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한, 상기 리니어 방식의 왕복동식 압축기, 이하 리니어 압축기(Linear Compressor)라 한다,를 냉장고나 공기조화기에 이용할 경우에는 리니어 압축기에 인가되는 스트로크 전압을 변경 하여 줌에 따라 압축 비(Compression Ratio)를 변경할 수 있어 냉력(Freezing Capacity) 가변 제어에도 사용할 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 왕복동식 압축기, 특히 리니어 압축기,는 피스톤이 실린더 안에서 기구적으로 구속되어 있지 않은 상태에서 왕복 운동을 하게 되기 때문에 갑자기 전압이 과도하게 걸리는 경우에 피스톤이 실린더 벽에 부딪히거나, 부하가 커서 피스톤이 전진하지 못하여 압축이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 부하의 변동이나 전압의 변동에 대하여 피스톤의 운동을 제어하기 위한 제어 장치가 필수적이다.

그러나, 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 제어 장치 및 방법은 공진 주파수 보다 높은 주파수로 운전하는 경우에 TDC=0인 지점에서 위상차 또는 가스 스프링 상수의 변곡점이 완만하게 발생되어 TDC=0인 지점을 검출하지 못하거나 오검출하는 문제점이 있다. 여기서, 상기 TDC는 "Top Dead Center"의 약어로서, 리니어 압축기에서 피스톤의 상사점에 대한 영문 표기인데, 물리적으로는 피스톤의 압축행정 완료시의 스트로크를 의미한다. 이하에서는 상기 TDC=0인 지점을 간단히 '상사점'으로 표기한다.

또한, 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 제어 장치 및 방법은 상기 상사점을 오검출하여 전체 시스템의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

본 발명은 리니어 압축기를 공진 주파수 이상으로 운전 시에 상사점을 용이하게 검출할 수 있는 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기 모터전류와 스트로크의 위상차들을 일정 주기마다 검출하는 위상차검출유닛과, 상기 위상차들의 변화량을 근거로 기준 위상차를 설정하는 기준위상차설정유닛과, 상기 기준 위상차와 현재 위상차를 일정 주기마다 비교하는 위상차비교유닛과, 상기 비교 결과를 근거로 상기 위상차의 변곡점을 검출하는 변곡점검출유닛과, 상기 위상차의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 제어유닛을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 압축기 모터전류와 스트로크의 위상차들을 일정 주기마다 검출하여 변화가 큰 위상차를 최초 기준 위상차로 설정하고, 상기 최초 기준 위상차 및 상기 최초 기준 위상차에서의 변화량을 근거로 상기 위상차의 변곡점을 검출하여 상사점을 검출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 압축기 냉매에 따른 가스 스프링 상수를 일정 주기마다 연산하여 변화가 큰 가스 스프링 상수를 최초 기준 상수로 설정하고, 상기 최초 기준 상수와 상기 최초 기준 상수를 갖는 주기에서의 변화량을 근거로 상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하여 상사점을 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 일정 주기마다 위상차의 변화량 또는 가스 스프링 상수의 변화량을 근거로 위상차의 변곡점 또는 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출함으로써 리니어 압축기를 공진 주파수 이상으로 운전 시에 상사점을 용이하게 검출할 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 공진 주파수 이상의 운전 주파수에서 상사점을 오검출함에 따른 시스템의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법은, 일정 주기마다 위상차의 변화량 또는 가스 스프링 상수(Gas Spring Constant; Kg)의 변화량을 근거로 기준 위상차 또는 기준 상수를 설정하고, 현재 주기에서의 위상차 또는 가스 스프링 상수와 비교하여 위상차의 변곡점 또는 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하여, 상기 위상차의 변곡점 또는 가스 스프링 상수의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 제어 장치 및 제어 방법이 적용될 리니어 압축기의 구성을 간단히 설명한다. 다만, 하기 리니어 압축기의 구성은 필요에 따라, 그 구성요소 중 일부가 변경 또는 삭제되거나, 다른 구성 요소가 추가될 수 있다.

리니어 압축기는 밀폐용기 일측에 냉매가 유입 및 유출되는 유입관 및 유출관이 설치되고, 밀폐용기 내측에 실린더가 고정된다. 실린더 내부의 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축하기 위하여 실린더 내부에 피스톤이 왕복 직선 운동이 가능하게 설치된다. 또, 피스톤의 운동방향에 스프링들이 설치되어 탄성력에 의해 지지된다. 피스톤은 또한 직선왕복 구동력을 발생시키는 리니어 모터와 연결되고, 상기 리니어 모터는 압축용량이 변경되도록 피스톤의 스트로크를 제어한다. 상기 압축공간에 접하고 있는 피스톤의 일단에 흡입밸브가 설치되고, 압축공간과 접하고 있는 실린더의 일단에 토출밸브 어셈블리가 설치된다. 여기서, 흡입밸브 및 토출밸브 어셈블리는 각각 자동적으로 조절되어 압축공간의 내부의 압력에 따라 개폐된다. 밀폐용기는 상, 하부 쉘이 서로 결합되어 내부가 밀폐되고, 그 일측에는 냉매가 유입되는 유입관 및 냉매가 유출되는 유출관이 설치된다. 실린더 내측에 피스톤이 왕복 직선 가능하게 운동방향으로 탄성 지지되고, 실린더 외측에 리니어 모터가 프레임에 의해 서로 조립되어 조립체를 구성한다. 이러한 조립체는 지지스프링에 의해 밀폐용기의 내측 바닥면에 탄성 지지된다. 밀폐용기의 내부 바닥면에는 소정의 오일이 존재한다. 상기 조립체의 하단에는 오일을 펌핑하는 오일공급장치가 설치되고, 조립체의 하측 프레임 내부에는 오일을 상기 피스톤과 실린더 사이로 공급하는 오일공급관이 형성된다. 상기 오일공급장치는 피스톤의 왕복 직선 운동에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑한다. 이러한 오일은 오일공급관을 따라 피스톤과 실린더 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 한다.

실린더는 피스톤이 왕복 직선 운동하도록 중공 현상으로 형성되고, 일측에 압축 공간이 형성되며, 유입관 내측에 일단이 근접하게 위치되어 유입관과 동일한 직선 상에 설치된다. 물론 상기 실린더는 유입관과 근접한 일단 내부에 상기 피스톤이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되고, 유입관과 반대방향 측의 일단에 토출밸브 어셈블리가 설치된다. 상기 토출밸브 어셈블리는 상기 실린더의 소정의 토출공간을 형성하는 토출커버와, 실린더의 압축공간 측 일단을 개폐하는 토출밸브와, 토출커버와 토출밸브 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 일종의 코일 스프링인 밸브 스프링으로 구성된다. 이때, 상기 실린더의 일단 내둘레에 오링을 구비하여 토출밸브가 실린더 일단을 밀착한다. 상기 토출커버의 일측과 유출관 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프가 연결 설치된다. 상기 루프 파이프는 압축된 냉매가 외부로 토출될 수 있도록 안내하고, 상기 실린더, 피스톤, 리니어 모터의 상호 작용에 의한 진동이 상기 밀폐용기 전체로 전달되는 것을 완충시켜 준다. 상기 피스톤에는 냉매유로가 형성되어 유입관으로부터 유입된 냉매가 유동되도록 한다. 상기 유입관과 근접한 일단이 연결부재에 의해 리니어 모터가 직접 연결되도록 설치되고, 상기 유입관과 반대방향 측 일단에 흡입밸브가 설치되며, 피스톤의 운동방향으로 각종 스프링에 의해 탄성 지지되도록 설치된다. 이때, 상기 흡입밸브는 박판 형상으로 중앙부분이 상기 피스톤의 냉매유로를 개폐하도록 중앙 부분이 일부 절개되어 형성되고, 일측이 상기 피스톤의 일단에 스크류에 의해 고정된다.

상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 압축공간의 압력이 토출압력보다 더 낮은 소정의 흡입압력 이하가 되면, 흡입밸브가 개방되어 냉매가 압축공간으로 흡입되고, 압축공간의 압력이 소정의 흡입압력 이상이 되면, 흡입밸브가 닫힌 상태에서 압축공간의 냉매가 압축된다.

리니어 모터는 복수개의 라미네이션(Lamination)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임에 의해 실린더 외측에 고정되도록 설치되는 이너 스테이터(Inner Stator)와, 코일이 감겨지도록 구성된 코일 권선체 주변에 복수개의 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임에 의해 실린더 외측에 이너 스테이터와 소정의 간극을 두고 설치되는 아웃터 스테이터(Outer Stator)와, 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에 위치되어 상기 피스톤과 연결부재에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석으로 구성된다. 여기서, 상기 코일 권선체는 상기 이너 스테이터의 외측에 고정될 수 있다. 리니어 모터에서 상기 코일 권선체에 전류가 인가됨에 따라 전자기력이 발생되고, 발생된 전자기력과 영구자석의 상호작용에 의해 영구자석이 왕복 직선 운동하게 되며, 영구자석과 연결된 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법을 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기 모터전류와 스트로크의 위상차들을 일정 주기마다 검출하는 위상차검출유닛(300)과, 상기 위상차들의 변화량을 근거로 기준 위상차를 설정하는 기준위상차설정유닛(400)과, 상기 기준 위상차와 현재 위상차를 일정 주기마다 비교하는 위상차비교유닛(500)과, 상기 비교 결과를 근거로 상기 위상차의 변곡점을 검출하는 변곡점검출유닛(600)과, 상기 위상차의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 제어유 닛(700)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 일정 주기마다 검출된 위상차들을 저장하는 저장유닛(310)을 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 일정 주기는 일반적으로 모터 피스톤의 왕복 운동 주기를 의미하나, 사용자 등에 의해 설정되거나 변경될 수 있다.

상기 모터전류는 상기 압축기 모터, 즉 리니어 모터에 인가되는 전류를 의미하고, 이는 전류 센서 등에 의해 검출될 수 있다. 상기 스트로크는 센서 등을 이용하여 검출되거나, 상기 리니어 모터에 인가되는 모터전압 및 모터전류를 근거로 연산된다. 이때, 일반적으로 상기 모터전류와 스트로크 사이에는 위상차(θi,x)가 발생한다. 상기 위상차의 변곡점은 현재 운전 주파수가 높아짐에 따라 완만하게 변하게 되어 검출이 어려워진다. 여기서, i는 전류, x는 스트로크를 의미한다. 상기 TDC는 "Top Dead Center"의 약어로서, 물리적으로는 피스톤의 압축행정 완료시의 스트로크를 의미한다.

여기서, 상기 기준위상차설정유닛(400)은, 상기 위상차들의 변화가 큰 위상차를 최초 기준 위상차로 설정하고, 주기가 반복됨에 따라 상기 최초 기준 위상차로부터 기준 위상차를 설정한다. 여기서, 상기 기준 위상차는 상기 일정 주기가 반복됨에 따라 상기 최초 기준 위상차에서의 변화량 만큼 작아진다.

또한, 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 압축기 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 전류검출유닛(110)과, 상기 압축기 모터에 인가되는 모터전압을 검출하는 전압검출유닛(120)과, 상기 모터전류 및 상기 모터전압을 근거로 상기 스트로크를 연산하는 스트로크연산유닛(200)을 더 포함하여 구성된다.

한편, 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는 전원 유닛(910)을 더 포함하는데, 상기 전원 유닛(910)은 상용 교류 전원을 입력 받아 직류 전원으로 변환하는 정류유닛과, 상기 직류 전원을 평활화하는 평활 커패시터로 구성된다.

상기 전류검출유닛(110)은 압축기의 부하, 또는 냉동 시스템의 부하,에 따라 상기 리니어 압축기의 모터(900)에 인가되는 모터전류를 검출하고, 상기 전압검출유닛(120)은 압축기의 부하에 따라 상기 리니어 모터(900)의 양단 간에 인가되는 모터전압을 검출한다.

상기 모터전압, 모터전류 및 스트로크와의 관계는 하기와 같다. 즉, 상기 스트로크연산유닛(200)은 상기 전압검출유닛(120)을 통해 검출된 모터전압과, 상기 전류검출유닛(110)을 통해 검출된 모터전류를 근거로 하기의 식을 이용해 스트로크를 연산할 수 있다.

여기서, x는 스트로크, α는 모터 상수, Vm은 모터전압, R은 저항, L은 인덕턴스, i는 모터전류를 의미한다.

상기 위상차검출유닛(300)은 상기와 같이 검출된 모터전류와 상기 스트로크연산유닛(200)을 통해 연산된 스트로크의 위상차를 검출한다.

도 7을 참조하여 일 예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치를 설명한다. 도 7은 일정 주기마다 검출된 위상차를 스트로크 변화에 따라 표시한 그래프이다. 일반 적으로 위상차와 스트로크가 동위상인 경우에 상사점(TDC=0인 지점)에 가까와 짐에 따라 위상차의 변화량 역시 커진다. 즉, 상사점에 가까울수록 위상차 변화량의 기울기가 급격하게 커진다. 공진주파수에 따라 운전하는 경우에는 상사점이 검출된 후 위상차가 다시 증가함에 반하여 공진주파수 보다 높은 주파수로 운전하는 경우에는 상사점이 검출된 후 위상차의 변화를 예측할 수 없다. 도 7을 참조하면, 상기 기준위상차설정유닛(400)은 일정 주기마다 위상차를 검출하여 기울기가 급격하게 되는 점을 검출한다. 이렇게 검출된 위상차를 최초 기준 위상차로 설정한 다음 일정 주기마다 최초 기준 위상차에서의 기울기를 유지하도록 한다. 상기 위상차비교유닛(500)은 상기 설정된 기준 위상차와 현재 주기의 위상차를 비교한다. 이때, 기준 위상차가 계속적으로 낮아지면 상사점 이후의 예측 불가능한 위상차의 변화에도 불구하고, 상기 기준 위상차와 상사점 이후의 주기마다 검출된 위상차간의 차이가 일정 값 이상을 유지할 수 있게 된다. 상기 변곡점검출유닛(600)은 상기 차이가 일정 값 이상을 유지하면서 일정 회수 이상이 되면 최초에 검출한 최초 기준 위상차를 위상차 변곡점으로 검출하고, 상기 제어유닛(700)은 상기 위상차의 변곡점에서의 TDC를 상사점으로 검출한다. 또한, 상기 제어유닛(700)은 상기 검출된 상사점을 이용하여 인버터유닛(800)을 구동하는 제어신호를 출력한다. 또한, 상기 저장유닛(310)은 상기 위상차검출유닛(300)을 통해 검출된 일정 주기마다의 위상차를 저장하고, 검출된 위상차를 제어유닛(700)으로 출력한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기 모터전류 및 스트로크를 근거로 일정 주기마다 가스 스프링 상수를 연 산하는 연산유닛(320)과, 상기 가스 스프링 상수들의 변화량을 근거로 기준 상수를 설정하는 기준상수설정유닛(420)과, 상기 기준 상수와 현재 가스 스프링 상수를 일정 주기마다 비교하는 가스스프링상수비교유닛(520)과, 상기 비교 결과를 근거로 상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하는 가스스프링상수변곡점검출유닛(620)과, 상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 제어유닛(700)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 일정 주기마다 검출된 위상차들을 저장하는 저장유닛(310)을 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 일정 주기는 일반적으로 모터 피스톤의 왕복 운동 주기를 의미하나, 사용자 등에 의해 설정되거나 변경될 수 있다.

상기 피스톤은 상기 리니어 모터에 의해 왕복 직선 운동하더라도 운동방향으로 탄성 지지될 수 있도록 각종 스프링이 설치되는데, 구체적으로 기계 스프링(Mechanical Spring)의 일종인 코일 스프링이 피스톤의 운동방향으로 상기 밀폐용기 및 실린더에 탄성 지지되도록 설치되며, 상기 압축공간으로 흡입된 냉매 역시 가스 스프링(Gas Spring)으로 작용하게 된다. 이때, 상기 코일 스프링은 일정한 기계 스프링 상수(Mechanical Spring Constant; Km)를 가지고, 상기 가스 스프링은 부하에 따라 가변되는 가스 스프링 상수(Gas Spring Constant; Kg)를 가진다. 상기 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)를 고려하여 리니어 압축기의 고유주파수(fn)가 결정된다. 즉, 상기 연산유닛(320)은 리니어 압축기의 부하에 따라 가스스프링상수를 연산하는데, 상기 전류검출유닛(110)을 통해 검출된 모터전류와, 상기 스트로크연산유닛(200)으로부터 연산 출력된 스트로크와, 상기 위상차검출유닛(300)을 통해 검출된 상기 전류와 스트로크의 위상차를 근거로 가스 스프링 상 수(Kg)를 연산한다. 예를 들어 상기 스프링 상수(Kg)는 아래와 같이 연산될 수 있다.

여기서, 상기 α는 모터 상수, ω는 운전주파수, Km은 기계 스프링 상수, Kg는 가스 스프링 상수이며, M은 피스톤의 질량, |I(jω)|는 한주기 전류 피크값, |X(jω)|는 한주기 스트로크 피크값을 나타낸다.

상기 기준상수설정유닛(420)은, 상기 가스 스프링 상수들 중 변화가 큰 가스 스프링 상수를 최초 기준 상수로 설정하고, 주기가 반복됨에 따라 최초 기준 상수로부터 기준 상수를 설정한다. 여기서, 상기 기준 상수는 상기 일정 주기가 반복됨에 따라 상기 최초 기준 상수에서의 변화량 만큼 작아진다.

또한, 상기 다른 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 압축기 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 전류검출유닛(110)과, 상기 압축기 모터에 인가되는 모터전압을 검출하는 전압검출유닛(120)과, 상기 모터전류 및 상기 모터전압을 근거로 상기 스트로크를 연산하는 스트로크연산유닛(200)을 더 포함하여 구성된다. 한편, 상기 다른 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는 전원 유닛(910)을 더 포함하는데, 상기 전원 유닛(910)은 상용 교류 전원을 입력 받아 직류 전원으로 변환하는 정류유닛과, 상기 직류 전원을 평활화하는 평활 커패시터로 구성된다. 이에 대한 설명은 상기 일 실시예에서의 설명에 갈음하고, 이하 생략한 다.

이하, 다른 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치를 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 일정 주기마다 검출된 가스 스프링 상수를 스트로크 변화에 따라 표시한 그래프이다. 일반적으로 가스 스프링 상수와 스트로크가 동위상인 경우에 상사점(TDC=0인 지점)에 가까와 짐에 따라 가스 스프링 상수의 변화량 역시 커진다. 즉, 상사점에 가까울수록 가스 스프링 상수 변화량의 기울기가 급격하게 커진다. 공진주파수에 따라 운전하는 경우에는 상사점이 검출된 후 가스 스프링 상수가 다시 증가함에 반하여 공진주파수 보다 높은 주파수로 운전하는 경우에는 상사점이 검출된 후 가스 스프링 상수의 변화를 예측할 수 없다. 도 7을 참조하면, 상기 기준상수설정유닛(420)은 일정 주기마다 가스 스프링 상수를 검출하여 기울기가 급격하게 되는 가스 스프링 상수를 검출한다. 이렇게 검출된 가스 스프링 상수를 최초 기준 상수로 설정한 다음 일정 주기마다 최초 기준 상수에서의 기울기를 유지하도록 한다. 상기 가스스프링상수비교유닛(520)은 상기 설정된 기준 상수와 현재 주기의 가스 스프링 상수를 비교한다. 이때, 기준 상수가 계속적으로 낮아지면 상사점 이후의 예측 불가능한 가스 스프링 상수의 변화에도 불구하고, 상기 기준 상수와 상사점 이후의 주기마다 검출된 가스 스프링 상수간의 차이가 일정 값 이상을 유지할 수 있게 된다. 상기 가스스프링상수변곡점검출유닛(620)은 상기 차이가 일정 값 이상을 유지하면서 일정 회수 이상이 되면 최초에 검출한 최초 기준 상수를 가스 스프링 상수의 변곡점으로 검출하고, 상기 제어유닛(700)은 상기 가스 스프링 상수의 변곡점에서의 TDC를 상사점으로 검출한다. 또한, 상기 제어유닛(700)은 상기 검 출된 상사점을 이용하여 인버터유닛(800)을 구동하는 제어신호를 출력한다. 또한, 상기 저장유닛(310)은 상기 연산유닛(320)을 통해 연산된 일정 주기마다의 가스 스프링 상수를 저장하고, 검출된 가스 스프링 상수를 제어유닛(700)으로 출력한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 압축기 모터전류와 스트로크의 위상차를 일정 주기마다 검출하는 단계(S130)와, 상기 위상차의 변화량을 근거로 기준 위상차를 설정하는 단계(S140)와, 상기 기준 위상차와 현재 위상차를 매 주기 마다 비교하는 단계(S150)와, 상기 비교 결과를 근거로 상기 위상차의 변곡점을 검출하는 단계(S160)와, 상기 위상차의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 단계(S170)를 포함하여 구성된다. 또한, 압축기 모터에 인가되는 모터전류 및 모터전압을 검출하는 단계(S110)와, 상기 모터전류와 모터전압을 근거로 스트로크를 연산하거나, 또는 센서 등을 이용하여 스트로크를 검출하는 단계(S120)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 일정 주기는 일반적으로 모터 피스톤의 왕복 운동 주기를 의미하나, 사용자 등에 의해 설정되거나 변경될 수 있다. 이하, 장치의 구성은 도 1의 구성을 참조한다.

상기 압축기 모터에 인가되는 모터전류 및 모터전압을 검출하는 단계(S110)는 압축기의 부하, 또는 냉동 시스템의 부하,에 따라 상기 리니어 압축기의 모터에 인가되는 모터전류를 검출하고, 상기 리니어 모터의 양단 간에 인가되는 모터전압을 검출한다.

상기 모터전압, 모터전류 및 스트로크와의 관계는 하기와 같다. 즉, 상기 스트로크 연산 단계(S120)는 검출된 모터전압과 모터전류를 근거로 하기의 식을 이용 해 스트로크를 연산한다.

여기서, x는 스트로크, α는 모터 상수, Vm은 모터전압, R은 저항, L은 인덕턴스, i는 모터전류를 의미한다.

한편, 상기 스트로크 연산단계(S120)는 압축기 운전에 따른 모터의 스트로크를 검출할 수 있다.

상기 위상차 검출 단계(S130)는 상기와 같이 검출된 모터전류와 상기 연산된 스트로크의 위상차를 검출한다.

상기 기준 위상차 설정 단계(S140)은, 상기 위상차들 중 변화가 큰 위상차를 최초 기준 위상차를 설정한다. 여기서, 기준 위상차는 상기 일정 주기가 반복됨에 따라 상기 최초 기준 위상차에서의 변화량 만큼 작아진다.

도 5를 참조하면, 도 3의 제어 방법을 설명하기 위한 일 예로서, 상기 기준 위상차를 설정한 후, 현재 위상차를 검출하여(S330) 상기 기준 위상차와 상기 현재 주기의 위상차를 비교한다(S350). 이때, 상기 차이에 일정 값을 마진을 둘 수 있다. 만약 상기 현재 위상차가 상기 기준 위상차에 일정 위상차를 더한 값 이상이면 상사점을 검출하는 루틴을 수행하고, 상기 현재 위상차가 상기 기준 위상차에 일정 위상차를 더한 값보다 작으면 기준 위상차를 다시 설정하는 루틴을 수행한다. 즉, 상기 현재 위상차가 상기 기준 위상차에 일정 위상차를 더한 값 이상이면, 위상차 와 스트로크가 동위상인지 판단하고(S361), 동위상이면 일정 회수를 반복적으로 상기 위상차가 상기 기준 위상차에 일정 위상차를 더한 값 이상인지 판단하며(S362), 상기 판단 결과 일정 회수 이상이면 위상차의 변곡점을 검출하고(S360), 상기 위상차의 변곡점에 따라 상사점을 검출한다(S370). 한편, 상기 현재 위상차가 상기 기준 위상차에 일정 위상차를 더한 값보다 작거나, 상기 현재 위상차가 상기 기준 위상차에 일정 위상차를 더한 값 이상인 회수가 일정 회수 이하이거나, 또는 위상차와 스트로크가 동위상이 아닌 경우에는 상기 기준 위상차를 다시 설정하는 루틴을 수행한다.

도 7을 참조하여 일 예에 따른 리니어 압축기의 제어 방법을 설명한다. 도 7은 일정 주기마다 검출된 위상차를 스트로크 변화에 따라 표시한 그래프이다. 일반적으로 위상차와 스트로크가 동위상인 경우에 상사점(TDC=0인 지점)에 가까와 짐에 따라 위상차의 변화량 역시 커진다. 즉, 상사점에 가까울수록 위상차 변화량의 기울기가 급격하게 커진다. 공진주파수에 따라 운전하는 경우에는 상사점이 검출된 후 위상차가 다시 증가함에 반하여 공진주파수 보다 높은 주파수로 운전하는 경우에는 상사점이 검출된 후 위상차의 변화를 예측할 수 없다. 도 7을 참조하면, 일정 주기마다 위상차를 검출하여 기울기가 급격하게 되는 위상차를 검출한다. 상기 위상차를 일정 주기마다 저장할 수 있다. 이렇게 검출된 위상차를 최초 기준 위상차로 설정한 다음 일정 주기마다 최초 기준 위상차에서의 기울기를 유지하도록 한다. 상기 설정된 기준 위상차와 현재 주기의 위상차를 비교한다. 이때, 기준 위상차가 계속적으로 낮아지면 상사점 이후의 예측 불가능한 위상차의 변화에도 불구하고, 상기 기준 위상차와 상사점 이후의 주기마다 검출된 위상차간의 차이가 일정 값 이상을 유지할 수 있게 된다. 상기 차이가 일정 값 이상을 유지하면서 일정 회수 이상이 되면 최초에 검출한 최초 기준 위상차를 위상차 변곡점으로 검출하고, 상기 위상차의 변곡점에서의 TDC를 상사점으로 검출한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 압축기 모터전류와 스트로크를 근거로 일정 주기마다 가스 스프링 상수를 연산하는 단계(231)와, 상기 가스 스프링 상수들의 변화량을 근거로 기준 상수를 설정하는 단계(S240)와, 상기 기준 상수와 현재 가스 스프링 상수를 일정 주기마다 비교하는 단계(S250)와, 상기 비교 결과를 근거로 상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하는 단계(S260)와, 상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 단계(S270)를 포함하여 구성된다. 상기 압축기 모터에 인가되는 모터전류 및 모터전압을 검출하는 단계(S210)는 압축기의 부하, 또는 냉동 시스템의 부하,에 따라 상기 리니어 압축기의 모터에 인가되는 모터전류를 검출하고, 상기 리니어 모터의 양단 간에 인가되는 모터전압을 검출한다.여기서, 상기 일정 주기는 일반적으로 모터 피스톤의 왕복 운동 주기를 의미하나, 사용자 등에 의해 설정되거나 변경될 수 있다. 이하, 장치의 구성은 도 2의 구성을 참조한다.

상기 스트로크를 연산하는 단계(S220)는 검출된 모터전압과 모터전류를 근거로 하기의 식을 이용해 스트로크를 연산한다. 한편, 상기 스트로크를 연산하는 단계(S220)는 압축기 운전에 따른 모터의 스트로크를 검출할 수 있다.

상기 위상차를 검출하는 단계(S230)는 상기와 같이 검출된 모터전류와 상기 연산된 스트로크의 위상차를 검출한다.

상기 가스 스프링 상수를 연산하는 단계(S231)는 리니어 압축기의 부하에 따라 가스 스프링 상수(Kg)를 연산하는데, 상기 검출된 모터전류와, 상기 연산되거나 검출된 스트로크와, 상기 전류와 스트로크의 위상차를 근거로 가스 스프링 상수(Kg)를 연산한다. 예를 들어 상기 스프링 상수(Kg)는 아래와 같이 연산될 수 있다.

여기서, 상기 α는 모터 상수, ω는 운전주파수, Km은 기계 스프링 상수, Kg는 가스 스프링 상수이며, M은 피스톤의 질량, |I(jω)|는 한주기 전류 피크값, |X(jω)|는 한주기 스트로크 피크값을 나타낸다.

상기 기준 상수를 설정하는 단계(S240)는 상기와 같이 일정 주기마다 연산된 가스 스프링 상수와 그 변화량을 근거로 기준 상수를 설정한다.

도 6을 참조하면, 도 4의 제어 방법을 설명하기 위한 일 예로서, 상기 기준 상수를 설정한 후, 현재 위상차를 검출하고, 이를 근거로 현재 주기의 가스 스프링 상수를 연산하여(S431) 상기 기준 상수와 상기 현재 주기의 가스 스프링 상수를 비교한다(S450). 이때, 상기 차이에 일정 값을 마진을 둘 수 있다. 만약 상기 현재 가스 스프링 상수가 상기 기준 상수에 일정 값을 더한 값 이상이면 상사점을 검출하는 루틴을 수행하고, 상기 현재 가스 스프링 상수가 상기 기준 상수에 일정 값을 더한 값보다 작으면 기준 상수를 다시 설정하는 루틴을 수행한다. 즉, 상기 현재 가스 스프링 상수가 상기 기준 상수에 일정 값을 더한 값 이상이면, 가스 스프링 상수와 스트로크가 동위상인지 판단하고(S461), 동위상이면 일정 회수를 반복적으로 상기 가스 스프링 상수가 상기 기준 상수에 일정 값을 더한 값 이상인지 판단하며(S462), 상기 판단 결과 일정 회수 이상이면 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하고(S460), 상기 위상차의 변곡점에 따라 상사점을 검출한다(S470). 한편, 상기 현재 가스 스프링 상수가 상기 기준 상수에 일정 값을 더한 값보다 작거나, 현재 가스 스프링 상수가 상기 기준 상수에 일정 값을 더한 값 이상인 회수가 일정 회수 이하이거나, 또는 가스 스프링 상수와 스트로크가 동위상이 아닌 경우에는 상기 기준 상수를 다시 설정하는 루틴을 수행한다.

도 7은 일정 주기마다 검출된 가스 스프링 상수를 스트로크 변화에 따라 표시한 그래프이다. 일반적으로 가스 스프링 상수와 스트로크가 동위상인 경우에 상사점(TDC=0인 지점)에 가까와 짐에 따라 가스 스프링 상수의 변화량 역시 커진다. 즉, 상사점에 가까울수록 가스 스프링 상수 변화량의 기울기가 급격하게 커진다. 공진주파수에 따라 운전하는 경우에는 상사점이 검출된 후 가스 스프링 상수가 다시 증가함에 반하여 공진주파수 보다 높은 주파수로 운전하는 경우에는 상사점이 검출된 후 가스 스프링 상수의 변화를 예측할 수 없다. 도 7을 참조하면, 일정 주기마다 가스 스프링 상수를 연산하여 기울기가 급격하게 되는 가스 스프링 상수를 검출한다. 상기 연산된 가스 스프링 상수는 저장될 수 있다. 이렇게 검출된 가스 스프링 상수를 최초 기준 상수로 설정한 다음 일정 주기마다 최초 기준 상수에서의 기울기를 유지하도록 한다. 상기 설정된 기준 상수와 현재 주기의 가스 스프링 상수를 비교한다. 이때, 기준 상수가 계속적으로 낮아지면 상사점 이후의 예측 불가능한 가스 스프링 상수의 변화에도 불구하고, 상기 기준 상수와 상사점 이후의 주기마다 검출된 가스 스프링 상수간의 차이가 일정 값 이상을 유지할 수 있게 된다. 상기 차이가 일정 값 이상을 유지하면서 일정 회수 이상이 되면 최초에 검출한 최초 기준 상수를 가스 스프링 상수의 변곡점으로 검출하고, 상기 가스 스프링 상수의 변곡점에서의 TDC를 상사점으로 검출한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치 및 제어 방법은 일정 주기마다 위상차의 변화량 또는 가스 스프링 상수의 변화량을 근거로 위상차의 변곡점 또는 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하여 상사점을 검출하도록 함으로써 리니어 압축기를 공진 주파수 이상으로 운전 시에도 상사점을 용이하게 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도;

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도;

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 방법을 개략적으로 보인 흐름도;

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리니어 압축기의 제어 방법을 개략적으로 보인 흐름도;

도 5는 도 3의 제어 방법에 있어서의 상사점을 검출하는 방법의 일 예를 보인 흐름도;

도 6은 도 4의 제어 방법에 있어서의 상사점을 검출하는 방법의 일 예를 보인 흐름도;

도 7은 도 3 내지 도 6의 제어 방법을 설명하기 위해 보인 그래프이다.

Claims (14)

1. 압축기 모터전류와 스트로크의 위상차들을 일정 주기마다 검출하는 위상차검출유닛;

   상기 위상차들의 변화량을 근거로 기준 위상차를 설정하는 기준위상차설정유닛;

   상기 기준 위상차와 현재 위상차를 일정 주기마다 비교하는 위상차비교유닛;

   상기 비교 결과를 근거로 상기 위상차의 변곡점을 검출하는 변곡점검출유닛; 및

   상기 위상차의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 제어유닛;을 포함하는 리니어 압축기의 제어 장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 일정 주기마다 검출된 위상차들을 저장하는 저장유닛;을 더 포함하는 리니어 압축기의 제어 장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 기준위상차설정유닛은,

   상기 위상차들의 변화량이 큰 위상차를 최초 기준 위상차로 설정하고,

   상기 기준 위상차는 상기 일정 주기가 반복됨에 따라 상기 최초 기준 위상차에서의 변화량 만큼 작아지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 장치.
4. 압축기 모터전류 및 스트로크를 근거로 일정 주기마다 가스 스프링 상수를 연산하는 연산유닛;

   상기 가스 스프링 상수들의 변화량을 근거로 기준 상수를 설정하는 기준상수설정유닛;

   상기 기준 상수와 현재 가스 스프링 상수를 일정 주기마다 비교하는 가스스프링상수비교유닛;

   상기 비교 결과를 근거로 상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하는 가스스프링상수변곡점검출유닛; 및

   상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 제어유닛;을 포함하는 리니어 압축기의 제어 장치.
5. 제4 항에 있어서,

   상기 일정 주기마다 검출된 가스 스프링 상수들을 저장하는 저장유닛;을 더 포함하는 리니어 압축기의 제어 장치.
6. 제4 항에 있어서, 상기 기준상수설정유닛은,

   상기 가스 스프링 상수들의 변화량이 큰 가스 스프링 상수를 최초 기준 상수로 설정하고,

   상기 기준 상수는 상기 일정 주기가 반복됨에 따라 상기 최초 기준 상수에서 의 변화량 만큼 작아지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 장치.
7. 압축기 모터전류와 스트로크의 위상차들을 일정 주기마다 검출하여 변화가 큰 위상차를 최초 기준 위상차로 설정하고, 상기 최초 기준 위상차 및 상기 최초 기준 위상차에서의 변화량을 근거로 상기 위상차의 변곡점을 검출하여 상사점을 검출하는 리니어 압축기의 제어 방법.
8. 압축기 모터전류와 스트로크의 위상차를 일정 주기마다 검출하는 단계;

   상기 위상차의 변화량을 근거로 기준 위상차를 설정하는 단계;

   상기 기준 위상차와 현재 위상차를 매 주기 마다 비교하는 단계;

   상기 비교 결과를 근거로 상기 위상차의 변곡점을 검출하는 단계; 및

   상기 위상차의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 단계;를 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
9. 제8 항에 있어서,

   상기 일정 주기마다 검출된 위상차들을 저장하는 단계;를 더 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
10. 제8 항에 있어서, 상기 기준 위상차를 설정하는 단계는,

    상기 위상차들의 변화량이 큰 위상차를 최초 기준 위상차로 설정하고, 상기 일정 주기가 반복됨에 따라 상기 최초 기준 위상차에서의 변화량 만큼 작아지도록 설정하는 단계인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
11. 압축기 냉매에 따른 가스 스프링 상수를 일정 주기마다 연산하여 변화가 큰 가스 스프링 상수를 최초 기준 상수로 설정하고, 상기 최초 기준 상수와 상기 최초 기준 상수를 갖는 주기에서의 변화량을 근거로 상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하여 상사점을 검출하는 리니어 압축기의 제어 방법.
12. 압축기 모터전류와 스트로크를 근거로 일정 주기마다 가스 스프링 상수를 연산하는 단계;

    상기 가스 스프링 상수들의 변화량을 근거로 기준 상수를 설정하는 단계;

    상기 기준 상수와 현재 가스 스프링 상수를 일정 주기마다 비교하는 단계;

    상기 비교 결과를 근거로 상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 검출하는 단계; 및

    상기 가스 스프링 상수의 변곡점을 근거로 상사점을 검출하는 단계;를 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
13. 제12 항에 있어서,

    상기 일정 주기마다 검출된 가스 스프링 상수들을 저장하는 단계;를 더 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
14. 제12 항에 있어서, 상기 기준 상수를 설정하는 단계는,

    상기 가스 스프링 상수들의 변화량이 큰 가스 스프링 상수를 최초 기준 상수로 설정하고, 상기 일정 주기가 반복됨에 따라 상기 최초 기준 상수에서의 변화량 만큼 작아지도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.

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