KR20210023063A - 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치 - Google Patents

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Abstract

리니어 압축기의 피스톤 락(lock) 검출장치가 개시된다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치는 리니어 압축기의 모터전류 및 모터전압을 검출하여 모터전류와 모터전압의 위상차를 획득하고 모터전류와 모터전압 간의 위상차에 기초하여 리니어 압축기의 피스톤 락 여부를 검출하도록 한다.

Description

리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치{APPARATUS FOR DETECTING PISTON'S LOCK OF LINEAR COMPRESSOR}
본 발명은 리니어 압축기의 피스톤 락(lock) 검출장치에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동기기, 예컨대 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 선형으로 직선왕복 운동하면서 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출시킨다.
왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 크게 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분된다.
레시프로 방식은 회전하는 모터(Motor)에 크랭크샤프트(Crankshaft)를 결합하고 크랭크샤프트에 피스톤을 결합하여 모터의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 변환하는 방식이다.
리니어 방식은 직선 운동하는 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.
리니어 방식의 왕복동식 압축기(이하, 리니어 압축기(Linear Compressor)라 함)를 냉장고나 공기조화기에 이용할 경우에는 리니어 압축기에 인가되는 스트로크 전압를 변경함에 따라 압축비(Compression Ratio)를 변경할 수 있어 냉력(Freezing Capacity) 가변 제어에도 사용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 종래기술에서는 리니어 압축기의 운전 효율을 향상시킬 수 있는 기술이 다수 개시되어 있다. 예컨대, 공개특허공보 10-2013-0159529에는 리니어 압축기의 공진운전에 대해 기술이 개시되고, 공개특허공보 10-2018-0087800에는 최대 효율 운전을 위해 모터의 전류와 스트로크 간 위상차에 기초하여 리니어 압축기가 공진위상으로 구동되는 방법이 개시된다.
위 선행문헌들을 포함하여 종래기술에서는 리니어 압축기를 효율적으로 구동 및 제어하는 방법에 대하여 기술하고 있지만, 리니어 압축기의 구동중에 실린더의 내부에서 피스톤이 직선왕복운동하지 못하고 특정 위치에 고정 정지되는 현상인 피스톤 락을 정확히 검출하는 방법이 제시되지 않고 있다.
리니어 압축기의 실린더 내부에 피스톤이 직선왕복운동하는 중 피스톤과 실린더의 마찰로 인해 발생하는 이물질이나 윤활유 고착물 등이 피스톤과 실린더 사이에 끼어 피스톤이 직선왕복운동을 하지 못하고 한 위치에 고정 정지될 수 있다.
종래에 리니어 압축기에서 피스톤 락이 발생하면 리니어 압축기의 운전효율이 저하되고 피스톤 락을 즉시 검출하지 못하면 피스톤이 락된 상태에서 전류가 인가되므로 전류의 소모가 발생하는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0159529호 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0087800호
본 발명은 리니어 압축기가 구동되는 중에 실린더 내 피스톤의 락을 검출할 수 있는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치를 제공한다.
본 발명은 리니어 압축기에서 피스톤의 락으로 인한 전류소모를 줄일 수 있도록 하는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치를 제공한다.
본 발명은 리니어 압축기에서 피스톤의 락으로 인한 리니어 압축기의 운전효율 저감을 줄일 수 있도록 하는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치를 제공한다.
본 발명은 리니어 압축기의 모터전류 및 모터전압을 검출하여 모터전류와 모터전압의 위상차를 획득하고 모터전류와 모터전압 간의 위상차에 기초하여 리니어 압축기의 피스톤 락 여부를 검출하도록 한다.
상기 피스톤의 왕복직선이동에 따른 스트로크는 모터전압과 모터전류의 위상차와 관련성이 있으므로 모터전압과 모터전류의 위상차를 직접 산출하여 상기 위상차에 따라 피스톤의 이동여부를 판단할 수 있다.
본 발명에서는 모터전압과 모터전류의 위상차가 0~45도 사이를 유지하면 피스톤이 정상적으로 이동하는 것으로 판단하고, 85~90도 사이를 일정시간 이상 유지되면 피스톤 락으로 검출할 수 있다. 상기 일정시간은 90초가 될 수 있다.
본 발명은 리니어 압축기가 구동되는 중에 리니어 압축기의 실린더 내 피스톤이 락되는 것을 검출할 수 있으므로 작업자가 조치를 즉시 취할 수 있다.
본 발명은 리니어 압축기에서 피스톤의 락 검출에 따라 리니어 압축기의 운전을 즉시 중지할 수 있으므로 전력 낭비를 줄일 수 있다.
본 발명은 리니어 압축기의 피스톤 락 검출을 즉각 검출가능하므로 빠른 수리가 가능하여 리니어 압축기의 운전효율 저감을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 정상운전시 모터전류와 모터전압의 위상차를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기 관련 파라미터들의 그래프이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에서 피스톤 락에 따른 모터전류와 모터전압의 위상차를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에서 피스톤 락 상태에서 모터전압과 모터전류를 검출한 실험예의 결과 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에서 피스톤의 락 검출장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치(100)는 센싱부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
리니어 압축기(10)는 구동부(20)에 의해 구동될 수 있다.
구동부(20)는 제어부(120)로부터 출력되는 제어신호에 기초하여 리니어 압축기(10)의 모터(30)를 구동하기 위한 구동신호를 생성할 수 있다.
구동부(20)는 구동신호를 리니어 압축기(10)로 인가하여 리니어 압축기(10)를 구동시킬 수 있다.
여기서, 구동신호는 교류 전압 또는 교류 전류의 형태일 수 있다.
한편, 구동부(20)는 인버터(inverter) 또는 트라이악(triac)을 포함할 수 있다.
센싱부(110)는 리니어 압축기(10)의 모터전류를 검출하는 전류검출부(111)를 포함할 수 있다.
구동부(20)에서 리니어 압축기(10)에 구동신호를 인가하여 리니어 압축기(10)의 모터(11)에 전류가 인가되면 전류검출부(111)는 리니어 압축기(10)의 모터전류를 검출할 수 있다.
센싱부(110)는 리니어 압축기(10)의 모터전압을 검출하는 전압검출부(112)를 포함할 수 있다.
구동부(20)에서 리니어 압축기(10)에 구동신호를 인가하여 리니어 압축기(10)의 모터(11)에 전압이 인가되면 전압검출부(112)는 리니어 압축기(10)의 모터전압을 검출할 수 있다.
제어부(120)는 센싱부(110)의 전류검출부(111) 및 전압검출부(112)에 의해 각각 검출된 모터전류 및 모터전압에 기초하여 제어신호를 생성하고 구동부(20)로 제어신호를 출력할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 생성된 전압제어신호 형태로 제어신호를 구동부(20)에 출력할 수 있다.
한편, 제어부(120)는 센싱부(110)에 의해 검출된 모터전압 및 모터전류의 위상을 각각 획득할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 모터전압 및 모터전류의 위상을 이용하여 모터전류와 모터전압 간의 위상차를 계산할 수 있다.
리니어 압축기(10)에서 피스톤은 실린더 내부에서 일정 스트로크(행정거리)로 왕복직선운동을 할 수 있다. 피스톤의 스트로크가 변경됨에 따라 모터전류와 모터전압 간의 위상차가 변경될 수 있다.
예컨대, 피스톤의 스트로크가 증가하게 되면 모터전류와 모터전압 간의 위상차는 감소할 수 있고 피스톤의 스트로크가 감소하게 되면 모터전류와 모터전압 간의 위상차는 증가할 수 있다. 그리고, 피스톤 락으로 인해 피스톤의 스트로크가 정지하면 모터전류와 모터전압 간의 위상차는 고정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 피스톤의 스트로크에 따른 모터전류 및 모터전압의 위상차를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 상기 리니어 압축기 관련 파라미터들의 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 리니어 압축기(10)의 모터(11)는 유도성 부하이므로 모터전압(Vm)의 위상이 모터전류(im)의 위상보다 항상 앞선다.
또한, 리니어 압축기(10)의 피스톤이 정상적인 스트로크로 운동이 이루어지는 경우 모터전류(im)와 스트로크(x)의 위상차는 변하고 피스톤이 상사점(TDC:Top Dead Center)에 도달하는 시점에서 변곡점을 형성할 수 있다.
제어부(120)는 모터전압(Vm)과 모터전류(im)를 근거로 피스톤의 스트로크(x)를 산출할 수 있다. 즉, 모터전압(Vm)의 위상과 모터전류(im)의 위상차를 이용하여 피스톤의 스트로크(x)의 위상을 산출할 수 있다.
이때, 모터전류(im)와 스트로크(x)의 위상차가 변곡점을 형성하면 피스톤이 상사점(TDC)에 도달한 것으로 판단할 수 있으며, 이로써 피스톤의 이동방향이 전환되도록 모터(11)를 제어할 수 있다.
한편, 리니어 압축기(10)에서는 피스톤이 정상적으로 직선왕복운동을 하게 되면 스트로크(x)가 정상적으로 상사점(TDC)과 하사점(BDC:Bottom Dead Center) 사이를 반복해서 이동할 수 있다.
스트로크(x)는 모터전류(im)와 모터전압(Vm) 간의 위상차로부터 산출할 수 있으므로 스트로크(x)에 의해 모터전류(im)와 모터전압(Vm) 간의 위상차도 변경될 수 있다.
피스톤의 스크로크(x)가 증가하는 동안에는 모터전류(im)와 모터전압(Vm) 간의 위상차(θ)는 감소하고 피스톤의 스트로크(x)가 감소하게 되면 모터전류(im)와 모터전압(Vm) 간의 위상차(θ)는 증가한다.
만약, 피스톤의 스트로크(x)가 락되어 특정 위치에 고정정지하는 경우에는 모터전류(im)와 모터전압(Vm) 간의 위상차(θ)는 일정한 값을 유지하게 된다.
피스톤의 락에 대응하는 모터전류(im)와 모터전압(Vm) 간 위상차(θ)에 대하여 도 4 및 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에서 피스톤 락에 따른 모터전류와 모터전압의 위상차를 나타낸 도면이다.
먼저, 리니어 압축기(10)에서의 모터전압(Vm)은 다음과 같이 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Vm은 모터전압, R은 모터저항, L은 모터인덕턴스, α는 모터상수, x는 스트로크이다.
피스톤이 정상적으로 이동하는 경우에는 스트로크가 상사점에서 하사점 사이를 이동하므로 x이 변하게 된다.
이때, 도 3에서와 같이 αx 값이 실시간으로 변하게 되므로 모터전압(Vm)과 모터전류(im) 간의 위상차(θ)는 0~ 45도 사이에서 존재하게 된다.
그러나, 피스톤이 락되어 특정 위치에 고정되면 스트로크는 발생하지 않는다.
이 경우, 도 4에서와 같이 x가 0이 되어 상기 수학식 1의 모터전압(Vm)은 하기와 같이 된다.
Figure pat00002
이때, L은 R보다 월등히 크기 때문에(L >> R), 모터전압(Vm)과 모터전류(im) 간의 위상차(θ)는 90도에 가깝다.
따라서, 위상차(θ)는 모터전류(im)의 위상 - 모터전압(Vm)의 위상이 된다.
모터는 유도성 부하이므로 전압이 전류보다 항상 앞선다.
이와 같이, 본 발명에서는 피스톤의 스트로크에 대응하여 모터전압(Vm)과 모터전류(im) 간의 위상차(θ)를 확인할 수 있다.
그리고, 모터전압(Vm)과 모터전류(im) 간의 위상차(θ)가 0~45도를 유지하는 경우에는 피스톤이 정상적으로 직선왕복운동을 수행하는 것으로 판단할 수 있다.
그리고 상기 위상차(θ)가 90도에 가깝게 유지되는 경우에는 피스톤이 정지된 상태, 즉 피스톤 락으로 판단할 수 있다.
여기서, 피스톤 락이 아니라 다른 요인이나 일시적인 노이즈 신호에 의해 모터전압(Vm)과 모터전류(im) 간의 위상차(θ)가 일시적으로 90도를 유지할 수 있으느로, 본 발명에서는 일정한 시간동안 그 위상차가 90도를 유지하는 경우에 피스톤 락으로 판단할 수 있다.
예컨대, 본 실시예에서는 90도 이상 상기 위상차가 90도를 유지하는 경우에 피스톤 락으로 판단할 수 있다.
또한, 리니어 압축기(10)에서 모터전압(Vm)과 모터전류(im)의 노이즈 신호를 감안하여 위상차가 85~90도를 90초 이상 유지하는 경우에 피스톤 락으로 판단할 수 있다. 이러한 위상차 및 시간의 수치는 리니어 압축기(10)의 특성에 따라 변경될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에서 피스톤 락 상태에서 모터전압과 모터전류를 검출한 실험예의 결과 그래프이다.
도 6의 실험예 그래프에서 확인할 수 있듯이, 리니어 압축기(10)에서 피스톤 락이 발생하여 피스톤이 고정된 상태에서는 모터전압(Vm)과 모터전류(im) 간의 위상차(θ)가 90도를 유지함을 알 수 있다.
또한, 피스톤 락이 계속 유지되는 경우 모터전압(Vm)과 모터전류(im) 간의 위상차(θ)는 일정시간 이상 계속 유지됨을 알 수 있다.
이와 같이 피스톤 락이 발생한 경우에는 매주기마다 모터전압(Vm)이 모터전류(im)보다 90도 앞서 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 리니어 압축기(10)에서 모터전압(Vm)과 모터전류(im) 간의 위상차(θ)가 0~45도를 유지하지 않고 일정한 시간동안 90도에 가깝게 유지되는 경우에 피스톤 락으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
리니어 압축기는 다양한 산업분야에서 사용되고 있다. 이러한 장치에서는 피스톤의 위치를 효율적으로 제어하는 기술의 개발이 계속 진행되고 있다.
본 명세서에는 일 예시로서 공기조화기나 냉장고 등에 적용되는 리니어 압축기에 대하여 기술하고 있으나, 본 발명은 리니어 압축기가 적용되는 다른 장치나 시스템에도 물론 적용가능함을 밝혀둔다.
10 : 리니어 압축기 11 : 모터
20 : 구동부 110 : 센싱부
111 : 전류검출부 112 : 전압검출부
120 : 제어부

Claims (7)

  1. 리니어 압축기의 모터전류 및 모터전압을 검출하는 센싱부; 및
    상기 검출된 모터전류와 모터전압의 위상차를 획득하고 상기 모터전류와 모터전압의 위상차에 기초하여 상기 리니어 압축기의 피스톤 락 여부를 검출하는 제어부를 포함하는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 위상차가 설정범위에서 설정시간 이상 유지되면 상기 리니어 압축기의 피스톤 락으로 검출하는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 85~90도의 위상차가 90초 이상 유지되면 피스톤 락으로 검출하는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피스톤 락이 발생한 경우 상기 모터전압이 상기 모터전류보다 85~90도 앞선 위상을 갖는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 압축기의 모터를 구동하는 구동부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 센싱부에 의해 검출된 모터전류 및 모터전압을 기초로 상기 구동부를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 출력하는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출장치.
  6. 리니어 압축기의 모터에 인가된 모터전류 및 모터전압을 검출하는 단계;
    상기 검출된 모터전류와 모터전압의 위상차를 획득하는 단계;
    상기 모터전류와 모터전압의 위상차에 기초하여 상기 리니어 압축기의 피스톤 락 여부를 검출하는 단계를 포함하는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 85~90도의 위상차가 설정시간 이상 유지되면 피스톤 락으로 검출하는 리니어 압축기의 피스톤 락 검출방법.
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