KR20120004293A - 리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고 - Google Patents

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Abstract

리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고이 개시된다. 본 발명은, 냉장고 제어부로부터 냉력 가변량을 입력받지 아니하고, 부하에 대응하여 냉력 가변 제어를 수행함으로써 냉장고의 제어가 간단해지고, 열부하에 근접하여 추종하는 냉력 가변 제어를 수행함으로써 소비 전력을 줄이고, 시스템 효율을 개선한다.

Description

리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고{APPARATUS FOR CONTROLLING LINEAR COMPRESSOR, METHOD THEREOF, AND REFRIGERATOR WITH THE SAME}
본 발명은 압축기 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 냉장고의 부하에 따른 냉력 가변 제어 시에 열부하와의 편차를 줄여 소비 전력을 줄이는 리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고는 식품, 음료 등과 같은 저장물을 신선하게 장기간 보관하는 용도로 사용되는 기기로서, 보관하고자 하는 저장물의 종류에 따라 냉동 또는 냉장하여 보관하게 된다.
냉장고는 내부에 구비된 압축기의 구동에 의해 동작한다. 냉장고의 내부에 공급되는 냉기는 냉매의 열교환 작용에 의해서 생성되며, 압축-응축-팽창-증발의 사이클(Cycle)을 반복적으로 수행하면서 지속적으로 냉장고의 내부로 공급되고, 공급된 냉매는 대류에 의해서 냉장고 내부에 고르게 전달되어 냉장고 내부의 음식물을 원하는 온도로 저장할 수 있게 된다.
한편, 상기 냉장고 또는 에어컨 등은 압축기를 구비하게 되는데, 일반적으로 BLDC(Brushless Direct Current) 압축기나 왕복동식 압축기가 사용된다.
특히, 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)는 피스톤이 실린더의 내부에서 선형으로 왕복운동을 하면서 냉매가스를 흡입, 압축하여 토출하는 압축기로서, 피스톤을 구동하는 방식에 따라 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분할 수 있다.
레스프로 방식은 회전 모터에 크랭크 샤프트를 결합하고 이 크랭크 샤프트에 피스톤을 결합하여 회전 모터의 회전력을 직선 왕복운동으로 전환하는 방식인데 반하여, 리니어 방식은 직선모터의 가동자에 피스톤을 직접 연결하여 모터의 직선운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.
이러한 리니어 방식의 왕복동식 압축기는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 크랭크 샤프트가 없어 마찰 손실이 적으므로, 압축 효율 면에서 일반 압축기보다 압축 효율이 높다.
압축기를 구비한 냉장고는, 일반적으로 압축기의 운전을 제어하는 압축기 제어부와, 냉장고의 동작을 제어하는 냉장고 제어부를 포함한다. 이때, 상기 압축기 제어부는 압축기에 흐르는 전류 및 전압을 검출하여 이를 이용하여 스트로크 또는 속도 등을 제어하고, 상기 냉장고 제어부는 냉장고 부하, 예를 들어 고내 온도,에 따라 상기 압축기 제어부에 압축기를 온 또는 오프하는 제어 신호를 출력하여 압축기 전원을 제어하도록 하고, 이에 따라 냉장고를 구동한다.
리니어 압축기 또는 BLDC 왕복동식 압축기를 구비한 냉장고에 있어서, 압축기는 상용 전원을 입력받고, 트라이악, 인버터 등의 전력 소자로 구성된 구동부를 통해 운전된다. 상기 압축기는 냉장고 부하에 따른 냉장고로부터의 명령에 따라 개폐(ON/OFF), 냉력 가변, 속도제어, 주파수 제어, 스트로크 제어 등의 운전을 수행한다. 이렇게 함으로써 상기 압축기의 운전을 통해 냉장고 고내의 온도를 적절한 수준으로 유지한다.
한편, 냉장고의 부하에 따라 전류와 스트로크의 위상차(180°-θi,x), 또는 가스 스프링 상수(Kgas)의 값은 변동된다. 도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이, 전류와 스트로크의 위상차, 또는 가스 스프링 상수의 값은 부하가 크면 증가하고, 부하가 작으면 감소하는 특징이 있다. 이러한 특성을 이용하여 일반적인 압축기 제어 장치는, 전류와 스트로크의 위상차, 또는 가스 스프링 상수와, 입력 전력이 일치하는 부하 곡선을 생성하여 전력 지령을 설정하여 압축기를 제어한다. 이때, 전압 지령은 부하 곡선에 냉장고 용량에 따라 변경 가능한 β를 곱하여 생성되고, 상기 부하 곡선은 하기 수학식 1로부터 생성되고, 도 3과 같이 도시할 수 있다.
Figure pat00001
λKgas = 전력
여기서, γ, λ는 환산 계수(scale factor)이다.
그러나, 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 부하 곡선에 따라 열부하(Heat Load)에 대응하여 냉력 가변 제어를 수행함에 있어서 상기 열부하와 편차를 가짐으로써 소비 전력이 커지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열부하(Heat Load)에 근접하여 추종하는 냉력 가변 제어를 수행하는 리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고를 제공함에 일 목적이 있다.
본 발명은 냉장고로부터 냉력 가변량을 입력받지 아니하고, 부하에 대응하여 냉력 가변 제어를 수행하는 리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고를 제공함에 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기 모터에 인가되는 모터전류와 스트로크 사이의 위상차를 검출하는 위상차검출유닛과, 상기 모터에 인가되는 모터전압과 상기 모터에 인가되는 모터전류를 근거로 부하전력을 산출하는 전력산출유닛과, 최대 부하 시와, 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 위상차들과 부하전력들을 근거로 전력 지령을 발생하는 제어유닛을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치에 있어서, 상기 제어 유닛은, 상기 위상차와, 상기 부하전력을 근거로 하나 이상의 제1 부하곡선을 생성하는 제1 부하곡선 생성모듈과, 상기 제1 부하곡선들에서 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 상기 위상차들과 상기 부하전력들에 따른 특성점을 연결하여 제2 부하 곡선을 생성하는 제2 부하곡선 생성모듈을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 모터전류, 상기 스트로크 및 상기 위상차를 근거로 가스스프링상수를 연산하는 가스스프링상수연산유닛을 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 제어 유닛은, 최대 부하 시와, 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 가스 스프링 상수들과 부하전력들을 근거로 전력 지령을 발생한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 압축기 모터에 인가되는 전류와 스트로크 사이의 위상차와, 압축기 부하에 따른 부하전력이 일치하는 특성점을 검출하고, 최대 부하 시와, 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 위상차들과 부하전력들을 근거로 전력 지령을 발생한다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 상기 압축기 모터에 인가되는 모터전류와 상기 스트로크 사이의 위상차를 검출하는 위상차검출단계와, 상기 모터에 인가되는 모터전압과 상기 모터에 인가되는 모터전류를 근거로 부하전력을 산출하는 전력산출단계와, 상기 위상차와, 상기 부하전력을 근거로 하나 이상의 제1 부하곡선을 생성하는 제1 부하곡선 생성단계와, 상기 제1 부하곡선들에서 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 상기 위상차들과 상기 부하전력들에 따른 특성점을 연결하여 제2 부하곡선을 생성하는 제2 부하곡선 생성단계와, 상기 제2 부하곡선을 근거로 상기 모터를 구동하는 모터구동단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 상기 모터에 인가되는 모터전압을 검출하는 전압검출단계와, 상기 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 전류검출단계와, 상기 모터전압과 상기 모터전류를 근거로 상기 스트로크를 연산하는 스트로크연산단계를 더 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 상기 모터전류, 상기 스트로크 및 상기 위상차를 근거로 가스스프링상수를 연산하는 가스스프링상수연산단계를 더 포함하여 구성된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉장고는, 상기 리니어 압축기와, 상기 리니어 압축기의 제어 장치를 구비하고, 상기 모터의 구동에 따라 냉력이 변경되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고는, 냉장고 제어부로부터 냉력 가변량을 입력받지 아니하고, 부하에 대응하여 냉력 가변 제어를 수행함으로써 냉장고 제어 프로그램이 간소화되고, 시스템의 안정성 및 사용자의 편의성을 제고한다.
본 발명은 열부하에 근접하여 추종하는 냉력 가변 제어를 수행함으로써 소비 전력을 줄이고, 시스템 효율을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 저 부하 시, 모터전류와 스트로크의 위상차 및 부하전력과의 관계를 도시한 그래프;
도 2는 고 부하 시, 모터전류와 스트로크의 위상차 및 부하전력과의 관계를 도시한 그래프;
도 3은 일반적인 리니어 압축기의 제어 장치에 있어서, 부하에 따른 전력 지령의 변화를 설명하기 위한 그래프;
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 리니어 압축기의 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도;
도 6은 본 발명에 따라 열부하에 대응하여 냉력 가변 제어의 동작을 설명하기 위한 그래프;
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 리니어 압축기의 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고를 상세히 설명한다.
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.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기 모터에 인가되는 모터전류와 스트로크 사이의 위상차를 검출하는 위상차검출유닛(300)과, 상기 모터에 인가되는 모터전압과 상기 모터에 인가되는 모터전류를 근거로 부하전력을 산출하는 전력산출유닛(400)과, 최대 부하 시와, 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 위상차들과 부하전력들을 근거로 전력 지령을 발생하는 제어유닛(500)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 모터에 인가되는 모터전압을 검출하는 전압검출유닛(120)과, 상기 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 전류검출유닛(110)과, 상기 모터전압과 상기 모터전류를 근거로 스트로크를 연산하는 스트로크연산유닛(200)을 더 포함하여 구성된다.
한편, 상기 리니어 압축기의 제어 장치는 전원 유닛(800)을 더 포함하는데, 상기 전원 유닛(800)은 상용 교류 전원을 입력 받아 직류 전원으로 변환하는 정류유닛과, 상기 직류 전원을 평활화하는 평활 커패시터로 구성된다.
상기 전류검출유닛(110)은 압축기의 부하, 또는 냉장고의 부하,에 따라 상기 리니어 압축기의 모터(700)에 인가되는 모터전류를 검출하고, 상기 전압검출유닛(120)은 압축기의 부하에 따라 상기 리니어 모터(700)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.
Figure pat00002
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.
한편, 전력산출유닛(400)은 상기 전류검출유닛(110)을 통해 검출된 모터전류와 상기 전압검출유닛(120)을 통해 검출된 모터전압을 승산하여 전력을 연산한다. 이때의 전력은 상기 리니어 모터(700)에 입력되는 전력이나, 압축기의 부하에 따라 결정되는 값이므로, 부하전력이라 한다.
상기 제어유닛(500)은, 상기 위상차검출유닛(300)으로부터 출력된 위상차와, 상기 전력산출유닛(400)을 통해 산출된 부하전력이 일치하는 점으로부터 제1 부하곡선을 생성한다. 또한, 상기 제어유닛(500)은 상기 제1 부하곡선을 근거로 전력 지령을 발생하는 제어신호를 출력한다.
상기 위상차와 상기 부하전력이 일치하는 점은, 도 1 또는 도 2와 같은 관계를 가지며, 도 3과 같이 하나의 곡선, 즉 부하곡선(Load Curve)으로 도시할 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, TDC로 가까이 감에 따라 위상차(180°-θi,x)는 감소하고, 부하전력은 증가하게 되는데, 일정한 점에서 상기 위상차 곡선과 상기 부하전력 곡선은 서로 교차하게 된다. 도 1은 저부하 시의 일 예를 보인 것으로서, 48W의 부하전력에서 교차한다. 한편, 도 2는 고부하 시의 일 예를 보인 것으로서, 도 1과 마찬가지로 TDC로 가까이 감에 따라 위상차(180°-θi,x)는 감소하고, 부하전력은 증가하게 되며, 일정한 점(78W)에서 상기 위상차 곡선과 상기 부하전력 곡선은 서로 교차하게 된다. 또한, 상기 위상차는 부하가 크면 증가하고, 부하가 작으면 감소한다. 즉, 동일한 TDC에서 저부하 시의 위상차(도 1)보다 고부하 시의 위상차(도 2)가 더 큰 값을 가진다. 도 3은 부하 곡선(Load Curve)를 도시한 것으로서, 압축기의 부하, 또는 냉장고의 부하,에 따라 교차하는 점도 변동된다. 한편, 시스템의 특성, 예를 들어 냉장고의 용량,에 따라 일정 값을 곱하여 전력 지령을 가변할 수 있다.
상기 제어유닛(500)은, 상기 부하 곡선을 이용하여 전력 지령을 부하 곡선에 맞추어 제어를 수행한다. 상기 제어유닛(500)은, 최대 부하 시와 최소 소비전력을 필요로 하는 부하에 해당하는 특성점들을 복수의 부하 곡선들로부터 구하고, 상기 특성점들을 연결한 다음, 이에 따라 실제 부하, 예를 들어 열부하,에 대응하여 압축기를 제어한다.
상기 제어유닛(500)은, 상기 위상차와, 상기 부하전력을 근거로 하나 이상의 제1 부하곡선을 생성하는 제1 부하곡선 생성모듈(미도시)과, 상기 제1 부하곡선들에서 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 상기 위상차들과 상기 부하전력들에 따른 특성점을 연결하여 제2 부하 곡선을 생성하는 제2 부하곡선 생성모듈(미도시)을 포함하여 구성된다.
상기 제1 부하곡선 생성모듈은, 상기 위상차검출유닛(300)에서 검출된 전류와 스트로크의 위상차와, 상기 전력산출유닛(400)에서 산출된 부하전력을 교차하는 점을 이용하여 부하에 따른 전력 지령을 발생하는 제1 부하곡선을 생성한다. 상기 제2 부하곡선 생성모듈은, 상기 제1 부하곡선을 이용하여 제2 부하곡선을 생성하는데, 상기 제1 부하곡선들로부터 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 특성점들을 연결하여 제2 부하 곡선을 생성한다.
도 6을 참조하면, 상기 최대 부하 시의 특성점은 제1 부하곡선에 β2를 곱한 곡선에 존재하고, 상기 최소 소비전력을 필요로 하는 부하 시의 특성점은 제1 부하곡선에 β1을 곱한 곡선에 존재한다. 상기 제어유닛(500)은, 상기 특성점들을 연결하여 제2 부하곡선을 생성하고, 상기 제2 부하곡선을 이용하여 전력 지령을 상기 제2 부하곡선에 맞추어 압축기를 제어한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 모터전류, 상기 스트로크 및 상기 위상차를 근거로 가스 스프링 상수를 연산하는 가스스프링상수연산유닛(310)을 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 제어 유닛(500)은, 최대 부하 시와, 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 가스 스프링 상수들과 부하전력들을 근거로 전력 지령을 발생한다.
상기 리니어 압축기는 밀폐용기 내부에 실린더가 고정되도록 설치되고, 상기 실린더 내부에 피스톤이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되며, 상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 실린더 내부의 압축공간으로 냉매가 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 피스톤과 연결되도록 설치된다. 이때 영구자석은 상기 피스톤의 운동방향으로 이동 가능하게 설치되고, 코일에 전류가 흐름에 따라 발생되는 전자기력에 의해 상기 피스톤의 운동방향으로 왕복 직선 운동하게 되는데, 일반적으로 상기 리니어 모터는 일정한 운전주파수로 작동될 뿐만 아니라 피스톤이 소정의 스트로크로 왕복 직선 운동하도록 한다.
한편, 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. 상기 고유주파수(fn)과 기계 및 가스 스프링 상수(Km, Kg) 간의 관계는 하기와 같다.
Figure pat00003
여기서, 상기 fn은 피스톤의 고유주파수, Km은 기계 스프링 상수, Kg는 가스 스프링 상수이며, M은 피스톤의 질량이다.
즉, 상기 가스스프링상수연산유닛(310)은 리니어 압축기의 부하에 따라 가스 스프링 상수를 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 상수(Kg)를 연산한다. 상기 가스 스프링 상수(Kg)는 하기와 같이 연산될 수 있다.
Figure pat00004
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 제어유닛(500)은, 상기 가스스프링상수연산유닛(310)으로부터 출력된 가스 스프링 상수와, 상기 전력산출유닛(400)을 통해 산출된 부하전력이 일치하는 점으로부터 제1 부하곡선을 생성한다. 또한, 상기 제어유닛(500)은 상기 제1 부하곡선을 근거로 전력 지령을 발생하는 제어신호를 출력한다.
상기 가스 스프링 상수와, 상기 부하전력이 일치하는 점은, 하나의 곡선, 즉 부하곡선(Load Curve)으로 도시할 수 있다. TDC로 가까이 감에 따라 가스 스프링 상수는 감소하고, 부하전력은 증가하게 되는데, 일정한 점에서 상기 가스 스프링 상수 곡선과 상기 부하전력 곡선은 서로 교차하게 된다. 도 1 또는 도 2에서 상기 모터전류와 스트로크의 위상차(180°-θi,x)는 상기 가스 스프링 상수(Kg)로 대체될 수 있는데, 일정한 점에서 상기 가스 스프링 상수 곡선과 상기 부하전력 곡선은 서로 교차하게 된다. 또한, 상기 가스 스프링 상수는 부하가 크면 증가하고, 부하가 작으면 감소한다. 즉, 동일한 TDC에서 저부하 시의 가스 스프링 상수보다 고부하 시의 가스 스프링 상수가 더 큰 값을 가진다.
상기 제어유닛(500)은, 상기 부하 곡선을 이용하여 전력 지령을 부하 곡선에 맞추어 제어를 수행한다. 상기 제어유닛(500)은, 최대 부하 시와 최소 소비전력을 필요로 하는 부하에 해당하는 특성점들을 복수의 부하 곡선들로부터 구하고, 상기 특성점들을 연결한 다음, 이에 따라 실제 부하, 예를 들어 열부하,에 대응하여 압축기를 제어한다.
상기 제어유닛(500)은, 상기 가스 스프링 상수와, 상기 부하전력을 근거로 하나 이상의 제1 부하곡선을 생성하는 제1 부하곡선 생성모듈(미도시)과, 상기 제1 부하곡선들에서 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 상기 가스 스프링 상수들과 상기 부하전력들에 따른 특성점을 연결하여 제2 부하 곡선을 생성하는 제2 부하곡선 생성모듈(미도시)을 포함하여 구성된다.
상기 제1 부하곡선 생성모듈은, 상기 가스스프링상수연산유닛(310)에서 검출된 가스 스프링 상수와, 상기 전력산출유닛(400)에서 산출된 부하전력을 교차하는 점을 이용하여 부하에 따른 전력 지령을 발생하는 제1 부하곡선을 생성한다. 상기 제2 부하곡선 생성모듈은, 상기 제1 부하곡선을 이용하여 제2 부하곡선을 생성하는데, 상기 제1 부하곡선들로부터 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 특성점들을 연결하여 제2 부하 곡선을 생성한다.
도 6을 참조하면, 상기 최대 부하 시의 특성점은 제1 부하곡선에 β2를 곱한 곡선에 존재하고, 상기 최소 소비전력을 필요로 하는 부하 시의 특성점은 제1 부하곡선에 β1을 곱한 곡선에 존재한다. 상기 제어유닛(500)은, 상기 특성점들을 연결하여 제2 부하곡선을 생성하고, 상기 제2 부하곡선을 이용하여 전력 지령을 상기 제2 부하곡선에 맞추어 압축기를 제어한다. 상기 위상차와, 부하전력을 이용하는 실시예의 경우에는 운전주파수가 고정된 경우에 적합하고, 상기 가스 스프링 상수와 상기 부하전력을 이용하는 실시예의 경우에는 운전주파수가 가변되는 환경에 더 적합하다.
도 7 또는 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 압축기 모터에 인가되는 모터전류와 스트로크 사이의 위상차와, 압축기 부하에 따른 부하전력이 일치하는 특성점을 검출하고, 최대 부하 시와, 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 위상차들과 부하전력들을 근거로 전력 지령을 발생한다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 상기 압축기 모터에 인가되는 모터전류와 상기 스트로크 사이의 위상차를 검출하는 위상차검출단계(S300)와, 상기 모터에 인가되는 모터전압과 상기 모터에 인가되는 모터전류를 근거로 부하전력을 산출하는 전력산출단계(S400)와, 상기 위상차와, 상기 부하전력을 근거로 하나 이상의 제1 부하곡선을 생성하는 제1 부하곡선 생성단계(S500)와, 상기 제1 부하곡선들에서 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 상기 위상차들과 상기 부하전력들에 따른 특성점을 연결하여 제2 부하곡선을 생성하는 제2 부하곡선 생성단계(S600)와, 상기 제2 부하곡선을 근거로 상기 모터를 구동하는 모터구동단계(S700)를 포함하여 구성된다. 이하, 장치의 구성은 도 4를 참조한다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 상기 모터에 인가되는 모터전압을 검출하는 전압검출단계와, 상기 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 전류검출단계(S100)와, 상기 모터전압과 상기 모터전류를 근거로 상기 스트로크를 연산하는 스트로크연산단계(S200)를 더 포함하여 구성된다.
상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기의 부하, 또는 냉장고의 부하,에 따라 상기 리니어 압축기의 모터(700)에 인가되는 모터전류및 상기 리니어 모터(700)의 양단 간에 인가되는 모터전압을 검출한다(S100). 상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 검출된 모터전압과, 상기 검출된 모터전류를 근거로 스트로크를 연산한다(S200).
상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기와 같이 검출된 모터전류와 상기 연산된 스트로크의 위상차를 검출한다(S300). 상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 검출된 모터전류와 모터전압을 승산하여 전력을 산출한다(S400). 이때의 전력은 상기 리니어 모터(700)에 입력되는 전력이나, 압축기의 부하에 따라 결정되는 값이므로, 부하전력이라 한다.
상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 전류와 스트로크의 위상차와, 상기부하전력이 교차하는 점을 이용하여 부하에 따른 전력 지령을 발생하는 제1 부하곡선을 생성한다(S500). 상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 제1 부하곡선을 이용하여 제2 부하곡선을 생성하는데, 상기 제1 부하곡선들로부터 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 특성점들을 연결하여 제2 부하 곡선을 생성한다(S600). 도 6을 참조하면, 상기 최대 부하 시의 특성점은 제1 부하곡선에 β2를 곱한 곡선에 존재하고, 상기 최소 소비전력을 필요로 하는 부하 시의 특성점은 제1 부하곡선에 β1을 곱한 곡선에 존재한다. 상기 제어 장치는, 상기 특성점들을 연결하여 제2 부하곡선을 생성하고, 상기 제2 부하곡선을 이용하여 전력 지령을 상기 제2 부하곡선에 맞추어 압축기를 제어한다.
상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 상기 특성점에 해당하는 전력 지령을 발생하도록 하는 제어신호를 출력하고, 상기 모터(700)에 상기 전력 지령을 공급한다(S700). 여기서, 제어신호는 일반적으로 상기 인버터유닛의 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭변조) 전압 듀티를 제어하는 PWM 신호이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 상기 압축기 모터에 인가되는 모터전류와 상기 스트로크 사이의 위상차를 검출하는 위상차검출단계(S300)와, 상기 모터에 인가되는 모터전압과 상기 모터에 인가되는 모터전류를 근거로 부하전력을 산출하는 전력산출단계(S400)와, 상기 모터전류, 상기 스트로크 및 상기 위상차를 근거로 가스스프링상수를 연산하는 가스스프링상수연산단계(S510)와, 상기 가스 스프링 상수와, 상기 부하전력을 근거로 하나 이상의 제1 부하곡선을 생성하는 제1 부하곡선 생성단계(S510)와, 상기 제1 부하곡선들에서 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 상기 가스 스프링 상수들과 상기 부하전력들에 따른 특성점을 연결하여 제2 부하곡선을 생성하는 제2 부하곡선 생성단계(S600)와, 상기 제2 부하곡선을 근거로 상기 모터를 구동하는 모터구동단계(S700)를 포함하여 구성된다. 이하, 장치의 구성은 도 5를 참조한다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법은, 상기 모터에 인가되는 모터전압을 검출하는 전압검출단계와, 상기 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 전류검출단계(S100)와, 상기 모터전압과 상기 모터전류를 근거로 상기 스트로크를 연산하는 스트로크연산단계(S200)를 더 포함하여 구성된다.
상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 압축기의 부하, 또는 냉동 시스템의 부하,에 따라 상기 리니어 압축기의 모터(700)에 인가되는 모터전류및 상기 리니어 모터(700)의 양단 간에 인가되는 모터전압을 검출한다(S100). 상기 제어 장치는, 상기 검출된 모터전압과, 상기 검출된 모터전류를 근거로 스트로크를 연산한다(S200). 상기 제어 장치는, 상기와 같이 검출된 모터전류와 상기 연산된 스트로크의 위상차를 검출한다(S300). 한편, 제어 장치는, 상기 검출된 모터전류와 모터전압을 승산하여 전력을 산출한다(S400).
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. 상기 고유주파수(fn)과 기계 및 가스 스프링 상수(Km, Kg) 간의 관계는 상기 수학식 3과 같다.
즉, 상기 리니어 압축기의 제어 장치는, 리니어 압축기의 부하에 따라 가스스프링상수를 연산하는데, 상기 모터전류와, 상기 스트로크와, 상기 전류와 스트로크의 위상차를 근거로 가스 스프링 상수(Kg)를 연산한다(S510). 상기 가스 스프링 상수(Kg)는 상기 수학식 4와 같이 연산될 수 있다.
상기 제어 장치는, 상기 가스 스프링 상수와, 상기 부하전력이 교차하는 점을 이용하여 부하에 따른 전력 지령을 발생하는 제1 부하곡선을 생성한다(S520). 상기 제어 장치는, 상기 제1 부하곡선을 이용하여 제2 부하곡선을 생성하는데, 상기 제1 부하곡선들로부터 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 특성점들을 연결하여 제2 부하 곡선을 생성한다(S600).
도 6을 참조하면, 상기 최대 부하 시의 특성점은 제1 부하곡선에 β2를 곱한 곡선에 존재하고, 상기 최소 소비전력을 필요로 하는 부하 시의 특성점은 제1 부하곡선에 β1을 곱한 곡선에 존재한다. 상기 제어유닛(500)은, 상기 특성점들을 연결하여 제2 부하곡선을 생성하고, 상기 제2 부하곡선을 이용하여 전력 지령을 상기 제2 부하곡선에 맞추어 압축기를 제어한다. 또한, 상기 제어 장치는, 상기 특성점에 해당하는 전력 지령을 발생하도록 하는 제어신호를 출력한다(S700). 여기서, 상기 제어신호는 일반적으로 상기 인버터 유닛의 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭변조) 전압 듀티를 제어하는 PWM 신호이다. 상기 제어 장치는, 상기 제어신호에 따라 상기 모터에 상기 전력 지령을 공급한다(S700). 상기 위상차와, 부하전력을 이용하는 실시예의 경우에는 운전주파수가 고정된 경우에 적합하고, 상기 가스 스프링 상수와 상기 부하전력을 이용하는 실시예의 경우에는 운전주파수가 가변되는 환경에 더 적합하다.
상기에서 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고는 스트로크연산유닛(200)을 이용하여 전류와 전압을 이용하여 스트로크를 연산하였으나, 센서를 이용하여 직접 검출할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 냉장고는, 상기 리니어 압축기와, 상기 리니어 압축기의 제어 장치를 구비하고, 상기 리니어 압축기의 제어 방법을 내장하며, 상기 모터의 구동에 따라 냉력이 변경된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 장치, 제어 방법, 및 이들을 구비한 냉장고는, 냉장고 제어부로부터 냉력 가변량을 입력받지 아니하고, 부하에 대응하여 냉력 가변 제어를 수행함으로써 냉장고의 제어가 간단해지고, 열부하에 근접하여 추종하는 냉력 가변 제어를 수행함으로써 소비 전력을 줄이고, 시스템 효율을 개선한다.
110: 전류검출유닛 120: 전압검출유닛
200: 스트로크연산유닛 300: 위상차검출유닛
400: 전력산출유닛 500: 제어유닛
600: 인버터유닛 700: 압축기 모터
800: 전원유닛 310: 가스스프링상수연산유닛

Claims (11)

  1. 압축기 모터에 인가되는 모터전류와 스트로크 사이의 위상차를 검출하는 위상차검출유닛;
    상기 모터에 인가되는 모터전압과 상기 모터에 인가되는 모터전류를 근거로 부하전력을 산출하는 전력산출유닛; 및
    최대 부하 시와, 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 위상차들과 부하전력들을 근거로 전력 지령을 발생하는 제어유닛;을 포함하는 리니어 압축기의 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 위상차와, 상기 부하전력을 근거로 하나 이상의 제1 부하곡선을 생성하는 제1 부하곡선 생성모듈; 및
    상기 제1 부하곡선들에서 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 상기 위상차들과 상기 부하전력들에 따른 특성점을 연결하여 제2 부하 곡선을 생성하는 제2 부하곡선 생성모듈;을 포함하는 리니어 압축기의 제어 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 모터전류, 상기 스트로크 및 상기 위상차를 근거로 가스스프링상수를 연산하는 가스스프링상수연산유닛;을 더 포함하는 리니어 압축기의 제어 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    최대 부하 시와, 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 가스 스프링 상수들과 부하전력들을 근거로 전력 지령을 발생하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기 제어 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 모터에 인가되는 모터전압을 검출하는 전압검출유닛;
    상기 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 전류검출유닛; 및
    상기 모터전압과 상기 모터전류를 근거로 스트로크를 연산하는 스트로크연산유닛;을 더 포함하는 리니어 압축기의 제어 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 부하는 냉장고의 외기온도 또는 실내온도를 유지하기 위해 필요한 열량을 나타내는 열부하인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 장치.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리니어 압축기와, 상기 리니어 압축기의 제어 장치를 구비하고, 상기 모터의 구동에 따라 냉력이 변경되는 냉장고.
  8. 압축기 모터에 인가되는 모터전류와 스트로크 사이의 위상차와, 압축기 부하에 따른 부하전력이 일치하는 특성점을 검출하고, 최대 부하 시와, 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 위상차들과 부하전력들을 근거로 전력 지령을 발생하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 압축기 모터에 인가되는 모터전류와 상기 스트로크 사이의 위상차를 검출하는 위상차검출단계;
    상기 모터에 인가되는 모터전압과 상기 모터에 인가되는 모터전류를 근거로 부하전력을 산출하는 전력산출단계;
    상기 위상차와, 상기 부하전력을 근거로 하나 이상의 제1 부하곡선을 생성하는 제1 부하곡선 생성단계;
    상기 제1 부하곡선들에서 상기 최대 부하 시와, 상기 최소 소비 전력을 필요로 하는 부하 시의 상기 위상차들과 상기 부하전력들에 따른 특성점을 연결하여 제2 부하곡선을 생성하는 제2 부하곡선 생성단계; 및
    상기 제2 부하곡선을 근거로 상기 모터를 구동하는 모터구동단계;를 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 모터에 인가되는 모터전압을 검출하는 전압검출단계;
    상기 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 전류검출단계; 및
    상기 모터전압과 상기 모터전류를 근거로 상기 스트로크를 연산하는 스트로크연산단계;를 더 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 모터전류, 상기 스트로크 및 상기 위상차를 근거로 가스스프링상수를 연산하는 가스스프링상수연산단계;를 더 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
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