KR20180082895A - 리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어 방법 - Google Patents

리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기술적 과제는 소음과 제작비용을 감소시킬 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것으로서,
본 발명에 따른 리니어 압축기는, 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤, 상기 피스톤의 운동을 위하여 구동력을 제공하는 모터, 상기 모터와 관련된 모터전압 및 모터전류를 감지하는 감지부, 상기 실린더의 일단에 설치되어 실린더 내부에서 압축된 냉매의 토출을 조절하는 밸브플레이트, 상기 피스톤의 왕복 운동 중 상기 피스톤이 밸브플레이트에 도달하기 전에 피스톤에 인가되는 압력의 변화율을 변경시키는 압력변경부 및 상기 감지된 모터전압 및 모터전류를 이용하여, 상기 피스톤에 인가되는 압력의 변화율이 변경되었는지 여부를 판단하고, 상기 판단결과에 근거하여 상기 피스톤이 상기 밸브플레이트에 충돌하지 않도록 상기 모터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어 방법{LINEAR COMPRESSOR AND METHOD FOR CONTROLLING LINEAR COMPRESSOR}
본 명세서는 리니어 압축기 및 그의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 별도의 센서를 부가하지 않으면서 피스톤의 움직임을 제어하는 리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동기기, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등의 일부분으로 사용된다.
압축기는 크게 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)와, 회전식 압축기(Rotary Compressor)와, 스크롤식 압축기(Scroll Compressor)로 구분된다. 왕복동식 압축기는, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시킨다. 회전식 압축기는, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시킨다. 스크롤식 압축기는, 선회 스크롤(Orbiting Scroll)과 고정 스크롤(Fixed Scroll) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 신회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시킨다.
왕복동식 압축기는 내부 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복 운동시킴으로써 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출한다. 왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 크게 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분된다.
레시프로 방식이라 함은 회전하는 모터(Motor)에 크랭크샤프트(Crankshaft)를 결합하고, 크랭크샤프트에 피스톤을 결합하여 모터의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 변환하는 방식이다. 반면, 리니어 방식이라 함은 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. 전동 유닛으로는 일반적으로 모터(motor)를 많이 사용하며, 상기 리니어 방식의 경우에는 리니어 모터(linear motor)를 이용한다.
리니어 모터는 모터 자체가 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계적인 변환 장치가 필요하지 않고, 구조가 복잡하지 않다. 또한, 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, 리니어 방식의 왕복동식 압축기(이하, 리니어 압축기(Linear Compressor)라 함)를 냉장고나 공기조화기에 이용할 경우에는 리니어 압축기에 인가되는 스트로크 전압을 변경하여 줌에 따라 압축 비(Compression Ratio)를 변경할 수 있어 냉력(Freezing Capacity) 가변 제어에도 사용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 리니어 압축기는 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.
일반적으로 압축기 제어 장치는 압축기 모터에 인가되는 전압과 전류를 검출하여 센서리스 방법으로 스트로크를 추정하여 피드백 제어를 수행한다. 이때, 압축기 제어 장치는 압축기를 제어하기 위한 수단으로 트라이악(Triac)이나 인버터(inverter)를 구비한다.
이와 같이, 피스톤의 운동을 제어하기 위한 기술로서, 한국등록특허 제10-414098호 (2004.01.07. 공고)에 따르면, 현재 피스톤 스트로크와 모터 전류의 위상차를 구한후, 그 위상차의 변곡점에 근거하여, 피스톤의 이동을 제어하는 구성을 개시하고 있다. 다만, 상기 기술만으로는 피스톤의 상사점을 정확하게 검출할 수 없는 문제점이 있다.
특히, 리니어 압축기의 토출부가 종전의 리니어 압축기의 토출부 보다 피스톤에 인가하는 힘이 더 강하므로, 피스톤의 상사점을 검출하기 위한 새로운 제어방법이 필요하다.
본원발명의 기술적 과제는 위와 같은 종래 리니어 압축기의 문제점을 해결하는 것으로서, 별도의 센서를 구비하지 않으면서도 피스톤과 토출 밸브의 충돌을 이용하여 피스톤의 움직임을 제어하는 리니어 압축기 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본원발명의 기술적 과제는 리니어 압축기의 소음을 감소시키면서, 고효율 운전을 수행하는 리니어 압축기 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.
아울러, 본원발명의 기술적 과제는 소음의 발생이 감소되고, 제작비용이 감소된 리니어 압축기를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 개시된 리니어 압축기는, 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤, 상기 피스톤의 운동을 위하여, 구동력을 제공하는 모터, 상기 모터와 관련된 모터전압 및 모터전류를 감지하는 감지부, 상기 실린더의 일단에 설치되어, 실린더 내부에서 압축된 냉매의 토출을 조절하는 밸브플레이트 및 상기 감지된 모터전압 및 모터전류를 이용하여, 상기 피스톤의 스트로크를 연산하고, 상기 연산된 스트로크의 추이에 근거하여, 상기 피스톤이 상기 밸브플레이트에 도달했는지 여부를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 기 설정된 제1 주기마다 상기 스트로크를 연산하고, 상기 연산된 스트로크의 변화 추이와, 상기 모터전압의 변화 추이를 비교하며, 비교결과에 근거하여, 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 주기마다 연산된 스트로크, 상기 모터전압 및 모터전류와 관련된 정보를 저장하는 메모리를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 메모리에 저장된 정보에 근거하여, 상기 제1 주기마다 상기 연산된 스트로크와 상기 모터전압이 반비례인지 여부를 판단하고, 판단결과에 근거하여, 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 연산된 스트로크와 상기 모터전압이 반비례이면, 현재 주기의 모터 전압을 감소시키도록 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 현재 주기에서 연산된 스트로크와 이전 주기에서 연산된 스트로크의 차와, 현재 주기의 모터전압과 이전 주기의 모터의 모터전압의 차를 곱한 값에 근거하여, 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 곱한 값이 음수인 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시키고, 상기 곱합 값이 양수인 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 기 설정된 제2 주기마다 상기 모터의 소비 전력과 관련된 전력 지령을 설정하고, 현재 주기에서 설정된 전력 지령과, 이전 주기에서 설정된 전력 지령을 비교하며, 비교결과에 근거하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 현재 주기에서 설정된 전력 지령이 이전 주기에서 설정된 전력 지령보다 큰 경우, 상기 연산된 스트로크의 변화 추이 및 상기 모터전압의 변화 추이에 근거하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 현재 주기에서 설정된 전력 지령이 이전 주기에서 설정된 전력 지령보다 작은 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 주기는 상기 제1 주기보다 짧게 설정되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 기 설정된 제3 주기마다 상기 피스톤의 스트로크와 관련된 스트로크 지령을 설정하고, 현재 주기에서 설정된 스트로크 지령과, 이전 주기에서 설정된 스트로크 지령을 비교하며, 비교결과에 근거하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 현재 주기에서 설정된 스트로크 지령이 이전 주기에서 설정된 스트로크 지령보다 큰 경우, 상기 연산된 스트로크의 변화 추이 및 상기 모터전압의 변화 추이에 근거하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 현재 주기에서 설정된 스트로크 지령이 이전 주기에서 설정된 스트로크 지령보다 작은 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 주기는 상기 제1 주기보다 짧게 설정되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 밸브플레이트는 상기 실린더의 일단에 고정적으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
본원발명에 따른 리니어 압축기 및 그의 제어방법은, 피스톤과 토출 밸브의 충돌력을 감소시킴으로써, 리니어 압축기에서 발생하는 소음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본원발명에 따른 리니어 압축기 및 그의 제어방법은, 토출 밸브의 제작 비용을 감소시킴으로서, 리니어 압축기의 제작 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 도출된다.
또한, 본원발명에 따른 리니어 압축기의 및 그이 제어 방법은, 별도의 센서를 추가하지 않으면서도, 피스톤이 왕복 운동 중 상사점에 도달했는지 여부를 판단할 수 있으므로, 소음이 저감됨과 동시에 고효율 운전을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 일반적인 레시프로 방식의 왕복동식 압축기의 일 예를 나타내는 개념도.
도 1b는 일반적인 리니어 방식의 앙복동식 압축기의 일 예를 나타내는 개념도.
도 1c는 일반적인 리니어 압축기의 상사점 제어에 이용되는 다양한 파라미터들과 관련된 그래프.
도 2는 리니어 압축기의 구성요소를 나타내는 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도.
도 4a는 종래의 리니어 압축기의 연산된 스트로크와 실제 스트로크를 비교한 그래프.
도 4b는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 연산된 스트로크와 실제 스트로크를 비교한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 스트로크 연산과 관련된 에러를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어방법을 나타내는 흐름도.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어방법을 나타내는 흐름도.
본 명세서에 개시된 발명은 리니어 압축기의 제어 장치 및 리니어 압축기의 제어 방법에 적용될 수 있다. 그러나 본 명세서에 개시된 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 기존의 모든 압축기의 제어 장치, 압축기의 제어 방법, 모터 제어 장치, 모터 제어 방법, 모터의 소음 테스트 장치 및 모터의 소음 테스트 방법에도 적용될 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하의 도 1a에서는 일반적인 레시프로 방식의 왕복동식 압축기의 일 예가 설명된다.
위에서 설명된 것과 같이, 레시프로 방식의 왕복동식 압축기에 설치된 모터는 크랭크샤프트(1a)와 결합될 수 있으며, 이로써 모터의 회전 운동이 직선 왕복운동을 변환될 수 있다.
도 1a에 도시된 것과 같이, 레시프로 방식의 압축기에 설치된 피스톤은, 크랭크샤프트의 사양 또는 크랭크샤프트와 피스톤을 연결시키는 커넥팅로드의 사양에 의해 기 설정된 위치범위 내에서 직선 왕복운동을 수행할 수 있다.
따라서, 레시프로 방식의 압축기를 설계함에 있어서, 피스톤이 상사점(TDC)을 초과하지 않도록 크랭크샤프트 및 커넹틱로드의 사양을 결정하면, 별도로 모터 제어 알고리즘을 적용하지 않아도, 피스톤이 실린더의 일단에 배치된 토출부(2a)와 충돌하지 않는다.
이 경우, 레시프로 방식의 압축기에 설치된 토출부(2a)는 실린더에 대해 고정적으로 설치될 수 있다. 일 예로, 토출부(2a)는 밸브 플레이트로 형성될 수 있다.
다만, 이러한 레시프로 방식의 압축기는 추후 설명될 리니어 방식의 압축기와 달리, 크랭크샤프트, 커넥팅로드, 피스톤 상호간에 마찰을 발생시키므로, 마찰을 발생시키는 요소가 리니어 방식의 압축기가 보다 더 많은 문제점이 있다.
이하의 도 1b에서는 일반적인 리니어 방식의 왕복동식 압축기의 일 예가 설명된다. 또한, 도 1c에서는 일반적인 리니어 방식의 왕복동식 압축기의 상사점 제어에 이용되는 다양한 파라미터들과 관련된 그래프가 도시된다.
도 1a 및 도 1b를 비교하면, 크랭크샤프트 및 커넥팅로드가 연결된 모터에 의해 직선 운동을 구현하는 레시프로 방식과 달리, 리니어 방식의 압축기는 직선 운동하는 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.
도 1b에 도시된 것과 같이, 리니어 방식의 압축기의 실린더와 피스톤 사이에는 탄성부재(1b)가 연결될 수 있다. 피스톤은 리니어 모터에 의해 직선 왕복운동을 수행할 수 있으며, 리니어 압축기의 제어부는 피스톤의 운동 방향을 전환시키기 위해 리니어 모터를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 1b에 도시된 리니어 압축기의 제어부는 피스톤이 토출부(2b)에 충돌하는 시점을, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달한 시점을 판단할 수 있고, 이로써, 피스톤의 운동 방향을 전환시키기 위해 리니어 모터를 제어할 수 있다.
도 1b와 함께, 도 1c를 참조하면, 일반적인 리니어 압축기와 관련된 그래프가 도시된다. 구체적으로, 도 1c에 도시된 것과 같이, 모터전류(i)와 피스톤의 스트로크(x)의 위상차이(θ)는, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하는 시점에서 변곡점을 형성한다.
일반적인 리니어 압축기의 제어부는 전류센서를 이용하여 모터전류(i)을 검출하고, 전압센서를 이용하여 모터전압(미도시)을 검출하며, 모터전류 및 모터전압에 근거하여 스트로크(x)를 추정할 수 있다. 이로서, 제어부는 모터전류(i)와 스트로크(x)의 위상차이(θ)를 산출할 수 있고, 위상차이(θ)가 변곡점을 형성하면, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달한 것으로 판단하며, 이때 피스톤의 이동 방향이 전환되도록 리니어 모터를 제어할 수 있다. 이하에서는 리니어 압축기의 제어부가 피스톤과 실린더 일단에 배치된 토출부의 충돌을 방지하기 위해, 피스톤이 상사점을 초과하지 않도록 모터를 제어하는 것을 "종래 상사점 제어"라고 정의한다.
종래 상사점 제어는 이하와 같다.
종래 상사점 제어에 있어서, 리니어 압축기의 제어부는 검출된 모터전류와 추정된 스트로크를 이용하여, 피스톤의 왕복운동과 관련된 가스상수(Kg)를 실시간으로 산출할 수 있다.
구체적으로, 제어부는 이하의 수학식 1을 이용하여, 가스상수(Kg)를 산출할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, I(jw)는 한주기 전류의 피크 값, X(jw)는 한주기 스트로크의 피크 값, α는 모터 상수 또는 역기전력 상수, θi,x는 전류와 스트로크의 위상차, m은 피스톤의 이동 질량, w는 모터의 운전주파수, Km은 기계적 스프링 상수를 의미한다.
또한, 위와 같은 식에 의하여, 가스상수(Kg)와 관련된 수학식 2가 도출된다.
Figure pat00002
즉, 상기 산출된 가스상수(Kg)는 모터전류와 스트로크의 위상차이에 비례할 수 있다.
따라서, 리니어 압축기의 제어부는 가스상수(Kg)나 위상차이의 변화를 모니터링하면서, 상기 가스상수(Kg)나 위상차이가 변곡점을 형성하면, 피스톤이 상사점에 도달한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 도 1b에 도시된 것과 같이, 위와 같은 종래 상사점 제어를 수행하는 일반적인 리니어 압축기의 경우에는, 탄성부재를 구비하는 토출부(2b)를 구비할 수 있다. 특히, 종래 리니어 압축기에 구비된 토출부(2b)는 상대적으로 탄성력이 약한 탄성부재와 연결된다. 따라서, 토출부(2b)와 피스톤의 반발력도 상대적으로 약하므로, 실린더 내의 압축 상태가 불안정한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 토출부(2b)에 반발력이 상당히 증가된 탄성부재를 연결시킬 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 리니어 압축기는, 토출부(2b)가 실린더에 접합되는 힘이 강해지므로, 피스톤과 토출부(2b)가 충돌할 때, 상기 토출부(2b)와 피스톤 사이에서 발생하는 반발력도 종래의 리니어 압축기 보다 강해진다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 또 다른 실시예에서는 실린더 일단에 밸브플레이트가 구비된 토출부를 포함할 수 있다. 이 경우, 밸브플레이트로 형성된 토출부를 포함하는 리니어 압축기는, 실린더와 밸브플레이트가 고정적으로 결합되어 있기 때문에, 밸브플레이트와 피스톤 사이에서 발생하는 반발력이 종래의 리니어 압축기 보다 강해진다.
이와 같이, 피스톤에 인가되는 반발력이 종래 리니어 압축기보다 증가한 점을 이용하여, 본 발명의 리니어 압축기에서는 별도의 센서를 추가하지 않고 피스톤의 이동을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 상사점 제어를 수행하는 리니어 압축기의 제어부는 감지된 모터전압 및 모터전류를 이용하여, 피스톤의 스트로크를 연산할 수 있다. 아울러, 상기 제어부는 연산된 스트로크의 추이에 근거하여, 상기 피스톤이 상기 밸브플레이트에 충돌하지 않도록 상기 모터를 제어할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어부는 피스톤이 실린더 내에서 왕복 운동하는 중에 계속적으로 피스톤의 스트로크를 추정하여, 추정된 스트로크의 추이를 검출할 수 있다.
추정된 스트로크의 그래프와 실제 스트로크의 그래프를 비교하면, 피스톤이 실린더 일단에 설치된 토출부에 충돌하기 전까지, 상기 추정된 스트로크와 실제 스트로크는 비례관계를 형성한다. 그러나, 피스톤이 실린더 일단에 설치된 토출부에 충돌한 후에는, 상기 추정된 스트로크와 실제 스트로크가 반비례관계를 형성한다.
위에서 설명한 것과 같이 본 발명에 따른 리니어 압축기의 피스톤에, 종래의 리니어 압축기보다 강한 반발력이 제공됨으로써, 추정된 스트로크와 실제 스트로크가 충돌 시점으로부터 반비례관계를 형성할 수 있다.
이하의 발명의 설명에서는 위와 같은 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과가 설명된다.
이하의 도 2에서는 리니어 압축기의 구성요소와 관련된 일 실시예가 설명된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 제어 장치는, 모터와 관련된 모터전압 및 모터전류를 감지하는 감지부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 감지부는 모터에 인가되는 모터 전압을 검출하는 전압 검출부(21), 상기 모터에 인가되는 모터 전류를 검출하는 전류 검출부(22)를 포함할 수 있다. 전압 검출부(21)와 전류 검출부(22)는 검출된 모터 전압 및 모터 전류와 관련된 정보를 각각 제어부(25) 또는 스트로크 추정부(23)에 전달할 수 있다.
아울러, 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 압축기 또는 압축기의 제어장치는 상기 검출된 모터 전류와 모터 전압 및 모터 파라미터에 의해, 스트로크를 추정하는 스트로크 추정부(23), 상기 스트로크 추정치와 스트로크 지령치를 비교하고, 비교 결과 그 차이를 출력하는 비교기(24), 및 상기 차이에 따라, 모터에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어하는 제어부(25)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시한 제어 장치의 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 압축기 제어 장치가 구현될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 제어 장치는 왕복동식 압축기에 적용할 수 있으나, 본 명세서에서는 리니어 압축기를 기준으로 설명하기로 한다.
이하, 각 구성요소들에 대해 살펴보기로 한다.
전압 검출부(21)는 압축기 모터에 인가되는 모터전압을 검출하는 것으로서, 일 실시예에 따라, 전압 검출부(21)는 정류부 및 직류링크부를 포함할 수 있다. 정류부는 소정 크기의 전압을 갖는 교류 전원을 정류하여 직류 전압을 출력할 수 있으며, 직류 링크부(12)는 두개의 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 전류 검출부(22)는 모터에 인가되는 모터전류를 검출하는 것으로서, 일 실시예에 따라, 압축기 모터의 코일에 흐르는 전류를 감지할 수 있다.
또한, 스트로크 추정부(23)는, 상기 검출된 모터 전류와 모터 전압 및 모터 파라미터를 이용하여, 스트로크 추정치를 연산할 수 있고, 연산된 스트로크 추정치를 비교기(24)에 인가할 수 있다.
이때, 스트로크 추정부(23)는 하기 수학식 1과 같은 수식을 통해, 스트로크 추정치를 연산할 수 있다.
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여기서, x는 스트로크, α는 모터 상수 또는 역기전력 상수, Vm은 모터 전압, im은 모터 전류, R은 저항, L은 인덕턴스를 의미한다.
이에 따라, 상기 비교기(24)는 상기 스토로크 추정치와 상기 스트로크 지령치를 비교하여 그에 따른 차이 신호를 제어부(25)에 인가하고, 이에 의해 상기 제어부(25)는 모터에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(25)는, 스트로크 추정치가 스트로크 지령치보다 크면 모터 인가전압을 감소시키고, 스트로크 추정치가 스트로크 지령치보다 작으면 모터 인가전압을 증가시킨다.
도 2에 도시된 것과 같이, 제어부(25)와 스트로크 추정부(23)는 하나의 유닛으로 형성될 수 있다. 즉, 제어부(25)와 스트로크 추정부(23)는 단일 프로세서 또는 컴퓨터에 대응될 수 있다. 이러한 압축기의 제어장치와 함께, 도 4a 및 도 4b에서는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 물리적인 구성요소가 설명된다.
이하의 도 3에서는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도가 도시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기는, 리니어 압축기 제어 장치가 적용 또는 압축기 제어 장치가 적용 가능한 리니어 압축기이면 족하되, 리니어 압축기의 종류 또는 형태를 불문한다. 도 4a에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기는 하나의 예시일 뿐이며, 본 발명의 권리 범위를 한정하고자 하는 의도는 아니다.
일반적으로 압축기에 적용되는 모터는 고정자에 권선코일이, 가동자에 마그네트가 설치되어 권선코일과 마그네트의 상호작용에 의해 가동자가 회전운동 또는 왕복운동을 하게 된다.
권선코일은 모터의 종류에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 회전 모터의 경우에는 고정자의 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 다수 개의 슬롯에 집중권 또는 분포권으로 권선되어 있고, 왕복동 모터의 경우에는 코일이 환형으로 감아 권선코일을 형성한 후 그 권선코일의 외주면에 원주방향을 따라 다수 장의 코어 시트(core sheet)를 삽입하여 결합하고 있다.
특히, 왕복동 모터의 경우에는 코일을 환형으로 감아 권선코일을 형성하기 때문에 통상은 플라스틱 재질로 된 환형 보빈에 코일을 감아 권선코일을 형성하고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 왕복동식 압축기는, 밀폐된 쉘(110)의 내부공간에 프레임(120)이 복수 개의 지지스프링(161)(162)에 의해 탄력 설치되어 있다. 쉘(110)의 내부공간에는 냉동사이클의 증발기(미도시)와 연결되는 흡입관(111)이 연통되도록 설치되고, 흡입관(111)의 일측에는 냉동사이클 장치의 응축기(미도시)와 연결되는 토출관(112)이 연통되도록 설치되어 있다.
프레임(120)에는 전동부(M)를 이루는 왕복동 모터(130)의 외측고정자(131)와 내측고정자(132)가 고정 설치되고, 외측고정자(131)와 내측고정자(132) 사이에는 왕복운동을 하는 가동자(mover)(133)가 설치되어 있다. 왕복동 모터(130)의 가동자(mover)(133)에는 후술할 실린더(141)와 함께 압축부(Cp)를 이루는 피스톤(142)이 왕복운동을 하도록 결합되어 있다.
실린더(141)는 왕복동 모터(130)의 고정자(131)(132)와 축방향으로 중첩되는 범위에 설치되어 있다. 그리고 실린더(141)에는 압축공간(CS1)이 형성되고, 피스톤(142)에는 냉매를 압축공간(CS1)으로 안내하는 흡입유로(F)가 형성되며, 흡입유로(F)의 끝단에는 그 흡입유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(143)가 설치되고, 실린더(141)의 선단면에는 그 실린더(141)의 압축공간(CS1)을 개폐하는 토출밸브(145)가 설치되어 있다.
참고로, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 토출부는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 3에 도시된 것과 같이, 밸브플레이트로 형성되는 토출부를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 리니어 압축기에는 기존의 레시프로 압축기에서 사용하던 토출부가 적용될 수 있다.
또 다른 예에서, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 1b에 도시된 것과 같이, 탄성부재를 구비하는 토출부를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 기존의 리니어 압축기에서 사용하던 토출부도 적용될 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 토출부에 구비된 탄성부재의 탄성력은, 일반적인 리니어 압축기에 구비된 탄성부재의 탄성력 보다 크게 형성될 수 있다.
이하, 도 4a에서는 종래의 리니어 압축기의 연산된 스트로크와 실제 스트로크를 비교한 그래프가 도시된다.
도 4a에 도시된 그래프의 X축은 피스톤의 상사점과 토출부 사이의 거리 변수로 정의된다. 즉, 피스톤의 상사점이 토출부에 접하는 경우 X축의 값은 0이 되고, 피스톤의 상사점이 토출부에 도달하기 전인 경우 X축의 값은 음수가 된다. 또한, 피스톤의 상사점이 토출부와 충돌하여, 상기 피스톤이 토출부를 밀어낸 경우, X축의 값은 양수가 된다.
도 4a를 참조하면, X축이 음수에서 양수로 전환되는 지점에서, 연산된 스트로크의 그래프는 여전히 증가추세인 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 연산된 스트로크와 실제 스트로크를 비교한 그래프가 도시된다.
도 4b에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 연산된 스트로크 그래프는, X축이 음수에서 양수로 전환되는 지점에서 증가추세에서 감소추세로 변경되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 연산된 스트로크는, 피스톤이 토출부에 충돌하기 전후로 변화추세가 달라진다.
이러한 현상은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 토출부가, 종래의 리니어 압축기의 토출부에 비해 피스톤에 더 강한 힘을 인가하기 때문이다. 또한, 리니어 압축기의 토출부가 실린더 일단에 고정된 밸브플레이트로 형성되거나 강한 탄성력을 지닌 탄성부재를 구비함으로써, 실린더 내부의 토출계 예압이 더 커지기 때문이다.
이와 관련하여, 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 경우, 피스톤이 토출부에 도달하기 전인 탑 언더(TOP UNDER)영역보다, 피스톤이 토출부를 밀어내는 탑 오버(TOP OVER)영역에서, 스트로크와 모터전류의 위상차의 변화가 더 클 수 있다.
아울러, 스트로크의 증가량 대비 위상차의 변화가 커질수록 스트로크의 에러 성분이 증가한다. 이로써, 탑 오버 영역에서 연산 스트로크의 값이 감소할 수 있다.
이하의 명세서에는, 본 발명에 따른 리니어 압축기가 위와 같은 현상을 이용하여, 피스톤의 이동을 제어하거나, 피스톤의 상사점을 검출하는 방법을 제안한다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어부(25)는, 감지부에서 감지된 모터전압 및 모터전류를 이용하여, 실린더 내부에서 왕복 운동을 수행하는 피스톤의 스트로크를 연산할 수 있다.
또한, 제어부(25)는 연산된 스트로크의 추이에 근거하여, 피스톤이 상기 밸브플레이트에 도달했는지 여부를 검출할 수 있다.
구체적으로, 제어부(25)는 기 설정된 제1 주기마다 상기 스트로크를 연산하고, 상기 연산된 스트로크의 변화 추이와, 상기 모터전압의 변화 추이를 비교하며, 비교결과에 근거하여, 모터를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 주기는 2초일 수 있다.
제어부(25)는 상기 제1 주기마다 연산된 스트로크, 상기 모터전압 및 모터전류와 관련된 정보를 저장하는 메모리(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제어부(25)는 메모리에 저장된 정보에 근거하여, 상기 제1 주기마다 상기 연산된 스트로크와 상기 모터전압이 반비례인지 여부를 판단하고, 판단결과에 근거하여, 모터를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(25)는 연산된 스트로크와 모터전압이 반비례인 경우, 피스톤이 탑 오버 영역에 존재하는 것으로 판단하고, 모터 전압을 감소시킬 수 있다.
반대로, 제어부(25)는 연산된 스트로크와 모터전압이 정비례인 경우, 피스톤이 탑 오버 영역에 존재하는 것으로 판단하고, 모터 전압을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(25)는 연산된 스트로크와 상기 모터전압이 반비례이면, 현재 주기의 모터 전압을 감소시키도록 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시킬 수 있다.
제어부(25)는 현재 주기에서 연산된 스트로크와 이전 주기에서 연산된 스트로크의 차와, 현재 주기의 모터전압과 이전 주기의 모터의 모터전압의 차를 곱한 값에 근거하여, 모터를 제어할 수 있다.
제어부(25)는 상기 곱한 값이 음수인 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시키고, 상기 곱합 값이 양수인 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 증가시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제어부(25)는 기 설정된 제2 주기마다 상기 모터의 소비 전력과 관련된 전력 지령을 설정하고, 현재 주기에서 설정된 전력 지령과, 이전 주기에서 설정된 전력 지령을 비교하며, 비교결과에 근거하여 모터를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 주기는 0.2초일 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(25)는 제2 주기마다 새롭게 설정된 제1 전력 지령이, 제1 전력 지령 이전에 설정된 제2 전력 지령보다 작으면, 모터 전압을 감소시킬 수 있다.
또한, 제어부(25)는 제2 주기마다 새롭게 설정된 제1 전력 지령이, 제1 전력 지령 이전에 설정된 제2 전력 지령보다 크면, 스트로크 대비 모터전압의 증가율 값에 근거하여, 모터 전압을 조정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(25)는 상기 제1 전력 지령이 제2 전력 지령보다 크고, 스트로크 대비 모터 전압의 증가율이 음수인 경우, 모터 전압을 감소시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 제어부(25)는 상기 제1 전력 지령이 제2 전력 지령보다 크고, 스트로크 대비 모터 전압의 증가율이 양수인 경우, 모터 전압을 감소시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제어부(25)는 현재 주기에서 설정된 전력 지령이 이전 주기에서 설정된 전력 지령보다 큰 경우, 상기 연산된 스트로크의 변화 추이 및 상기 모터전압의 변화 추이에 근거하여 상기 모터를 제어할 수 있다.
제어부(25)는 현재 주기에서 설정된 전력 지령이 이전 주기에서 설정된 전력 지령보다 작은 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 제2 주기는 상기 제1 주기보다 짧게 설정될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제어부(25)는 기 설정된 제3 주기마다 상기 피스톤의 스트로크와 관련된 스트로크 지령을 설정할 수 있다. 제어부(25)는 현재 주기에서 설정된 스트로크 지령과, 이전 주기에서 설정된 스트로크 지령을 비교하며, 비교결과에 근거하여 상기 모터를 제어할 수 있다.
제어부(25)는 현재 주기에서 설정된 스트로크 지령이 이전 주기에서 설정된 스트로크 지령보다 큰 경우, 상기 연산된 스트로크의 변화 추이 및 상기 모터전압의 변화 추이에 근거하여 상기 모터를 제어할 수 있다.
제어부(25)는 현재 주기에서 설정된 스트로크 지령이 이전 주기에서 설정된 스트로크 지령보다 작은 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 주기는 상기 제1 주기보다 짧게 설정될 수 있다.
이하의 도 6에서는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어방법이 설명된다.
제어부(25)는 새롭게 생성된 전력지령을 모터에 전달할 수 있다(S601).
제어부(25)는 이전에 설정된 전력지령과, 상기 전달된 전력지령을 비교할 수 있다(S602).
제어부(25)는 이전에 설정된 전력지령이 상기 전달된 전력지령보다 작은 경우, 스트로크 대비 모터전압의 증가율 값이 양수인지 여부를 판단할 수 있다(S603).
제어부(25)는 이전에 설정된 전력지령이 상기 전달된 전력지령보다 작은 경우, 스트로크 대비 모터전압의 증가율 값이 양수라면, 모터에 전달될 전압지령을 증가시킬 수 있다(S604).
제어부(25)는 이전에 설정된 전력지령이 상기 전달된 전력지령보다 크거나, 스트로크 대비 모터전압의 증가율 값이 음수인 경우, 모터에 전달될 전압지령을 감소시킬 수 있다(S605).
이하의 도 7에서는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어방법이 설명된다.
제어부(25)는 새롭게 생성된 스트로크 지령을 모터에 전달할 수 있다(S701).
제어부(25)는 이전에 설정된 스트로크 지령과, 상기 전달된 스트로크 지령을 비교할 수 있다(S702).
제어부(25)는 이전에 설정된 스트로크 지령이 상기 전달된 스트로크 지령보다 작은 경우, 스트로크 대비 모터전압의 증가율 값이 양수인지 여부를 판단할 수 있다(S703).
제어부(25)는 이전에 설정된 스트로크 지령이 상기 전달된 스트로크 지령보다 작은 경우, 스트로크 대비 모터전압의 증가율 값이 양수라면, 모터에 전달될 전압지령을 증가시킬 수 있다(S704).
제어부(25)는 이전에 설정된 스트로크 지령이 상기 전달된 스트로크 지령보다 크거나, 스트로크 대비 모터전압의 증가율 값이 음수인 경우, 모터에 전달될 전압지령을 감소시킬 수 있다(S705).
본원발명에 따른 리니어 압축기 및 그의 제어방법은, 피스톤과 토출 밸브의 충돌력을 감소시킴으로써, 리니어 압축기에서 발생하는 소음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본원발명에 따른 리니어 압축기 및 그의 제어방법은, 토출 밸브의 제작 비용을 감소시킴으로서, 리니어 압축기의 제작 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 도출된다.
또한, 본원발명에 따른 리니어 압축기의 및 그이 제어 방법은, 별도의 센서를 추가하지 않으면서도, 피스톤이 왕복 운동 중 상사점에 도달했는지 여부를 판단할 수 있으므로, 소음이 저감됨과 동시에 고효율 운전을 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤;
    상기 피스톤의 운동을 위하여, 구동력을 제공하는 모터;
    상기 모터와 관련된 모터전압 및 모터전류를 감지하는 감지부;
    상기 실린더의 일단에 설치되어, 실린더 내부에서 압축된 냉매의 토출을 조절하는 밸브플레이트; 및
    상기 감지된 모터전압 및 모터전류를 이용하여, 상기 피스톤의 스트로크를 연산하고,
    상기 연산된 스트로크의 추이에 근거하여, 상기 피스톤이 상기 밸브플레이트에 도달했는지 여부를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기 설정된 제1 주기마다 상기 스트로크를 연산하고,
    상기 연산된 스트로크의 변화 추이와, 상기 모터전압의 변화 추이를 비교하며,
    비교결과에 근거하여, 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 주기마다 연산된 스트로크, 상기 모터전압 및 모터전류와 관련된 정보를 저장하는 메모리를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 메모리에 저장된 정보에 근거하여, 상기 제1 주기마다 상기 연산된 스트로크와 상기 모터전압이 반비례인지 여부를 판단하고, 판단결과에 근거하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연산된 스트로크와 상기 모터전압이 반비례이면, 현재 주기의 모터 전압을 감소시키도록 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    현재 주기에서 연산된 스트로크와 이전 주기에서 연산된 스트로크의 차와,
    현재 주기의 모터전압과 이전 주기의 모터의 모터전압의 차를 곱한 값에 근거하여, 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 곱한 값이 음수인 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시키고,
    상기 곱합 값이 양수인 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 증가시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기 설정된 제2 주기마다 상기 모터의 소비 전력과 관련된 전력 지령을 설정하고,
    현재 주기에서 설정된 전력 지령과, 이전 주기에서 설정된 전력 지령을 비교하며, 비교결과에 근거하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    현재 주기에서 설정된 전력 지령이 이전 주기에서 설정된 전력 지령보다 큰 경우, 상기 연산된 스트로크의 변화 추이 및 상기 모터전압의 변화 추이에 근거하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    현재 주기에서 설정된 전력 지령이 이전 주기에서 설정된 전력 지령보다 작은 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 주기는 상기 제1 주기보다 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기 설정된 제3 주기마다 상기 피스톤의 스트로크와 관련된 스트로크 지령을 설정하고,
    현재 주기에서 설정된 스트로크 지령과, 이전 주기에서 설정된 스트로크 지령을 비교하며, 비교결과에 근거하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    현재 주기에서 설정된 스트로크 지령이 이전 주기에서 설정된 스트로크 지령보다 큰 경우, 상기 연산된 스트로크의 변화 추이 및 상기 모터전압의 변화 추이에 근거하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    현재 주기에서 설정된 스트로크 지령이 이전 주기에서 설정된 스트로크 지령보다 작은 경우, 상기 모터에 인가되는 전압 지령을 감소시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제3 주기는 상기 제1 주기보다 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 밸브플레이트는 상기 실린더의 일단에 고정적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
KR1020170004349A 2017-01-11 2017-01-11 리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어 방법 KR20180082895A (ko)

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KR20200092686A (ko) * 2019-01-25 2020-08-04 엘지전자 주식회사 리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어 방법
KR20220072476A (ko) * 2020-11-25 2022-06-02 엘지전자 주식회사 리니어 압축기의 제어 방법 및 제어 장치

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