KR20200000105A - 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축 또는 흡입 행정을 고려하여 피스톤의 왕복 운동을 제어할 수 있는 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 피스톤의 왕복 운동에 따른 피스톤의 위치뿐만 아니라 압축기의 행정 사이클, 즉 압축 사이클 및 흡입 사이클을 함께 고려하여 압축기의 운전을 제어한다. 본 발명은 이와 같은 압축 사이클 및 흡입 사이클의 각 구간 별 특성에 따라서 피스톤에 가해지는 힘의 크기를 조절함으로써 종래와 같이 단순히 피스톤의 위치만을 고려하는 제어 방법에 비해 압축기의 효율을 보다 높이는 동시에 냉력 손실을 개선할 수 있다.

Description

왕복동식 압축기의 운전 제어 장치{DRIVING CONTROL APPARATUS FOR RECIPROCATING COMPRESSOR}

본 발명은 압축 또는 흡입 행정을 고려하여 피스톤의 왕복 운동을 제어할 수 있는 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치에 관한 것이다.

압축기(compressor)는 냉매 또는 그 이외의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높이는 기계 장치로서, 냉장고와 에어컨 등에 널리 사용되고 있다.

압축기는 내부 구조 및 동작 원리에 따라서 여러 종류로 구별될 수 있다. 압축기는 피스톤(piston)과 실린더(cylinder) 사이에 작동 가스가 흡입 및 토출되는 압축공간이 형성되고, 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(reciprocating compressor), 편심 회전되는 롤러(roller)와 실린더 사이에 작동 가스가 흡입 및 토출되는 압축공간이 형성되고, 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전하면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(rotary compressor), 선회 스크롤(orbitting scroll)과 고정 스크롤(fixed scroll) 사이에 작동 가스가 흡입 및 토출되는 압축공간이 형성되고, 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전하면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(scroll compressor)로 분류될 수 있다.

그 중 왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 레시프로(recipro) 방식과 리니어(linear) 방식으로 구분할 수 있다.

레시프로 방식은 회전모터에 크랭크 샤프트(crank shaft)를 결합하고 이 크랭크 샤프트에 피스톤을 결합하여 회전모터의 회전력을 직선 왕복운동으로 전환하는 방식인데 반하여, 리니어 방식은 직선모터의 가동자에 피스톤을 직접 연결하여 모터의 직선운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.

리니어 방식의 왕복동식 압축기는 레시프로 방식에서 사용되는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 크랭크 샤프트가 없어 마찰 손실이 적으므로, 레시프로 압축기보다 압축 효율이 높다.

이와 같은 왕복동식 압축기의 운전 효율을 높이기 위한 다양한 기술이 제시되고 있다. 예컨대 국내공개공보 제10-2005-0050966호는 다음과 같이 운전주파수의 가변 제어를 통해 왕복동식 압축기의 운전 효율을 높이는 방법을 개시한다.

도 1은 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 압축기(108)에 인가되는 전류를 검출하는 전류검출부(110), 압축기(108) 내부의 피스톤의 스트로크를 검출하는 스트로크 검출부(106), 전류검출부(110)에서 출력되는 전류와 스트로크 검출부(106)에서 출력되는 스트로크를 입력받아, 한주기 동안의 전류가 최대일 경우의 스트로크를 운전주파수 가변상수로 연산하는 운전주파수 가변상수 연산부(112), 운전주파수 가변상수의 크기를 '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 운전주파수 지령치를 발생하는 운전주파수 지령치 발생부(114), 운전주파수 지령치와 현재 운전주파수를 비교하여 그에 따른 차이값을 출력하는 제1 비교기(102), 스트로크 검출부(106)에서 출력되는 스트로크와 스트로크 지령치를 비교하여 그에 따른 차이값을 출력하는 제2 비교기(116), 제1 비교기(102)에서 출력되는 차이값에 따라 압축기(108)의 운전주파수를 가변하고, 제2 비교기(116)에서 출력되는 차이값에 따라 압축기(108)에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어하는 제어부(104)로 구성된다.

도 1과 같은 구성을 갖는 종래의 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 일정 주기 간격으로 압축기(108)에 인가되는 전류와 스트로크를 검출하고, 검출되는 전류가 한 주기 동안의 최대인 경우의 스트로크를 검출하여 그 스트로크를 운전 주파수 가변상수로 연산한다. 그리고 나서 종래의 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 운전주파수 가변상수를 '0±δ'와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 현재 운전주파수를 가감하여 운전 주파수 지령치를 발생시켜 압축기를 구동한다.

도 1과 같은 종래 기술에 따르면, 부하 가변시마다 운전주파수를 기계적 공진주파수에 일치시키기 위하여, 운전주파수 가변 상수를 한 주기 동안의 전류가 최대일 경우의 스트로크 또는 한 주기 동안의 전류가 최소일 경우의 스트로크를 검출하여 그 스트로크가 '0'에 근접되는 운전주파수를 운전주파수 지령치로 발생시킴으로써 압축기의 운전 효율을 상승시킨다.

이처럼 종래 기술에 따르면 압축기의 운전 효율을 높이기 위하여 피스톤의 위치, 즉 스트로크만을 고려하여 압축기의 운전주파수를 가변시킨다. 그러나 압축기는 피스톤의 스트로크 외에도 압축 행정이나 흡입 행정에 따른 고유의 특성을 갖기 때문에, 압축기의 효율을 보다 높이기 위해서는 이러한 각 행정에 따른 특성이 반영될 필요가 있다.

본 발명은 압축 행정 또는 흡입 행정의 특성과 피스톤의 위치를 함께 고려하여 압축기의 운전을 제어함으로써 압축기의 효율을 높이고 냉력 손실을 개선할 수 있는 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 피스톤의 왕복 운동에 따른 피스톤의 위치뿐만 아니라 압축기의 행정 사이클, 즉 압축 사이클 및 흡입 사이클을 함께 고려하여 압축기의 운전을 제어한다.

보다 구체적으로, 압축기의 압축 사이클은 실린더 내 가스를 압축하기 위하여 피스톤을 상사점(Top Dead Center, TDC) 방향으로 이동시키는 과정에서 피스톤에 가해지는 힘을 증가시키는 구간과, 압축이 완료되어 토출 밸브가 개방되는 동안 피스톤에 가해지는 힘이 일정하게 유지되는 구간을 포함한다. 또한 흡입 사이클은 가스 흡입을 위하여 피스톤을 하사점(Bottom Dead Center, BDC) 방향으로 이동시키는 과정에서 피스톤에 가해지는 힘을 증가시키는 구간과, 흡입 밸브가 열려 가스가 실린더 내로 흡입되는 동안 피스톤에 가해지는 힘이 일정하게 유지되는 구간을 포함한다.

본 발명은 이와 같은 압축 사이클 및 흡입 사이클의 각 구간 별 특성에 따라서 피스톤에 가해지는 힘의 크기를 조절함으로써 종래와 같이 단순히 피스톤의 위치만을 고려하는 제어 방법에 비해 압축기의 효율을 보다 높이는 동시에 냉력 손실을 개선할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는, 외부 전원으로부터 입력되는 교류 전원을 정류하여 출력하는 정류부, 상기 정류부에 의해서 출력되는 전압을 평활화하여 직류 전압을 출력하는 평활화부, 상기 평활화부로부터 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터에 제공하는 인버터부, 상기 모터에 인가되는 상기 교류 전압을 조절하여 상기 압축기 내부의 피스톤의 왕복 운동을 제어하는 제어부를 포함한다.

여기서 상기 제어부는 상기 모터에 인가되는 구동 전류 및 상기 교류 전압에 기초하여 상기 피스톤에 가해지는 힘을 조절하기 위한 제어 구간의 시작 지점을 설정하고, 상기 피스톤이 상기 제어 구간에 진입하면 미리 설정된 오프셋 값 및 미리 설정된 오프셋 시간에 따라서 상기 교류 전압의 크기를 조절한다.

본 발명에 따르면 압축 행정 또는 흡입 행정의 특성과 피스톤의 위치를 함께 고려하여 압축기의 운전을 제어함으로써 압축기의 효율을 높이고 냉력 손실을 개선할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기를 포함하는 냉장고의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치의 구성도이다.
도 5는 왕복동식 압축기의 행정 사이클에 따른 PV 다이어그램이다.
도 6은 왕복동식 압축기의 행정 사이클에 따른 피스톤의 위치 및 피스톤에 가해지는 힘의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 왕복동식 압축기의 행정 사이클에 따른 피스톤의 위치 및 모터로 인가되는 전류의 파형을 나타낸다.
도 8 및 도 9는 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 불일치할 때 측정된 피스톤의 스트로크 및 모터에 인가되는 전류의 파형을 나타낸다.
도 10은 왕복동식 압축기의 행정 사이클에 따른 피스톤의 위치 및 모터로 인가되는 교류 전압의 파형을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치에 의하여 조절되는 압축기의 행정 사이클에 따른 각 구간별 교류 전압의 파형을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 각 제어 구간의 시작 지점을 결정하는 방법을 나타내는 도면이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기를 포함하는 냉장고의 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉장고(200)는 그 내부에 냉장고의 운전 전반을 제어하는 메인 기판(204)이 구비된다. 이하에서 설명되는 본 발명의 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 메인 기판(204) 상에 회로 또는 모듈 형태로 구현될 수 있다. 메인 기판(204)은 왕복동식 압축기(202)와 전기적으로 연결된다.

냉장고(200)는 왕복동식 압축기(202)의 구동에 의해 동작한다. 냉장고(200)의 내부 저장실이 차갑게 유지되기 위해서는 저장실 내부로 냉기가 공급되어야 한다. 냉기 공급을 위해, 왕복동식 압축기(202)는 가스 형태의 냉매를 흡입하여 압축시키고, 압축된 고온/고압의 냉매는 응축기를 거치면서 액화된다. 응축기에서 나온 냉매는 증발기를 거치면서 열교환을 통해 증발기 주변의 공기 온도를 낮추어 냉기가 생성된다. 증발기를 통과한 냉매는 다시 왕복동식 압축기(202)로 공급되어 냉매의 순환이 이루어진다. 이와 같은 과정의 반복을 통해서 냉장고(200)의 저장실 내부에 냉기가 공급된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기(202)는 외관을 형성하는 밀폐용기(32)를 포함한다. 밀폐용기(32) 일측에는 냉매가 유입되는 유입관(32a) 및 냉매가 유출되는 유출관(32b)이 설치된다.

또한 밀폐용기(32) 내측에 실린더(34)가 고정되도록 설치된다. 실린더(34) 내부에는 왕복 직선 운동을 통해 압축공간(P)으로 흡입된 냉매를 압축시키는 피스톤(36)이 배치된다. 피스톤(36)의 일단에는 피스톤(36)을 운동 방향으로 탄성 지지하기 위한 스프링(38a, 38b)이 설치된다. 피스톤(36)은 구동력을 발생시키는 모터(40)와 연결되어 모터(40)의 구동에 따라서 왕복 직선 운동을 수행한다.

또한 압축공간(P)과 접하고 있는 피스톤(36)의 일단에는 흡입 밸브(52)가 설치되고, 압축공간(P)과 접하고 있는 실린더(34)의 일단에 토출 밸브 어셈블리(54)가 설치된다. 흡입 밸브(52) 및 토출 밸브 어셈블리(54)는 각각 압축공간(P) 내부의 압력에 따라 개폐되도록 자동적으로 조절된다.

밀폐용기(32) 내부 바닥면에는 소정의 오일이 담겨지고, 오일을 펌핑하기 위한 오일공급장치(60)가 배치된다. 밀폐용기(32)의 하측 프레임(48) 내부에는 오일을 피스톤(36)과 실린더(34) 사이로 공급하는 오일공급관(48a)이 형성된다. 오일공급장치(60)는 피스톤(36)이 왕복 직선 운동함에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑하고, 펌핑된 오일은 오일공급관(48a)을 따라 피스톤(36)과 실린더(34) 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 한다.

실린더(34)는 피스톤(36)이 왕복 직선 운동할 수 있도록 중공 형상으로 형성되며 내부에는 압축공간(P)이 형성된다. 실린더(34)는 유입관(32a) 내측에 일단이 근접하게 위치된 상태에서 유입관(32a)과 동일 직선상에 설치되는 것이 바람직하다. 유입관(32a)과 반대 방향 측의 실린더(34)의 일단에는 토출 밸브 어셈블리(54)가 설치된다.

토출 밸브 어셈블리(54)는 실린더(34)의 일단 측에 소정의 토출 공간을 형성하는 토출 커버(54a), 실린더의 압축공간(P) 측 일단을 개폐하도록 설치되는 토출 밸브(54b), 토출 커버(54a)와 토출 밸브(54b) 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 밸브 스프링(54c)으로 구성된다. 실린더(34)의 일단 내주면에는 오링(R)이 끼움 설치되어 토출 밸브(54a)와 실린더(34) 사이를 밀착시킨다.

또한 토출 커버(54a)의 일측과 유출관(32b) 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프(58)가 연결된다. 루프 파이프(58)는 압축된 냉매가 외부로 토출될 수 있도록 안내할 뿐 아니라 실린더(34), 피스톤(36), 리니어 모터(40)의 상호 작용에 의한 진동이 밀폐용기(32) 전체로 전달되는 것을 완충시켜 준다.

피스톤(36)이 실린더(34) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 압축공간(P)의 압력이 소정의 토출 압력에 도달하면, 밸브 스프링(54c)이 압축되어 토출 밸브(54b)가 개방된다. 이에 따라 압축공간(P) 내부에서 압축된 냉매가 압축공간(P)으로부터 토출된 다음, 루프 파이프(58) 및 유출관(32b)을 따라 외부로 토출된다.

한편, 유입관(32a)으로부터 유입된 냉매는 피스톤(36)의 중앙에 형성된 냉매유로(36a)를 통해서 압축공간(P) 내부로 유입된다. 유입관(32a)과 근접한 피스톤(36)의 일단은 연결부재(47)에 의해 리니어 모터(40)와 직접 연결된다. 흡입 밸브(52)는 박판 형상으로 중앙부분이 피스톤(36)의 냉매유로(36a)를 개폐시키도록 중앙부분이 일부 절개되도록 형성되고, 일측이 피스톤(36a)의 일단에 스크류에 의해 고정되도록 설치된다.

피스톤(36)이 실린더(34) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 압축공간(P)의 압력이 토출 압력보다 더 낮은 소정의 흡입 압력 이하가 되면 흡입 밸브(52)가 개방되어 냉매가 압축공간(P) 내부로 흡입된다. 압축공간(P)의 압력이 소정의 흡입 압력에 도달하면, 흡입 밸브(52)가 닫힌 상태에서 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.

다시 도면을 참조하면, 피스톤(36)은 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치되는데, 구체적으로 유입관(32a)과 근접한 피스톤(36)의 일단에 반경방향으로 돌출된 피스톤 플랜지(36b)가 코일 스프링 등과 같은 기계 스프링(38a, 38b)에 의해 피스톤(36)의 운동방향으로 탄성 지지되고, 유입관(32a)과 반대방향 측 압축공간(P)에 포함된 냉매가 자체 탄성력에 의해 가스 스프링으로 작용하여 피스톤(36)을 탄성 지지하게 된다.

모터(40)는 복수 개의 라미네이션(42a)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임(48)에 의해 실린더(34) 외측에 고정되도록 설치되는 이너 스테이터(42), 코일이 감겨지도록 구성된 코일 권선체(44a) 주변에 복수 개의 라미네이션(44b)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임(48)에 의해 실린더(34) 외측에 이너 스테이터(42)와 소정의 간극을 두고 설치되는 아우터 스테이터(44), 이너 스테이터(42)와 아우터 스테이터(44) 사이의 간극에 위치되어 피스톤(36)과 연결부재(47)에 의해 연결되는 영구자석(46)으로 구성된다. 실시예에 따라서 코일 권선체(44a)는 이너 스테이터(42) 외측에 고정 설치될 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치의 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치(204)는 정류부(404), 평활화부(406), 인버터부(408), 제어부(410), 전류 검출부(412), 전압 검출부(414), 스트로크 추정부(416)를 포함한다.

정류부(404)는 외부 전원(402)으로부터 입력되는 교류 전원을 정류하여 출력한다. 실시예에 따라서 정류부(404)는 다수의 다이오드 소자를 포함한다.

평활화부(406)는 정류부(404)에 의해서 출력되는 전압을 평활화하여 직류 전압을 출력한다. 평활화부(406)는 평활화 동작을 수행하는 캐패시터(C)를 포함한다.

인버터부(408)는 평활화부(406)로부터 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 압축기(418)에 제공한다. 인버터부(408)에 의해 제공된 교류 전압에 의해서 압축기(418) 내부에 구비된 모터가 구동되어 모터와 연결된 피스톤이 왕복 운동을 수행한다.

제어부(410)는 인버터부(408)로 제공되는 전압 지령치를 통해 압축기(418)로 인가되는 교류 전압을 조절함으로써 모터에 의한 피스톤의 왕복 운동을 제어한다.

전류 검출부(412)는 압축기(418)의 구동 과정에서 압축기(418) 내부의 모터에 인가되는 구동 전류의 크기를 검출한다. 또한 전압 검출부(414)는 압축기(418)의 구동 과정에서 압축기(418) 내부의 모터에 인가되는 구동 전압의 크기를 검출한다.

스트로크 추정부(416)는 압축기(418)의 구동 과정에서 모터에 인가되는 구동 전압 및 구동 전류를 입력받고, 입력된 구동 전압 및 구동 전류에 기초하여 피스톤의 현재 위치, 즉 스트로크를 연산한다. 스트로크 추정부(416)는 이미 알려진 수학식 또는 알고리즘에 구동 전압 및 구동 전류를 대입함으로써 스트로크를 연산할 수 있다. 스트로크 추정부(416)는 전류 검출부(412) 및 전압 검출부(414)로부터 각각 구동 전압 및 구동 전류를 실시간으로 입력받는다.

본 발명의 일 실시예에서, 제어부(410)는 모터에 인가되는 구동 전류 및 교류 전압에 기초하여 피스톤에 가해지는 힘을 조절하기 위한 제어 구간의 시작 지점을 설정한다. 제어부(410)는 압축기(418)의 피스톤이 제어 구간의 시작 지점을 지나서 제어 구간에 진입한 것이 확인되면, 미리 설정된 오프셋 값 및 미리 설정된 오프셋 시간에 따라서 교류 전압의 크기를 조절한다.

제어부(410)는 스트로크 추정부(416)에 의해서 추정된 피스톤의 현재 위치를 미리 설정된 제어 구간의 시작 지점과 비교함으로써 피스톤이 제어 구간에 진입했는지 여부를 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 제어 구간은 압축 행정 제어 구간 및 흡입 행정 제어 구간을 포함한다. 제어부(410)는 피스톤이 제어 구간에 진입하면 미리 설정된 오프셋 시간동안 미리 설정된 오프셋 값만큼 상기 교류 전압의 크기를 증가시킬 수 있다. 여기서 제어 구간은 상기 피스톤의 초기점을 기준으로 하여 설정된다.

또한 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(410)는 구동 전류의 제로 크로싱 포인트(zero crossing point)로부터 구동 전류의 피크(peak) 지점까지의 시간 간격을 산출한다. 제어부(410)는 교류 전압의 제로 크로싱 포인트로부터 앞서 산출된 시간 간격만큼 떨어진 지점을 제어 구간의 시작 지점으로 설정한다.

또한 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(410)는 오프셋 값 및 오프셋 시간에 따라서 교류 전압의 크기를 조절한 이후, 피스톤의 사점(dead center)에 대응되는 시간 위상 및 구동 전류의 제로 크로싱 포인트에 대응되는 시간 위상 간의 차이값을 계산한다. 본 발명에서 사점은 상사점 및 하사점을 포함하낟.

이와 같이 계산된 차이값이 0이 아닐 경우, 제어부(410)는 오프셋 값 및 오프셋 시간 중 적어도 하나를 조정하여 피스톤에 가해지는 힘의 크기를 조절할 수 있다.

이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 압축기의 행정 사이클 및 각 행정 사이클에 따라서 피스톤에 가해지는 힘의 변화에 대하여 설명한다.

도 5는 왕복동식 압축기의 행정 사이클에 따른 PV 다이어그램이다. 또한 도 6은 왕복동식 압축기의 행정 사이클에 따른 피스톤의 위치 및 피스톤에 가해지는 힘의 변화를 나타내는 그래프이다.

전술한 바와 같이, 왕복동식 압축기의 행정 사이클은 크게 압축 행정과 흡입 행정으로 나누어진다. 도 5의 PV 다이어그램은 왕복동식 압축기의 행정 사이클 A→B→C→D의 순서로 표기하고 있다. 이 PV 다이어그램에서 가로 축은 압축공간 내 냉매의 부피(V)를 나타내고, 세로 축은 압축공간 내의 압력(P)을 나타낸다.

먼저 피스톤이 실린더 내에서 하사점에 위치한 상태에서 흡입 밸브가 열려 냉매가 실린더 내부로 유입된다. 이 때 냉매의 부피는 V4, 압축공간 내의 압력은 P1으로 나타낸다(A 지점). 냉매의 유입이 완료되면 흡입 밸브가 닫히게 되고 피스톤이 하사점에서 상사점 방향으로 직선 운동하기 시작하면서 압축공간 내의 냉매가 점차 압축된다.(A→B 구간) 이에 따라서 압축공간 내의 압력은 증가(P1→P2)하고, 냉매의 부피는 V3으로 감소한다.

피스톤이 상사점에 도달하게 되면(B 지점) 토출 밸브가 열리기 시작한다. 이 때 피스톤은 토출 밸브가 완전히 열릴 때(C 지점)까지 상사점에 그대로 머물게 되므로 압축공간 내 압력은 P2로 유지되면서 냉매의 토출로 인해 냉매의 부피는 계속해서 V1까지 감소한다(B→C 구간).

이후 토출 밸브가 완전히 열리게 되면 압축된 냉매는 토출 밸브를 통해 외부로 완전히 토출된다. 이에 따라서 압축공간 내 압력은 P2에서 P1으로 감소하고, 토출 밸브가 닫힌다(C→D 구간).

토출 밸브가 닫히면 피스톤은 다시 하사점 방향으로 직선 운동을 수행한다. 이에 따라서 압축공간이 넓어지게 되어 압축공간 내 압력(P1)은 그대로 유지되면서 부피는 점차 증가하게 된다(D→A 구간) 피스톤이 하사점에 도달하면(A 지점) 피스톤이 하사점에 머물면서 흡입 밸브가 열려 다시 냉매의 유입이 시작된다.

왕복동식 압축기는 이상과 같은 압축 행정(A→B→C 구간) 및 흡입 행정(C→D→A 구간)을 반복적으로 수행한다. 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 이러한 왕복동식 압축기의 압축 행정 구간 및 흡입 행정 구간을 '제어 구간'으로 설정하고, 각 제어 구간 별로 피스톤에 인가되는 교류 전압의 크기를 조절함으로써 피스톤에 가해지는 힘의 크기를 제어한다.

도 6에는 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치에 의해서 설정되는 제어 구간이 도시되어 있다. 이러한 제어 구간은 앞서 도 5를 통해 설명된 압축 행정 구간(A→B→C 구간) 및 흡입 행정 구간(C→D→A 구간)과 대응된다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 구간은 압축 행정 제어 구간 및 흡입 행정 제어 구간을 포함한다. 압축 행정 제어 구간은 제1 압축 행정 제어 구간(T1) 및 제2 압축 행정 제어 구간(T2)을 포함한다. 그리고 흡입 행정 제어 구간은 제1 흡입 행정 제어 구간(T3) 및 제2 흡입 행정 제어 구간(T4)을 포함한다.

제1 압축 행정 제어 구간(T1)은 도 5의 A→B 구간, 즉 피스톤이 하사점에서 상사점 방향으로 직선 운동을 수행하는 구간이다. 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 제1 압축 행정 제어 구간(T1) 동안 피스톤에 가해지는 힘이 증가하도록 미리 설정된 제1 오프셋 값만큼 모터에 인가되는 교류 전압의 크기를 증가시킨다. 이에 따라서 피스톤은 실린더 내의 마찰력 또는 모터에 전달되는 교류 전압과 피스톤의 스트로크 간 위상 차에 의해서 발생하는 피스톤의 이동 방향과 반대로 작용하는 힘을 극복하고 상사점 방향으로 보다 쉽게 이동할 수 있다.

다음으로 제2 압축 행정 제어 구간(T2)은 도 5의 B→C 구간, 즉 피스톤이 상사점에 도달하여 일정 시간 동안 이동하지 않는 구간이다. 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 제2 압축 행정 제어 구간(T2) 동안 피스톤에 가해지는 힘이 일정하도록 모터에 인가되는 교류 전압의 크기를 미리 정해진 제1 전압 값으로 유지시킨다. 이에 따라서 피스톤이 상사점에서 정지 상태를 유지해야 하는 B→C 구간 동안 피스톤이 상사점을 벗어나서 필요 이상으로 냉매를 압축하는 현상을 방지할 수 있다.

다음으로 제1 흡입 행정 제어 구간(T3)은 도 5의 C→D 구간, 즉 피스톤이 상사점에서 하사점으로 직선 운동을 수행하는 구간이다. 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 제1 흡입 행정 제어 구간(T3) 동안 피스톤에 가해지는 힘이 증가하도록 미리 설정된 제2 오프셋 값만큼 모터에 인가되는 교류 전압의 크기를 증가시킨다. 이에 따라서 피스톤은 실린더 내의 마찰력 또는 모터에 전달되는 교류 전압과 피스톤의 스트로크 간 위상 차에 의해서 발생하는 피스톤의 이동 방향과 반대로 작용하는 힘을 극복하고 하사점 방향으로 보다 쉽게 이동할 수 있다.

다음으로 제2 흡입 행정 제어 구간(T4)은 도 5의 D→A 구간, 즉 피스톤이 하사점에 도달하여 일정 시간 동안 이동하지 않는 구간이다. 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 제2 흡입 행정 제어 구간(T4) 동안 피스톤에 가해지는 힘이 일정하도록 모터에 인가되는 교류 전압의 크기를 미리 정해진 제2 전압 값으로 유지시킨다. 이에 따라서 피스톤이 하사점에서 정지 상태를 유지해야 하는 D→A 구간 동안 피스톤이 하사점을 벗어나는 현상을 방지할 수 있다.

도 7은 왕복동식 압축기의 행정 사이클에 따른 피스톤의 위치 및 모터로 인가되는 전류의 파형을 나타낸다.

도 7에는 행정 사이클에 따른 피스톤(702)의 실린더 내에서의 각각의 위치((a) 내지 (d))가 도시되어 있다. 또한 도 7에는 행정 사이클에 따라서 스트로크 추정부(416)에 의해 추정되는 피스톤(702)의 스트로크(x) 및 모터에 인가되는 구동 전류(Ic)의 파형이 각각 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 피스톤(702)은 실린더(704) 내부의 압축공간 내에서 왕복 직선 운동을 수행한다.

도 7에서 (a)는 압축 행정 사이클에서 피스톤(702)이 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 이동하는 도중에 초기점(S)에 위치하고 있는 상태를 나타낸다. 여기서 초기점(S)은 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 중간 지점으로 정의된다. 그러나 실시예에 따라서 초기점(S)은 상사점(TDC)과 하사점(BDC)의 중간 지점이 아닌 다른 지점으로 정의될 수도 있다.

(a)와 같이 피스톤(702)이 초기점(S)에 위치할 때, 모터에 인가되는 구동 전류(Ic)는 최대값(I1)을 나타낸다. 즉 피스톤(702)이 초기점(S)에 위치할 때 모터에 의해서 피스톤에 가장 큰 힘이 공급된다. (a)와 같은 상태에서 피스톤(702)은 모터에 의해서 공급되는 힘과 스프링(708)에 의해 공급되는 탄성력에 의해서 상사점(TDC)을 향하는 방향으로 직선 운동을 수행한다.

다음으로 (b)는 압축 행정 사이클에서 피스톤(702)이 상사점(TDC)에 위치하고 있는 상태를 나타낸다. 이 때 피스톤(702)은 일정 시간 동안 상사점(TDC)에서 정지 상태를 유지하며, 토출 밸브(706)가 열리면서 실린더(704) 내부에서 압축된 냉매가 외부로 토출된다.

압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 일치하여 피스톤(702)이 이상적으로 왕복 직선 운동을 수행할 경우, 피스톤(702)이 초기점(S)을 지나 상사점(TDC)을 향하는 방향으로, 즉 (a)에서 (b) 위치를 향해 이동하는 직선 운동을 수행할 때, 모터에 인가되는 구동 전류(Ic)의 크기는 최대값(I1)에서 0 사이의 값, 즉 0보다 큰 값을 유지한다. 따라서 구동 전류(Ic)의 크기가 0보다 크게 나타나는 것은 모터가 상사점(TDC)을 향하는 방향의 힘을 피스톤(702)에 공급함을 의미한다.

이후 (b)와 같이 피스톤(702)이 상사점(TDC)에 도달하면 구동 전류(Ic)의 크기는 0이 되어 모터에 의해서 피스톤(702)으로 힘이 공급되지 않는 상태가 된다.

다음으로 (c)는 흡입 행정 사이클에서 피스톤(702)이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 이동하는 도중에 초기점(S)에 위치하고 있는 상태를 나타낸다.

압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 일치하여 피스톤(702)이 이상적으로 왕복 직선 운동을 수행할 경우, 피스톤(702)이 하사점(BDC)을 향하는 방향으로, 즉 (b)에서 (c) 위치를 향해 이동하는 직선 운동을 수행할 때, 모터에 인가되는 구동 전류(Ic)의 크기는 0에서 최소값(I2) 사이의 값, 즉 0보다 작은 값을 유지한다. 따라서 구동 전류(Ic)의 크기가 0보다 작게 나타나는 것은 모터가 하사점(BDC)을 향하는 방향의 힘을 피스톤(702)에 공급함을 의미한다.

이후 (c)와 같이 피스톤(702)이 초기점(S)에 도달하면 구동 전류(Ic)의 크기는 최소값(Ic)을 나타낸다. 즉 피스톤(702)이 초기점(S)에 위치할 때 모터에 의해서 피스톤에 가장 큰 힘이 공급된다.

다음으로 (d)는 흡입 행정 사이클에서 피스톤(702)이 하사점(BDC)에 위치하고 있는 상태를 나타낸다.

압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 일치하여 피스톤(702)이 이상적으로 왕복 직선 운동을 수행할 경우, 피스톤(702)이 초기점(S)을 지나 하사점(BDC)을 향하는 방향으로, 즉 (c)에서 (d) 위치를 향해 이동하는 직선 운동을 수행할 때, 모터에 인가되는 구동 전류(Ic)의 크기는 최소값(I2)에서 0 사이의 값, 즉 0보다 작은 값을 유지한다.

이후 (d)와 같이 피스톤(702)이 하사점(BDC)에 도달하면 구동 전류(Ic)의 크기는 0이 되어 모터에 의해서 피스톤(702)으로 힘이 공급되지 않는 상태가 된다.

이상에서 설명된 바와 같이, 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 일치하여 피스톤(702)이 이상적으로 왕복 직선 운동을 수행할 경우, 피스톤(702)이 상사점(TDC)을 향하는 방향으로 이동하는 동안에는 구동 전류(Ic)의 크기가 0보다 큰 값을 유지하고, 반대로 피스톤(702)이 하사점(BDC)을 향하는 방향으로 이동하는 동안에는 구동 전류(Ic)의 크기가 0보다 작은 값을 유지한다.

또한 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 일치하여 피스톤(702)이 이상적으로 왕복 직선 운동을 수행할 경우, 두 개의 사점, 즉 상사점(TDC) 및 하사점(BDC)에서는 각각 모터에 의해서 피스톤(702)에 힘이 공급되지 않는 상태, 다시 말해서 구동 전류(Ic)의 크기가 0을 유지하는 상태가 되어야 한다.

그러나 압축기의 구동 과정에서 발생하는 여러가지 요인들, 예컨대 실린더의 압축 공간 내에 유입되는 냉매의 부피 또는 압력 변화나 피스톤과 실린더 내부의 마찰에 의한 힘 손실 등으로 인하여 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 불일치하는 현상이 나타난다.

이로 인해서, 전술한 바와 같은 피스톤의 이동 방향 또는 위치에 따른 구동 전류(Ic)의 이상적인 공급이 이루어지지 않게 된다. 다시 말해서 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 불일치하게 되면 모터에 의해서 피스톤의 이동 방향과 반대되는 방향의 힘이 피스톤에 공급될 수 있으며, 이는 압축기의 운전 효율 저하 및 소비 전력의 증가로 이어진다.

본 발명에서는 이러한 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수 불일치로 인한 문제를 해결하기 위하여, 피스톤의 왕복 운동 중에 피스톤에 가해지는 힘의 크기를 조절한다. 특히 본 발명에서는 피스톤의 행정 사이클을 고려하여 피스톤의 운동을 가장 효율적으로 제어할 수 있는 제어 구간을 설정하고, 피스톤이 제어 구간에 진입했을 때 미리 설정된 오프셋 값 및 오프셋 시간에 따라서 피스톤에 가해지는 힘을 조절한다.

이러한 제어에 의해서 피스톤의 이동 방향과 반대되는 방향의 힘이 가해지는 현상을 방지할 수 있다. 따라서 압축기의 운전 효율이 향상되고 소비 전력이 감소한다.

도 8 및 도 9는 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 불일치할 때 측정된 피스톤의 스트로크 및 모터에 인가되는 전류의 파형을 나타낸다.

앞서 언급된 바와 같이 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 불일치하게 되면 도 8 또는 도 9에 도시된 바와 같은 스트로크 및 구동 전류의 파형이 나타날 수 있다.

본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치(204)의 제어부(410)는 전류 검출부(412)를 통해서 도 8 또는 도 9와 같이 모터에 인가되는 구동 전류(Ic)를 검출한다. 또한 제어부(410)는 스트로크 추정부(416)를 통해서 도 도 8 또는 도 9와 같은 피스톤의 스트로크(x)를 검출한다.

다음으로 제어부(410)는 앞서 검출된 구동 전류(Ic)와 피스톤의 스트로크(x) 간의 위상차를 산출한다. 본 발명에서 제어부(410)는 피스톤의 스트로크(x) 중 두 개의 사점, 즉 상사점(TDC) 또는 하사점(BDC)에 대응되는 위상(시간 위상)과 구동 전류(Ic)의 제로 크로싱 포인트, 즉 구동 전류(Ic)가 0이 되는 시점의 위상(시간 위상) 간의 차이를 위상차로 산출한다. 본 발명에서 스트로크의 최대값(x1)은 상사점으로 정의되고, 스트로크의 최소값(x2)은 하사점으로 정의된다.

예를 들어 제어부(410)는 도 8에서 상사점(x1)에 대응되는 시간 위상과 제1 제로 크로싱 포인트(z1)에 대응되는 시간 위상 간의 차이를 계산한다. 이 경우 상사점(x1)에 대응되는 시간 위상과 제1 제로 크로싱 포인트(z1)에 대응되는 시간 위상은 서로 일치하므로, 위상차는 0으로 산출된다.

한편, 앞서 설명된 바와 같이 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 일치하는 경우, (d)와 같이 피스톤이 하사점(x2)에 도달하면 모터에 의해서 피스톤에 공급되는 힘은 0이 되어야 한다. 그러나 도 8과 같이 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 불일치하면 하사점(x2)에서 구동 전류(Ic)의 크기가 0이 아닌 값으로 나타나므로, 하사점(x2)에 위치하는 피스톤에는 계속해서 하사점(x2)을 향하는 방향의 힘이 공급되는 현상이 나타난다.

또한 피스톤이 하사점(x2)에서 다시 상사점(x1)을 향해 이동하는 동안에는 상사점(x1)을 향하는 방향의 힘이 피스톤에 공급되도록 구동 전류(Ic)의 크기가 0보다 큰 값으로 유지되어야 한다. 그러나 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 불일치하면, 도 8에 도시된 바와 같이 TX~TI 구간에서 구동 전류(Ic)의 크기가 0보다 작은 값으로 유지됨으로써 피스톤의 이동 방향과 반대되는 방향의 힘이 피스톤에 공급되는 현상이 나타난다.

마찬가지로, 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 불일치하면, 도 9에 도시된 바와 같이 TI~TX 구간에서 구동 전류(Ic)의 크기가 0보다 작은 값으로 유지됨으로써 피스톤의 이동 방향과 반대되는 방향의 힘이 피스톤에 공급되는 현상이 나타난다.

또한 (b)와 같이 피스톤이 상사점(x1)에 도달하면 모터에 의해서 피스톤에 공급되는 힘은 0이 되어야 한다. 그러나 도 9와 같이 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 불일치하면 상사점(x1)에서 구동 전류(Ic)의 크기가 0이 아닌 값으로 나타나므로, 상사점(x1)에 위치하는 피스톤에는 계속해서 하사점(x2)을 향하는 방향의 힘이 공급되는 현상이 나타난다.

결국 이와 같은 현상은 도 8과 같이 하사점(x2)에 대응되는 시간 위상(TX)과 제2 제로 크로싱 포인트(z2)에 대응되는 시간 위상(TI)이 서로 일치하지 않을 때, 또는 도 9와 같이 상사점(x1)에 대응되는 시간 위상(TX)과 제1 제로 크로싱 포인트(z1)에 대응되는 시간 위상(TI)이 서로 일치하지 않을 때 나타난다.

도 10은 왕복동식 압축기의 행정 사이클에 따른 피스톤의 위치 및 모터로 인가되는 교류 전압의 파형을 나타낸다.

도 10을 참조하면, 피스톤(702)은 실린더(704) 내부의 압축공간 내에서 왕복 직선 운동을 수행한다. 앞서 설명된 바와 같이, 도 10에서 (a)는 압축 행정 사이클에서 피스톤(702)이 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 이동하는 도중에 초기점(S)에 위치하고 있는 상태를 나타낸다. 여기서 초기점(S)는 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 중간 지점을 의미한다. (b)는 압축 행정 사이클에서 피스톤(702)이 상사점(TDC)에 위치하고 있는 상태를 나타낸다. 이 때 피스톤(702)은 일정 시간 동안 상사점(TDC)에서 정지 상태를 유지하며 토출 밸브(706)가 열리면서 압축된 냉매가 외부로 토출된다.

(c)는 흡입 행정 사이클에서 피스톤(702)이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 이동하는 도중에 초기점(S)에 위치하고 있는 상태를 나타낸다. 그리고 (d)는 흡입 행정 사이클에서 피스톤(702)이 하사점(BDC)에 위치하고 있는 상태를 각각 나타낸다.

도 10에는 피스톤(702)의 각 위치((a) 내지 (d)) 및 행정 사이클에 따른 피스톤의 위치(x) 및 모터에 인가되는 교류 전압(Vref)의 파형이 각각 도시되어 있다. 도 10에 도시된 바와 같이 압축기의 행정 사이클에 따른 피스톤(702)의 위치(x) 및 피스톤(702)을 이동시키기 위하여 모터에 인가되는 교류 전압(Vref)의 파형은 각각 정현파 형태로 나타난다. 이 때 교류 전압(Vref)은 최대값(V1) 및 최소값(V2)을 가지며 피스톤(702)의 위치(x)보다 빠른 위상(시간 위상)을 갖는다.

본 발명에서는 도 10과 같은 교류 전압(Vref)의 크기를 압축기의 행정 사이클 및 피스톤(702)의 위치(x)를 고려하여 조절함으로써 압축기의 효율을 높이고 냉력 손실을 최소화한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치에 의하여 조절되는 압축기의 행정 사이클에 따른 각 구간별 교류 전압의 파형을 나타낸다.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 압축기의 모터에 인가되는 교류 전압(Vref)의 크기를 조절하기 위한 제어 구간을 설정한다. 본 발명에서 제어 구간은 압축 행정 제어 구간(K1) 및 흡입 행정 제어 구간(J1)을 포함한다.

압축 행정 제어 구간(K1)은 압축 행정 사이클에서 피스톤(702)이 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 이동하는 도중에 거치는 초기점(S)을 기준으로 하여 설정된다. 예컨대 압축 행정 제어 구간(K1)은 도 11과 같이 초기점(S)을 중심점으로 하여 설정될 수도 있고, 초기점(S)을 포함하되 중심점은 초기점(S)이 아닌 다른 지점이 되도록 설정될 수도 있다.

이처럼 본 발명에서 제1 압축 행정 제어 구간(K1)이 초기점(S)을 포함하도록 설정되는 것은 피스톤(702)이 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 이동할 때 초기점(S)에서 가장 속도가 빠르기 때문이다. 따라서 초기점(S)을 중심으로 피스톤(702)에 가해지는 힘을 증가시킬 경우 초기점(S)이 아닌 다른 지점에 힘을 가할 때와 비교하여 같은 힘으로 피스톤을 더 많이 이동시킬 수 있으므로, 압축기의 성능을 가장 효율적으로 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 제어부(410)는 도 11에 도시된 바와 같은 압축 행정 제어 구간(K1)의 시작 지점(KS)을 설정한다. 제어부(410)가 압축 행정 제어 구간(K1)의 시작 지점(KS)을 설정하는 방법은 도 12를 참조하여 후술한다.

압축 행정 제어 구간(K1)의 시작 지점(KS)이 설정되면, 제어부(410)는 스트로크 추정부(416)를 통해 추정된 피스톤(702)의 위치를 시작 지점(KS)과 비교하여 피스톤(702)이 압축 행정 제어 구간(K1)에 진입했는지 여부를 확인한다.

피스톤(702)이 압축 행정 제어 구간(K1)에 진입한 것으로 확인되면, 제어부(410)는 도 11에 도시된 바와 같이 미리 정해진 오프셋 시간(K1) 동안 미리 정해진 제1 오프셋 값(VO1)만큼 모터에 인가되는 교류 전압(Vref)의 크기를 증가시킨다. 이에 따라서 제1 압축 행정 제어 구간(K1) 동안 피스톤(702)에 가해지는 힘의 크기가 증가하게 된다. 이로 인해 피스톤(702)은 보다 빠른 속도로 상사점(TDC) 방향으로 이동할 수 있다.

피스톤(702)이 제1 압축 행정 제어 구간(K1)을 벗어나게 되면 제어부(410)는 모터에 인가되는 교류 전압(Vref)의 크기를 다시 원래 크기로 조정한다.

다음으로, 흡입 행정 제어 구간(J1)은 흡입 행정 사이클에서 피스톤(702)이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 이동하는 도중에 거치는 초기점(S)을 기준으로 하여 설정된다. 예컨대 제1 흡입 행정 제어 구간(J1)은 도 11과 같이 초기점(S)을 중심점으로 하여 설정될 수도 있고, 초기점(S)을 포함하되 중심점은 초기점(S)이 아닌 다른 지점이 되도록 설정될 수도 있다.

이처럼 본 발명에서 흡입 행정 제어 구간(J1)이 초기점(S)을 포함하도록 설정되는 것은 피스톤(702)이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 이동할 때 초기점(S)에서 가장 속도가 빠르기 때문이다. 따라서 초기점(S)을 중심으로 피스톤(702)에 가해지는 힘을 증가시킬 경우 압축기의 성능을 가장 효율적으로 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 제어부(410)는 도 11에 도시된 바와 같은 흡입 행정 제어 구간(J1)의 시작 지점(JS)을 설정한다. 제어부(410)가 흡입 행정 제어 구간(J1)의 시작 지점(JS)을 설정하는 방법은 도 12를 참조하여 후술한다.

흡입 행정 제어 구간(J1)의 시작 지점(JS)이 설정되면, 제어부(410)는 스트로크 추정부(416)를 통해 추정된 피스톤(702)의 위치를 시작 지점(JS)과 비교하여 피스톤(702)이 흡입 행정 제어 구간(J1)에 진입했는지 여부를 확인한다.

피스톤(702)이 흡입 행정 제어 구간(J1)에 진입한 것으로 확인되면, 제어부(410)는 도 11에 도시된 바와 같이 미리 정해진 오프셋 시간(J1) 동안 미리 정해진 제2 오프셋 값(VO2)만큼 모터에 인가되는 교류 전압(Vref)의 크기를 음의 방향으로 증가시킨다. 이에 따라서 제1 압축 행정 제어 구간(K1) 동안 피스톤(702)에 가해지는 힘의 크기가 증가하게 된다. 이로 인해 피스톤(702)은 보다 빠른 속도로 하사점(BDC) 방향으로 이동할 수 있다.

전술한 바와 같이 제어부(410)가 제어 구간(압축 행정 제어 구간 또는 흡입 행정 제어 구간)에서 피스톤에 가해지는 힘을 일시적으로 증가시키면, 피스톤의 이동 속도가 빨라지게 된다. 이처럼 피스톤의 이동 속도가 변화함에 따라서 피스톤의 스트로크 및 모터에 인가되는 구동 전류의 파형 또한 달라지게 된다.

한편, 앞서 도 6을 통해 설명된 바와 같이, 피스톤의 스트로크(x)와 구동 전류(Ic)의 위상 차, 즉 피스톤의 스트로크(x) 중 상사점(TDC) 또는 하사점(BDC)에 대응되는 위상(시간 위상)과 구동 전류(Ic)의 제로 크로싱 포인트, 즉 구동 전류(Ic)가 0이 되는 시점의 위상(시간 위상) 간의 차이가 0이 될 때 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 일치하므로 피스톤은 가장 이상적인 운동을 한다.

그러나 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 일치하지 않을 경우 도 8이나 도 9와 같이 상사점(x1) 또는 하사점(x2)과 구동 전류의 제로 크로싱 포인트(x1 또는 x2) 간의 위상차는 0이 아닌 값으로 유지된다.

따라서 제어부(410)는 피스톤이 제어 구간에 진입하여 교류 전압의 크기를 조정한 이후 피스톤이 제어 구간을 벗어나면, 상사점(x1) 또는 하사점(x2)과 구동 전류의 제로 크로싱 포인트(x1 또는 x2) 간의 차이값(｜TX-TI｜)을 계산한다.

계산된 차이값(｜TX-TI｜)이 0으로 확인될 경우 압축기의 운전 주파수와 공진 주파수가 일치함을 의미하므로 제어부(410)는 차이값(｜TX-TI｜)이 0이 아닌 값으로 나타날 때까지 전술한 교류 전압의 조정을 수행하지 않는다.

그러나 교류 전압의 조정 이후 계산된 차이값(｜TX-TI｜)이 0이 아닌 값으로 나타나면, 제어부(410)는 제어 구간 동안 적용되는 오프셋 값 및 오프셋 시간 중 적어도 하나를 조정한다.

예를 들어 도 11과 같이 압축 행정 제어 구간(K1) 동안 미리 설정된 오프셋 값(VO1) 만큼 교류 전압의 크기를 증가시킨 이후 제어부(410)는 상사점(x1) 또는 하사점(x2)과 구동 전류의 제로 크로싱 포인트(x1 또는 x2) 간의 차이값(｜TX-TI｜)을 계산한다. 확인 결과 차이값(｜TX-TI｜)이 0이 아닌 값으로 나타나면, 제어부(410)는 오프셋 시간(K1)의 변화 없이 오프셋 값(VO1)의 크기를 보다 증가시키거나, 오프셋 값(VO1)의 변화 없이 오프셋 시간(K1)을 증가시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어부(410)는 오프셋 값(VO1)과 오프셋 시간(K1)을 모두 증가시킬 수도 있다.

이와 같이 오프셋 값(VO1)과 오프셋 시간(K1) 중 적어도 하나를 조정한 후, 제어부(410)는 상사점(x1) 또는 하사점(x2)과 구동 전류의 제로 크로싱 포인트(x1 또는 x2) 간의 차이값(｜TX-TI｜)이 0이 될 때까지 제어 구간에서의 교류 전압 조정 및 오프셋 값(VO1)과 오프셋 시간(K1) 중 적어도 하나의 조정을 반복적으로 수행할 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에서 각 제어 구간의 시작 지점을 결정하는 방법을 나타내는 도면이다.

앞서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치의 제어부(410)는 교류 전압을 조정하기 위한 제어 구간, 즉 압축 행정 제어 구간 또는 흡입 행정 제어 구간의 시작 지점을 설정한다.

이와 같은 제어 구간의 시작 지점을 설정하기 위하여, 제어부(410)는 전류 검출부(412)를 통해 검출되는 구동 전류의 파형 및 전압 검출부(414)를 통해 검출되는 구동 전압의 파형을 확인한다.

제어부(410)는 도 12와 같이 구동 전류의 제로 크로싱 포인트(0)로부터 구동 전류의 피크(peak) 지점(Imax)까지의 시간 간격(Δt)을 산출한다.

참고로 이상적인 구동 전류의 파형은 정현파에 가깝게 나타나지만 실제로 압축기의 구동 과정에서는 도 12에 도시된 바와 같이 구동 전류의 파형에 왜곡이 발생한다. 따라서 제어부(410)는 한 주기 동안 측정된 구동 전류의 값을 일일이 확인하여 구동 전류의 피크 지점(Imax) 및 그에 대응되는 시점을 확인한다.

제어부(410)는 이와 같이 확인된 시간 간격(Δt)을 기초로 제어 구간의 시작 지점을 설정한다. 즉, 제어부(410)는 도 12에 도시된 교류 전압의 제로 크로싱 포인트(0)로부터 앞서 확인된 시간 간격(Δt)만큼 떨어진 지점(KS)을 압축 행정 제어 구간의 시작 지점으로 설정한다. 도면에는 도시되지 않았으나 흡입 행정 제어 구간의 시작 지점(JS) 또한 이와 유사한 방법으로 산출될 수 있다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 운전 제어 장치는 피스톤의 왕복 운동에 따른 피스톤의 위치뿐만 아니라 압축기의 행정 사이클, 즉 압축 사이클 및 흡입 사이클을 함께 고려하여 압축기의 운전을 제어한다. 이에 따라서 종래 피스톤의 위치만을 고려하는 제어 방법에 비해서 압축기의 효율을 높일 수 있으며 냉력 손실을 개선할 수 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (6)

1. 외부 전원으로부터 입력되는 교류 전원을 정류하여 출력하는 정류부;
   상기 정류부에 의해서 출력되는 전압을 평활화하여 직류 전압을 출력하는 평활화부;
   상기 평활화부로부터 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터에 제공하는 인버터부;
   상기 모터에 인가되는 상기 교류 전압을 조절하여 압축기 내부의 피스톤의 왕복 운동을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는
   상기 모터에 인가되는 구동 전류 및 상기 교류 전압에 기초하여 상기 피스톤에 가해지는 힘을 조절하기 위한 제어 구간의 시작 지점을 설정하고, 상기 피스톤이 상기 제어 구간에 진입하면 미리 설정된 오프셋 값 및 미리 설정된 오프셋 시간에 따라서 상기 교류 전압의 크기를 조절하는
   왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어 구간은
   압축 행정 제어 구간 및 흡입 행정 제어 구간을 포함하는
   왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 피스톤이 상기 제어 구간에 진입하면 상기 오프셋 시간 동안 상기 오프셋 값만큼 상기 교류 전압의 크기를 증가시키는
   왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어 구간은
   상기 피스톤의 초기점을 기준으로 하여 설정되는
   왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 구동 전류의 제로 크로싱 포인트(zero crossing point)로부터 상기 구동 전류의 피크(peak) 지점까지의 시간 간격을 산출하고, 상기 교류 전압의 제로 크로싱 포인트로부터 상기 시간 간격만큼 떨어진 지점을 상기 제어 구간의 시작 지점으로 설정하는
   왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 오프셋 값 및 상기 오프셋 시간에 따라서 상기 교류 전압의 크기를 조절한 이후 상기 피스톤의 사점에 대응되는 시간 위상 및 상기 구동 전류의 제로 크로싱 포인트에 대응되는 시간 위상 간의 차이값을 계산하고, 상기 차이값이 0이 아닐 경우 상기 오프셋 값 및 상기 오프셋 시간 중 적어도 하나를 조정하는
   왕복동식 압축기의 운전 제어 장치.

Images