WO2011062427A2 - 리니어 압축기 - Google Patents

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WO2011062427A2
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박신현
김용태
김영글
이훈봉
강계룡
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엘지전자 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a linear compressor of the present invention, and more particularly, to a linear compressor capable of providing greater power and cooling power by varying a frequency at high loads.
  • a motor is also provided in a compressor, a mechanical device that increases power by compressing air, refrigerant, or various working gases by receiving power from a power generator such as an electric motor or a turbine. Or widely used throughout the industry.
  • a reciprocating compressor for compressing the refrigerant while linearly reciprocating the piston inside the cylinder is formed by forming a compression space in which the working gas is absorbed and discharged between the piston and the cylinder.
  • Rotary compressor that compresses the refrigerant while the roller is eccentrically rotated along the inner wall of the cylinder so that a compression space for absorbing and discharging the working gas is formed between the reciprocating compressor and the eccentrically rotating roller and the cylinder.
  • Scroll compressor that compresses the refrigerant while the rotating scroll rotates along the fixed scroll by forming a compression space for absorbing and discharging the working gas between the orbiting scroll and the fixed scroll.
  • the piston is directly connected to the reciprocating linear motion drive motor, so that there is no mechanical loss due to the motion conversion to improve the compression efficiency as well as a simple linear compressor has been developed a lot.
  • FIG. 1 is a block diagram of a motor control device applied to a linear compressor according to the prior art.
  • the motor control apparatus applies a diode bridge 11 for receiving and rectifying an AC power, which is a commercial power source, and outputting the rectified part, a rectifying unit including a capacitor C1 smoothing the rectified voltage, and applying a DC voltage.
  • a motor including an inverter unit 12, a motor 13, and a capacitor C2 connected in series with the motor 13, which are converted into an AC voltage according to a control signal from the controller 17 and provided to the motor unit.
  • a voltage detector 14 that detects the voltage across the capacitor C1
  • a current detector 15 that detects a current flowing in the motor unit, a sense voltage from the voltage detector 14, and a current detector 15
  • a calculation unit 16 for calculating the counter electromotive force (EMF) from the sense current from the control unit 16, and a control unit 17 for generating a control signal by reflecting the deferred power from the calculation unit 16 and the sense current from the current detection unit 15.
  • the linear compressor according to the prior art of FIG. 1 requires a cost and space for providing the capacitor C2 in the linear compressor due to the capacitor C2 connected in series with the motor 13.
  • the capacity of the capacitor C2 determines the variable cooling power according to the load, but in the prior art, it is not easy to change the capacity of the capacitor C2, and a plurality of capacitors are provided to selectively connect the capacitors.
  • cost and space also come with design difficulties.
  • FIG. 2 is a graph showing changes in the input voltage and the stroke of the motor in FIG. 1.
  • simply removing the capacitor C2 reduces the voltage applied to the motor at a larger stroke, that is, in the region close to the top dead center (TDC), as shown in FIG. A phenomenon (jumping phenomenon) occurs, and the cold stroke variable operation (under stroke operation) becomes impossible.
  • TDC top dead center
  • An object of the present invention is to provide a linear compressor capable of variable cooling control while removing a capacitor connected to a motor of the linear compressor.
  • the linear compressor according to the present invention includes a fixed member including a compression space therein, a movable member for compressing refrigerant sucked into the compression space while reciprocating linearly moving inside the fixed member, and installed to elastically support the movable member in the direction of movement of the movable member.
  • a mechanical unit comprising at least one spring and a motor installed to be connected to the movable member to reciprocate linearly the movable member in the axial direction, a rectifier for receiving an AC power and outputting the DC voltage, and a control signal applied to the DC voltage.
  • the inverter unit converts into an AC voltage and provides the motor to the motor, a voltage sensing unit sensing a DC voltage by the rectifier unit, a current sensing unit sensing a current flowing between the motor and the inverter unit, and a current from the current sensing unit
  • the required voltage of the motor is calculated from the
  • the control unit generates a control signal for controlling the frequency of the AC voltage converted by the inverter unit and comprises an electric control unit including a control unit for applying to the inverter unit.
  • the degree of change of the frequency of the AC voltage is proportional to the voltage difference between the required voltage and the DC voltage.
  • a required voltage becomes small according to the frequency change of an alternating voltage.
  • the controller integrates the current from the current sensing unit, calculates the attenuation voltage by multiplying the integrated value by a constant (1 / Cr), and calculates the required voltage by the difference between the set voltage and the attenuation voltage.
  • the controller when the required voltage is less than or equal to the DC voltage of the voltage sensing unit, the controller preferably generates and applies a control signal to the inverter so that an AC voltage according to the currently set frequency is applied to the motor.
  • the linear compressor of the present invention is a fixed member including a compression space therein, a movable member for compressing the refrigerant sucked into the compression space while reciprocating linear motion inside the fixed member, and the movable member elastically supports in the movement direction of the movable member
  • a mechanical unit comprising at least one spring installed to be connected to the movable member and a motor installed to be connected to the movable member to reciprocate linearly the movable member in the axial direction, a rectifier for receiving an AC power and outputting the DC voltage, and receiving a DC voltage
  • the inverter unit converts into an AC voltage according to the control signal and provides the motor to the motor, and controls the controller so that the frequency of the AC voltage converted by the inverter unit is changed when the load is high.
  • control method of the linear compressor of the present invention includes the steps of applying a DC voltage to the inverter unit; Converting the inverter unit into an AC voltage according to a control signal and applying the same to a motor; Sensing a current flowing between the motor and the inverter unit; Calculating a required voltage of the motor from the sensed current; If the calculated required voltage is greater than the DC voltage applied to the inverter unit, generating a control signal for changing the frequency of the AC voltage applied to the motor unit and applying to the inverter unit.
  • the present invention has the effect of allowing variable cooling control while removing the capacitor connected to the motor of the linear compressor.
  • the present invention has the effect of allowing greater power to be applied to the motor at a lower voltage under high load conditions.
  • the present invention has the effect that the cooling force corresponding to the high load is generated by reducing the required voltage to the motor, without additional circuit connection.
  • FIG. 1 is a block diagram of a motor control device applied to a linear compressor according to the prior art.
  • FIG. 2 is a graph showing changes in the input voltage and the stroke of the motor in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a control block diagram of the linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 4 is a control embodiment of the control unit of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 6 is a vector diagram of a linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing a relationship between a frequency and a required voltage in the linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 3 is a control configuration diagram of the linear compressor according to the present invention
  • FIG. 4 is a control embodiment of the control unit of FIG. 3.
  • the control configuration of the linear compressor includes a rectifier 21 for rectifying and smoothing and outputting an AC power, which is a commercial power source, and an AC according to a control signal from the controller 25 under a DC voltage.
  • Inverter section 22, which is converted into voltage and provided to motor 23, motor 23 including coil L, and coil 23 in motor 23 and inverter section 22 or motor 23 Calculate a motor applied voltage (Vmotor) to be applied to the motor 23 on the basis of the current sensing unit 24 for detecting the current flowing through the current and the sensed current from the current sensing unit 24, the load condition
  • the control unit 25 and the voltage sensing the magnitude of the DC voltage from the rectifier 21 to generate and apply a control signal corresponding to the inverter unit 22 to vary the frequency of the motor applied voltage (Vmotor) according to the
  • the sensing unit 26 is made.
  • the configuration for supplying the voltage required for the control unit 25, the current sensing unit 24, the voltage sensing unit 26, and the like corresponds to a technical configuration that is natural to
  • the rectifier 21 includes a diode bridge for performing a general rectification function, a capacitor for smoothing the rectified voltage, and the like.
  • the inverter unit 22 is a means for receiving a DC voltage, generating an alternating voltage, and applying the alternating voltage to the motor 23.
  • the inverter unit 22 turns on / off the IGBT element according to the control signal from the IGBT element and the control unit 25. It is provided with the gate control part etc. which turn off.
  • the inverter unit 22 is only a degree that is naturally recognized by those familiar with the technical field to which the present invention belongs, and the description thereof is omitted.
  • the motor 23 has the coil L in the same way as a general motor in other mechanical configurations, but unlike the prior art, it does not include a capacitor.
  • the current sensing unit 24 is an element that senses a current flowing in the conductive line between the inverter unit 22 and the motor 23 or senses a current flowing in the coil L of the motor 23.
  • the voltage detector 26 is a device that detects a DC voltage output from the rectifier 21. In this case, the voltage detector 26 may detect the total DC voltage, or may detect the DC voltage reduced at a predetermined ratio.
  • the controller 25 receives a start command of the linear compressor from the outside, or generates a control signal for applying a predetermined applied voltage Vin to the motor 23 when AC commercial power is applied, thereby generating an inverter unit ( 22). Accordingly, the inverter unit 22 generates an AC voltage corresponding to the applied voltage Vin and applies it to the motor 23.
  • the current sensing unit 24 detects the current i from the inverter unit 22 to the motor 23 or the current i flowing through the coil L of the motor 23.
  • the controller 25 receives the current i from the current detector 24 and performs a process as shown in FIG. 4.
  • the applied voltage Vin in this embodiment will correspond to the voltage applied by the inverter unit in the conventional compressor, and is fixed or variable according to the control algorithm of the nia compressor.
  • the integrator 25a and the attenuator 25b correspond to the attenuation calculation unit that attenuates the influence of inductance by the coil L of the motor by using the current i flowing in the motor 23. That is, in this embodiment, since there is no capacitor connected to the coil L of the motor 23, the inductance effect by the coil L is controlled by controlling the motor applied voltage Vmotor applied to the motor 23 to reduce it. will be.
  • the constant 1 / Cr in the attenuator 25b may be fixed or variably set according to the size of the coil L of the motor 23.
  • the constant 1 / Cr may be determined accordingly.
  • the constant 1 / Cr may be determined accordingly.
  • the control unit 25 After the motor application voltage Vmotor is calculated, the control unit 25 generates a control signal for causing the inverter unit 22 to apply the calculated motor application voltage Vmotor to the motor 23, thereby inverting the inverter. It applies to the part 22. That is, the controller 25 allows the sensed current i to be fed back to the motor applied voltage Vmotor, thereby controlling the operation of the motor 23 even when the capacitor is not connected to the motor 23. . In the present invention, since the counter electromotive force is reflected and fed back to the current i, it does not need to be considered separately.
  • the motor applied voltage Vmotor which is a required voltage
  • the motor applied voltage Vmotor that is, the maximum value
  • the direct current voltage Vdc direct current voltage
  • the control unit 25 changes the frequency of the AC voltage applied from the inverter unit 22 to the motor 23, so as to reduce the motor applied voltage Vmotor, which is a necessary voltage, but maintain the required cooling force.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a linear compressor according to the present invention.
  • an inlet pipe 32a and an outlet pipe 32b through which refrigerant is flowed in and out of one side of the sealed container 32 are installed, and a cylinder is formed inside the sealed container 32.
  • the piston 34 is installed to be fixed, and the piston 36 is installed inside the cylinder 34 so as to reciprocate linear movement so as to compress the refrigerant sucked into the compression space P inside the cylinder 34.
  • an intake valve 52 is installed at one end of the piston 36 in contact with the compression space P
  • a discharge valve assembly 54 is installed at one end of the cylinder 34 in contact with the compression space P. The intake valve 52 and the discharge valve assembly 54 are automatically adjusted to open and close according to the pressure in the compression space P, respectively.
  • the airtight container 32 is installed so that the upper and lower shells are coupled to each other so that the inside is sealed, and an inlet tube 32a through which the refrigerant is introduced and an outlet tube 32b through which the refrigerant is discharged are installed, and a cylinder ( 34, the piston 36 is installed so as to be elastically supported in the movement direction for reciprocating linear motion, and the linear motors 40 are assembled to each other by the frame 48 outside the cylinder 34 to form an assembly.
  • the assembly is installed to be elastically supported by the support spring 59 on the bottom surface of the sealed container (32).
  • a predetermined oil is contained in the bottom surface of the airtight container 32, and an oil supply device 60 for pumping oil is installed at the bottom of the assembly, and oil is supplied to the inside of the lower frame 48 of the assembly.
  • An oil supply pipe 48a is formed to be supplied between the cylinders 34, so that the oil supply device 60 is operated by the vibration generated by the reciprocating linear movement of the piston 36 to pump oil, and The oil is supplied to the gap between the piston 36 and the cylinder 34 along the oil supply pipe 48a to cool and lubricate.
  • the cylinder 34 is formed in a hollow shape so that the piston 36 can reciprocate linearly, and a compression space P is formed at one side, and one end is located close to the inside of the inlet pipe 32a. It is preferable to be provided on the same straight line as the inflow pipe 32a.
  • the cylinder 34 has a piston 36 installed in one end close to the inlet pipe 32a so as to reciprocate linearly, and a discharge valve assembly 54 is installed at one end opposite to the inlet pipe 32a. .
  • the discharge valve assembly 54 is a discharge cover 54a is installed to form a predetermined discharge space on one end of the cylinder 34, and the discharge valve is installed to open and close one end of the compression space (P) side of the cylinder ( 54b) and a valve spring 54c, which is a kind of coil spring that imparts an elastic force in the axial direction between the discharge cover 54a and the discharge valve 54b, and has an O-ring R around one end of the cylinder 34. It is installed so that the discharge valve 54a is in close contact with one end of the cylinder (34).
  • a curved loop pipe 58 is installed between one side of the discharge cover 54a and the outlet pipe 32b.
  • the loop pipe 58 not only guides the compressed refrigerant to be discharged to the outside. Vibration caused by the interaction of the cylinder 34, the piston 36, and the linear motor 40 buffers the transmission of the entire sealed container 32.
  • valve spring 54c is compressed to open the discharge valve 54b.
  • the refrigerant is discharged from the compressed space P, and then completely discharged along the loop pipe 58 and the outlet pipe 32b.
  • the piston 36 has a refrigerant passage 36a formed at the center so that the refrigerant flowing from the inlet pipe 32a flows, and one end of the piston 36 adjacent to the inlet pipe 32a is connected by the linear motor. 40 is installed to be directly connected, and the suction valve 52 is installed at one end of the inflow pipe 32a in the opposite direction, and is installed to be elastically supported by various springs in the movement direction of the piston 36.
  • the suction valve 52 is formed in a thin plate shape so that the center portion is partially cut to open and close the refrigerant passage 36a of the piston 36, and one side is fixed by a screw to one end of the piston 36a. It is installed as possible.
  • the suction valve 52 is opened to compress the refrigerant.
  • the suction in the space P and the pressure in the compression space P becomes equal to or greater than a predetermined suction pressure, the refrigerant in the compression space P is compressed while the suction valve 52 is closed.
  • the piston 36 is installed so as to be elastically supported in the movement direction.
  • a piston flange 36b protruding in a radial direction at one end of the piston 36 proximate to the inflow pipe 32a includes a mechanical spring such as a coil spring or the like.
  • the refrigerant is elastically supported in the movement direction of the piston 36 by 38a, 38b, and the refrigerant contained in the compression space P on the opposite side to the inflow pipe 32a acts as a gas spring by its elastic force, thereby causing the piston 36 It will elastically support.
  • the mechanical springs 38a and 38b have a constant mechanical spring constant K m regardless of the load, and the mechanical springs 38a and 38b are fixed to the linear motor 40 based on the piston flange 36b.
  • the predetermined support frame 56 and the cylinder 34 are installed side by side in the axial direction, respectively, the mechanical spring 38a supported by the support frame 56 and the mechanical spring 38a installed in the cylinder 34.
  • the gas spring has a variable gas spring constant (K g ) depending on the load, the gas contained in the compression space (P) is the elastic force increases as the pressure of the refrigerant increases as the ambient temperature increases.
  • K g variable gas spring constant
  • the gas spring has a larger gas spring constant K g as the load increases.
  • the mechanical spring constant (K m ) is constant, while the gas spring constant (K g ) is variable depending on the load, so the overall spring constant is also variable depending on the load, and the natural frequency (f n ) of the piston is also the gas It depends on the spring constant K g .
  • this load can be measured in various ways, but since such a linear compressor is configured to be included in a refrigeration / air conditioning cycle in which the refrigerant is compressed, condensed, evaporated, and expanded, the load is the condensing pressure which is the pressure at which the refrigerant is condensed. It can be defined as the difference in the evaporation pressure, which is the pressure at which the refrigerant is evaporated, and further determined in consideration of the average pressure obtained by averaging the condensation pressure and the evaporation pressure in order to increase the accuracy.
  • the load is calculated to be proportional to the difference between the condensation pressure and the evaporation pressure and the average pressure, and as the load increases, the gas spring constant K g increases.
  • the load between the condensation pressure and the evaporation pressure increases. Even if the difference between the condensation pressure and the evaporation pressure is the same, the larger the average pressure is, the greater the load is, and the larger the gas spring constant K g is calculated corresponding to the load.
  • the linear compressor may be provided with a sensor (pressure sensor, temperature sensor, etc.) for calculating the load.
  • the load is measured so as to measure the condensation temperature which is substantially proportional to the condensation pressure and the evaporation temperature which is proportional to the evaporation pressure, and is proportional to the difference between the condensation temperature and the evaporation temperature and the average temperature.
  • the mechanical spring constant (K m ) and the gas spring constant (K g ) can be determined through various experiments, and the resonance frequency of the piston is increased according to the load by increasing the ratio of the gas spring constant to the total spring constant. It can be varied in a relatively wide range.
  • the linear motor 40 is configured such that a plurality of laminations 42a are stacked in the circumferential direction, and an inner stator 42 installed to be fixed to the outside of the cylinder 34 by the frame 48 and a coil wound configured to wind the coils.
  • the outer stator 44 is configured such that a plurality of laminations 44b are laminated in the circumferential direction around the hull 44a and is provided with a predetermined gap with the inner stator 42 outside the cylinder 34 by the frame 48.
  • a permanent magnet 46 positioned in the gap between the inner stator 42 and the outer stator 44 and installed to be connected by the piston 36 and the connecting member 47, wherein the coil winding body 44a is provided. May be installed to be fixed to the outer side of the inner stator 42.
  • the linear motor 40 corresponds to one embodiment of the motor 23 described above.
  • Equation 1 The electrical equivalent circuit in the motor of the linear compressor of the present invention is represented by Equation 1:
  • Vmotor is the motor applied voltage
  • R is the resistance value of the motor coil
  • L is the inductance value of the coil
  • i is the current flowing through the coil of the motor
  • the counter electromotive force e (Ref) has a larger phase difference with Vprime than the counter electromotive force e (cecomaf), and its size is also reduced. This means that the condition of the counter electromotive force e (cecomaf) is higher than the condition of e (Ref). When such a high load occurs, the frequency is changed to reduce the required motor voltage.
  • the controller 25 increases the frequency of the motor applied voltage Vmorotr so that the phase angles of the counter electromotive voltages e and Vprime are made larger, or by decreasing the frequency, the phase angles of the counter electromotive voltages e and Vprime are increased. Can be made smaller.
  • FIG. 7 is a graph showing a relationship between a frequency and a required voltage in the linear compressor according to the present invention. As shown in FIG. 7, the magnitude of the motor applied voltage Vmotor, which is a necessary voltage, and the frequency have an inverse relationship with each other.
  • the point A corresponds to a voltage having an operating frequency (60 Hz).
  • the point B has an operating frequency (61 Hz).
  • the degree of the frequency that varies according to the magnitude (difference between the maximum value) Vin-Vc between the applied voltage Vin and the attenuation voltage Vc also increases.
  • the difference c between the applied voltage Vin and the attenuation voltage Vc at the point C is not the difference b between the applied voltage Vin at the point B and the attenuation voltage Vc. Larger case.
  • the controller 25 sets the operating frequency to 62 Hz.
  • the motor 23 is operated. That is, according to the difference between the applied voltage Vin and the attenuation voltage Vc, the controller 25 selects among the pre-stored operating frequencies so that a voltage corresponding to the selected operating frequency is applied to the motor 23.
  • the frequency varies depending on the degree to which the motor applied voltage Vmotor, which is the difference between the applied voltage Vin and the attenuation voltage Vc, is greater than the direct current voltage Vdc. That is, if the degree is large, the variable width of the frequency also increases, and if the degree is small, the variable width of the frequency also decreases.

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Abstract

본 발명인 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 고부하 시에 주파수를 가변하여, 더 큰 파워를 제공할 수 있도록 하는 리니어 압축기에 관한 것이다. 본 발명인 리니어 압축기는 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 고정부재 내부에서 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재와 연결되도록 설치되어 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키는 모터로 이루어지는 기계 유닛과, 교류전원을 입력받아 직류 전압으로 출력하는 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터에 제공하는 인버터부와, 정류부에 의한 직류 전압을 감지하는 전압 감지부와, 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부와, 전류 감지부로부터의 전류로부터 모터의 필요 전압을 산정하고, 필요 전압이 전압 감지부의 직류 전압보다 큰 경우, 인버터부가 변환하는 교류전압의 주파수가 변경되도록 제어하는 제어 신호를 생성하여 인버터부에 인가하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된다.

Description

리니어 압축기
본 발명인 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 고부하 시에 주파수를 가변하여, 더 큰 파워 및 냉력을 제공할 수 있도록 하는 리니어 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 모터는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치인 압축기 등에도 구비되며, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
특히, 이러한 압축기를 크게 분류하면, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor)와, 선회 스크롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 나뉘어진다.
최근에는 왕복동식 압축기 중에서 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없어 압축효율을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 간단한 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 모터 제어 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모터 제어 장치는 상용전원인 교류전원을 입력받아 정류하는 출력하는 다이오드 브리지(11)와, 정류된 전압을 평활하는 캐패시터(C1)로 이루어진 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어부(17)로부터의 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터부에 제공하는 인버터부(12)와, 모터(13)와, 모터(13)에 직렬로 연결된 캐패시터(C2)를 포함하는 모터부와, 캐패시터(C1)의 양단 전압을 검출하는 전압 검출부(14)와, 모터부에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부(15)와, 전압검출부(14)로부터의 감지 전압과, 전류 검출부(15)로부터의 감지 전류로부터 역기전력(EMF)을 연산하는 연산부(16) 및, 연산부(16)로부터의 연기전력과, 전류 검출부(15)로부터의 감지 전류를 반영하여, 제어신호를 생성하는 제어부(17)로 이루어진다.
도 1의 종래 기술에 따른 리니어 압축기는 모터(13)에 직렬로 연결된 캐패시터(C2)로 인하여, 리니어 압축기에 이 캐패시터(C2)를 구비하기 위한 비용과 공간이 요청된다. 또한, 이 캐패시터(C2)의 용량에 의해, 부하에 따른 냉력 가변 특성이 결정되나, 종래 기술에서는 캐패시터(C2)의 용량을 변경하는 것이 용이하지 않으며, 복수의 캐패시터를 구비하여, 선택적으로 연결하는 것도, 비용적인 면과, 공간적인 면 아울러, 설계상의 어려움이 따르게 된다.
도 2는 도 1에서의 모터의 입력전압과 스트로크의 변화 그래프이다. 종래 기술에 따른 리니어 압축기에서, 단순하게 캐패시터(C2)를 제거할 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 더 큰 스트로크에서, 즉, 상사점(TDC)에 근접한 영역에서 모터에 인가되는 전압이 감소되는 현상(점프 현상)이 발생하게 되어, 냉력 가변 운전(under stroke 운전)이 불가능하게 된다. 도 2의 그래프에서, 0.00으로 가까이 갈수록 TDC에 근접하는 것이다.
또한, 종래 기술에서, 캐패시터를 제거할 경우, 고부하 조건에서, 인버터부에 인가되는 직류전압보다 높은 전압이 모터에 인가되어야 하는 경우가 발생하나, 종래 기술에서는 voltage boosting 기법과 같이, 추가적인 회로를 구성해서 해결할 수 밖에 없었다.
본 발명은 리니어 압축기의 모터에 연결된 캐패시터를 제거하면서도 냉력 가변 제어가 가능하도록 하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고부하 조건에서, 더 작은 전압으로 더 큰 파워를 모터에 인가할 수 있도록 하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 추가적인 회로의 연결없이도, 모터로의 필요 전압을 감소시킴으로써 고부하에 대응하는 냉력이 발생되도록 하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 리니어 압축기는 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 고정부재 내부에서 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재와 연결되도록 설치되어 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키는 모터로 이루어지는 기계 유닛과, 교류전원을 입력받아 직류 전압으로 출력하는 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터에 제공하는 인버터부와, 정류부에 의한 직류 전압을 감지하는 전압 감지부와, 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부와, 전류 감지부로부터의 전류로부터 모터의 필요 전압을 산정하고, 필요 전압이 전압 감지부의 직류 전압보다 큰 경우, 인버터부가 변환하는 교류전압의 주파수가 변경되도록 제어하는 제어 신호를 생성하여 인버터부에 인가하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된다.
또한, 교류전압의 주파수의 변경 정도는 필요 전압과 직류 전압 간의 전압차에 비례한다.
또한, 필요 전압은 교류 전압의 주파수 변경에 따라, 작아지는 것이 바람직하다.
또한, 제어부는 전류 감지부로부터의 전류를 적분하되, 적분된 값에 상수(1/Cr)를 곱하여 감쇄 전압을 연산하고, 설정 전압과, 감쇄 전압 간의 차로 필요 전압을 연산하는 것이 바람직하다.
또한, 필요 전압이 전압 감지부의 직류 전압과 같거나 작은 경우, 제어부는 현재 설정된 주파수에 따른 교류 전압이 모터에 인가되도록, 인버터부에 제어 신호를 생성하여 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 리니어 압축기는 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 고정부재 내부에서 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재와 연결되도록 설치되어 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키는 모터로 이루어지는 기계 유닛과, 교류전원을 입력받아 직류 전압으로 출력하는 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터에 제공하는 인버터부와, 고부하인경우, 인버터부가 변환하는 교류전압의 주파수가 변경되도록 제어하는 제어 구성된다.
또한, 본 발명인 리니어 압축기의 제어 방법은 직류전압을 인버터부에 인가하는 단계와; 인버터부가 제어 신호에 따라 교류 전압으로 변환하여 모터에 인가하는 단계와; 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 단계와; 감지된 전류로부터 모터의 필요 전압을 산정하는 단계와; 산정된 필요 전압이 인버터부에 인가되는 직류 전압보다 큰 경우, 인버터부가 모터에 인가하는 교류전압의 주파수를 변경하도록 하는 제어 신호를 생성하여 인버터부에 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명은 리니어 압축기의 모터에 연결된 캐패시터를 제거하면서도 냉력 가변 제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고부하 조건에서, 더 작은 전압으로 더 큰 파워를 모터에 인가할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 추가적인 회로의 연결없이도, 모터로의 필요 전압을 감소시킴으로써 고부하에 대응하는 냉력이 발생되도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 모터 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에서의 모터의 입력전압과 스트로크의 변화 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 구성도이다.
도 4는 도 3의 제어부의 제어 실시예이다.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 벡터 다이아그램이다.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 주파수와 필요 전압 간의 관계 그래프이다.
이하에서, 본 발명은 도면과 실시예를 통하여 상세하게 기재된다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 구성도이고, 도 4는 도 3의 제어부의 제어 실시예이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 리니어 압축기의 제어 구성은 상용전원인 교류전원을 입력받아 정류 및 평활하여 출력하는 정류부(21)와, 직류전압을 인가받아 제어부(25)로부터의 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터(23)에 제공하는 인버터부(22)와, 코일(L)을 포함하는 모터(23)와, 모터(23)와 인버터부(22) 또는 모터(23) 내의 코일(L)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 감지부(24)와, 전류 감지부(24)로부터의 감지 전류를 기준으로 하여, 모터(23)에 인가되어야할 모터 인가 전압(Vmotor)을 연산하되, 부하 조건에 따라 모터 인가 전압(Vmotor)의 주파수를 가변하도록, 인버터부(22)에 이에 대응하는 제어신호를 생성하여 인가하는 제어부(25)와, 정류부(21)로부터의 직류 전압의 크기를 감지하는 전압 감지부(26)로 이루어진다. 다만, 본 제어 구성에서, 제어부(25), 전류 감지부(24), 전압 감지부(26) 등에 필요한 전압을 공급하는 구성에 대해서는, 본 발명이 속하는 기술분야에 익숙한 사람에게는 당연한 기술적 구성에 해당되므로, 그 설명이 생략된다.
정류부(21)는 일반적인 정류 기능을 수행하는 다이오드 브리지와, 정류된 전압을 평활하는 캐패시터 등을 포함하여 구성된다.
인버터부(22)는 직류 전압을 인가받아, 교류 전압을 생성하여 모터(23)에 인가하는 수단으로서, 스위칭 소자인 IGBT 소자와, 제어부(25)로부터의 제어 신호에 따라, IGBT 소자를 온/오프 시키는 gate 제어부 등을 구비하여 구성된다. 인버터부(22)는 본 발명이 속하는 기술분야에 익숙한 사람들에게 당연히 인식되는 정도에 불과하므로, 그 설명이 생략된다.
모터(23)는 다른 기계적인 구성에서 일반적인 모터와 동일하게 코일(L)을 구비하나, 종래 기술과 달리 캐패시터를 포함하고 있지 않다.
전류 감지부(24)는 인버터부(22)와 모터(23) 사이의 도선에 흐르는 전류를 감지하거나 모터(23)의 코일(L)에 흐르는 전류를 감지하는 소자이다.
전압 감지부(26)는 정류부(21)에서 출력되는 직류 전압을 감지하는 소자이다. 이때, 전압 감지부(26)는 전체 직류 전압을 감지할 수도 있고, 일정 비율로 감소된 직류 전압을 감지할 수 있다.
제어부(25)는 리니어 압축기의 기동 명령을 외부로부터 수신하거나, 교류 상용 전원이 인가되는 경우에, 기설정된 인가 전압(Vin)이 모터(23)에 인가되도록 하는 제어 신호를 생성하여, 인버터부(22)에 인가한다. 이에 따라, 인버터부(22)는 인가 전압(Vin)에 대응하는 교류 전압을 생성하여 모터(23)에 인가한다.
이러한 교류 전압의 인가에 의해, 전류 감지부(24)는 인버터부(22)로부터 모터(23)로의 전류(i) 또는 모터(23)의 코일(L)에 흐르는 전류(i)를 감지한다.
제어부(25)는 전류 감지부(24)로부터 전류(i)를 인가받아, 도 4와 같은 처리를 수행한다.
제어부(25)는 전류 감지부(24)로부터의 전류(i)를 적분하는 적분기(25a)와, 적분된 값에 상수(1/Cr)를 곱하여 감쇄 전압(Vc)을 연산하는 감쇄기(25b)와, 설정된 인가 전압(Vin)과, 감쇄 전압(Vc)의 차를 연산하는 연산부(25c)를 구비한다. 즉, Vmotor=Vin-Vc의 관계를 지닌다. 본 실시예에서의 인가 전압(Vin)은 종래 기술의 압축기에서의 인버터부가 인가하는 전압에 해당될 것으로, 리니아 압축기의 제어 알고리즘에 따라 고정 또는 가변하게 된다.
적분기(25a)와 감쇄기(25b)는 모터(23)에 흐르는 전류(i)를 이용하여, 모터의 코일(L)에 의한 인덕턴스 영향을 감쇄시키는 감쇄 연산부에 대응하는 것이다. 즉, 본 실시예에서는, 모터(23)의 코일(L)에 연결된 캐패시터가 없으므로, 코일(L)에 의한 인덕턴스 영향을 모터(23)에 인가되는 모터 인가 전압(Vmotor)를 제어하여, 감소시키는 것이다.
또한, 감쇄기(25b)에서의 상수(1/Cr)은 모터(23)의 코일(L)의 크기에 따라 고정설정되거나 가변 설정될 수 있다. 예를 들면, LC 공진 주파수가 압축기의 기계 공진 주파수에 대응하도록 설정될 때, 그에 따라 상수(1/Cr)가 결정될 수도 있다. 또는, 압축기의 기계 공진 주파수보다 높거나 낮게 설정될 경우에도, 그에 따라 상수(1/Cr)이 결정될 수도 있다.
이에 따라, 제어부(25)는 모터 인가 전압(Vmotor)가 연산된 이후에는, 인버터부(22)가 연산된 모터 인가 전압(Vmotor)을 모터(23)에 인가하도록 하는 제어 신호를 생성하여, 인버터부(22)에 인가한다. 즉, 제어부(25)는 감지된 전류(i)를 모터 인가 전압(Vmotor)에 피드백되도록 하여, 캐패시터가 모터(23)에 연결되지 않은 상태에서도, 모터(23)의 운전을 제어할 수 있게 된다. 본 발명에서, 역기전력은 전류(i)에 반영되어 피드백되므로, 별도로 고려되지 않아도 된다.
부하의 증가에 따라, 필요 전압인 모터 인가 전압(Vmotor)이 증가하게 된다. 본 발명에서는, 필요 전압인 모터 인가 전압(Vmotor)(즉, 최대값)이 직류 전압(Vdc)보다 큰 경우에 고부하로 판단된다. 이러한 고부하의 경우, 인버터부(22)는 이 직류 전압(Vdc) 이상의 크기(최대값)를 지닌 교류 전압을 모터(23)에 인가하기 어렵다. 이에 따라, 제어부(25)는 인버터부(22)로부터 모터(23)에 인가되는 교류 전압의 주파수를 가변하여, 필요 전압인 모터 인가 전압(Vmotor)를 감소시키나, 필요한 냉력을 유지할 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구성도이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 5에 도시된 바와 같이 밀폐용기(32) 일측에 냉매가 유,출입되는 유입관(32a) 및 유출관(32b)이 설치되고, 밀폐용기(32) 내측에 실린더(34)가 고정되도록 설치되며, 실린더(34) 내부의 압축공간(P)으로 흡입된 냉매를 압축시킬 수 있도록 실린더(34) 내부에 피스톤(36)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되는 동시에 피스톤(36)의 운동방향에 탄성 지지되도록 각종 스프링이 설치되고, 피스톤(36)은 직선 왕복 구동력을 발생시키는 리니어 모터(40)와 연결되도록 설치되되, 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 의존하여 가변되더라도 리니어 모터(40)는 가변되는 부하에 따라 냉력(출력)을 변화시키는 자연 출력 변화를 유도한다.
아울러, 압축공간(P)과 접하고 있는 피스톤(36)의 일단에 흡입밸브(52)가 설치되고, 압축공간(P)과 접하고 있는 실린더(34)의 일단에 토출밸브 어셈블리(54)가 설치되며, 흡입밸브(52) 및 토출밸브 어셈블리(54)는 각각 압축공간(P) 내부의 압력에 따라 개폐되도록 자동적으로 조절된다.
여기서, 밀폐용기(32)는 내부가 밀폐되도록 상,하부 쉘이 서로 결합되도록 설치되고, 일측에 냉매가 유입되는 유입관(32a) 및 냉매가 유출되는 유출관(32b)이 설치되며, 실린더(34) 내측에 피스톤(36)이 왕복 직선 운동 가능하게 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치됨과 아울러 실린더(34) 외측에 리니어 모터(40)가 프레임(48)에 의해 서로 조립되어 조립체를 구성하고, 이러한 조립체가 밀폐용기(32) 내측 바닥면에 지지스프링(59)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.
아울러, 밀폐용기(32) 내부 바닥면에는 소정의 오일이 담겨지고, 조립체 하단에는 오일을 펌핑하는 오일공급장치(60)가 설치됨과 아울러 조립체 하측 프레임(48) 내부에는 오일을 피스톤(36)과 실린더(34) 사이로 공급될 수 있도록 오일공급관(48a)이 형성되며, 이에 따라 오일공급장치(60)는 피스톤(36)의 왕복 직선 운동함에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑하고, 이러한 오일은 오일공급관(48a)을 따라 피스톤(36)과 실린더(34) 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 하도록 한다.
다음, 실린더(34)는 피스톤(36)이 왕복 직선 운동할 수 있도록 중공 형상으로 형성됨과 아울러 일측에 압축공간(P)이 형성되고, 유입관(32a) 내측에 일단이 근접하게 위치된 상태에서 유입관(32a)과 동일 직선상에 설치되는 것이 바람직하다.
물론, 실린더(34)는 유입관(32a)과 근접한 일단 내부에 피스톤(36)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되고, 유입관(32a)과 반대방향 측 일단에 토출밸브 어셈블리(54)가 설치된다.
이때, 토출밸브 어셈블리(54)는 실린더(34)의 일단 측에 소정의 토출공간을 형성하도록 설치되는 토출커버(54a)와, 실린더의 압축공간(P) 측 일단을 개폐하도록 설치되는 토출밸브(54b)와, 토출커버(54a)와 토출밸브(54b) 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 일종의 코일 스프링인 밸브 스프링(54c)으로 이루어지되, 실린더(34)의 일단 내둘레에 오링(R)이 끼움되도록 설치되어 토출밸브(54a)가 실린더(34) 일단을 밀착되도록 한다.
아울러, 토출커버(54a)의 일측과 유출관(32b) 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프(58)가 연결 설치되는데, 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.
따라서, 피스톤(36)이 실린더(34) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 토출압력 이상이 되면, 밸브 스프링(54c)이 압축되어 토출밸브(54b)를 개방시키고, 냉매가 압축공간(P)으로부터 토출된 다음, 루프 파이프(58) 및 유출관(32b)을 따라 완전히 외부로 토출된다.
다음, 피스톤(36)은 유입관(32a)으로부터 유입된 냉매가 유동될 수 있도록 냉매유로(36a)가 중앙에 형성되고, 유입관(32a)과 근접한 일단이 연결부재(47)에 의해 리니어 모터(40)가 직접 연결되도록 설치됨과 아울러 유입관(32a)과 반대방향 측 일단에 흡입밸브(52)가 설치되며, 피스톤(36)의 운동방향으로 각종 스프링에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.
이때, 흡입밸브(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.
따라서, 피스톤(36)이 실린더(34) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 압축공간(P)의 압력이 토출압력보다 더 낮은 소정의 흡입압력 이하가 되면, 흡입밸브(52)가 개방되어 냉매가 압축공간(P)으로 흡입되고, 압축공간(P)의 압력이 소정의 흡입압력 이상이 되면, 흡입밸브(52)가 닫힌 상태에서 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
특히, 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.
여기서, 기계 스프링(38a,38b)은 부하와 상관없이 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지되, 기계 스프링(38a,38b)은 피스톤 플랜지(36b)를 기준으로 리니어 모터(40)에 고정되는 소정의 지지프레임(56)과 실린더(34)에 각각 축방향으로 나란하게 설치되는 것이 바람직하며, 지지프레임(56)에 지지되는 기계 스프링(38a)과 실린더(34)에 설치되는 기계 스프링(38a)이 동일한 기계 스프링 상수(Km)를 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.
하지만, 가스 스프링은 부하에 의존하는 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가지되, 압축공간(P)에 포함된 가스는 주변온도가 높아질수록 냉매의 압력이 커짐에 따라 자체 탄성력이 커짐으로 상기 가스 스프링은 부하가 커질수록 가스 스프링 상수(Kg)가 커지게 된다.
이때, 기계 스프링 상수(Km)는 일정한 반면, 가스 스프링 상수(Kg)는 부하에 의존하여 가변되기 때문에 전체 스프링 상수 역시 부하에 의존하여 가변되고, 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 상기 가스 스프링 상수(Kg)에 의존하여 가변된다.
따라서, 부하가 가변되더라도 기계 스프링 상수(Km) 및 피스톤의 질량(M)은 일정한 반면, 가스 스프링 상수(Kg)가 가변되기 때문에 피스톤의 고유주파수(fn)는 부하에 의존하는 가스 스프링 상수(Kg)에 의해 크게 영향을 받게 된다.
물론, 이 부하는 다양하게 측정될 수 있으나, 이와 같은 리니어 압축기는 냉매가 압축, 응축, 증발, 팽창되는 냉동/공조용 사이클에 포함되도록 구성되기 때문에 상기 부하는 냉매가 응축되는 압력인 응축압과 냉매가 증발되는 압력인 증발압의 차이로 정의될 수 있으며, 나아가 보다 정밀도를 높이기 위하여 응축압과 증발압을 평균낸 평균압을 고려하여 결정된다.
즉, 부하는 상기 응축압과 증발압의 차 및 평균압에 비례하도록 산출되며, 부하가 커질수록 상기 가스 스프링 상수(Kg)가 커지게 되는데, 일예로 응축압과 증발압의 차가 클수록 부하가 커지고, 응축압과 증발압의 차가 동일하더라도 평균압이 클수록 부하가 커지도록 산출되며, 이와 같은 부하에 대응하여 가스 스프링 상수(Kg)가 커지도록 산출된다. 리니어 압축기는 부하를 산출하기 위한 센서(압력센서, 온도 센서 등)를 구비할 수 있다.
이때, 이 부하는 실제적으로 응축압에 비례하는 응축온도 및 증발압에 비례하는 증발온도를 측정하고, 응축온도와 증발온도의 차 및 평균온도에 비례하도록 산출된다.
구체적으로, 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)는 다양한 실험을 통하여 결정될 수 있는데, 전체 스프링 상수에 대한 가스 스프링 상수가 차지하는 비율을 높아지도록 하여 부하에 따라 피스톤의 공진주파수가 비교적 넓은 범위에서 변동되도록 할 수 있다.
리니어 모터(40)는 복수개의 라미네이션(42a)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임(48)에 의해 실린더(34) 외측에 고정되도록 설치되는 이너 스테이터(42)와, 코일이 감겨지도록 구성된 코일 권선체(44a) 주변에 복수개의 라미네이션(44b)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 프레임(48)에 의해 실린더(34) 외측에 이너 스테이터(42)와 소정의 간극을 두고 설치되는 아웃터 스테이터(44)와, 이너 스테이터(42)와 아웃터 스테이터(44) 사이의 간극에 위치되어 피스톤(36)과 연결부재(47)에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석(46)으로 이루어지되, 코일 권선체(44a)는 이너 스테이터(42) 외측에 고정되도록 설치될 수도 있다.
리니어 모터(40)는 상술된 모터(23)의 일 실시예에 해당된다.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 벡터 다이아그램이다. 본 발명의 리니어 압축기의 모터에서의 전기적 등가 회로는 수학식 1과 같다:
수학식 1
Figure PCTKR2010008159-appb-M000001
여기서, Vmotor는 모터 인가 전압이고, R은 모터 코일의 저항값이고, L은 코일의 인덕턴스값이고, i는 모터의 코일에 흐르는 전류이고, e는 역기전력이다. 또한, Vprime=Ri+Ldi/dt로 정의된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 역기전력 e(cecomaf)보다 역기전력 e(Ref)가 Vprime과의 위상차가 크며, 그 크기도 감소된 상태이다. 이것은 역기전력 e(cecomaf)의 조건이 e(Ref)의 조건보다 고부하를 나타내는 것이다. 이러한 고부하가 발생했을 때에 주파수를 변경하여 필요전압인 모터 인가 전압을 감소시켜 주게 된다.
여기서, 주파수를 크게 변경하면, 역기전압 e과 Vprime의 위상각이 더 크게 된다. 즉, 역기전력 e과 Ri의 위상차가 감소하게 되어, 더 작은 전압으로 더 큰 전력 또는 파워를 낼 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용하여, 제어부(25)는 모터 인가 전압(Vmorotr)의 주파수를 증가시킴으로써, 역기전압 e과 Vprime의 위상각이 더 크게 하거나, 주파수를 감소시킴으로써, 역기전압 e과 Vprime의 위상각이 더 작게 되도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 주파수와 필요 전압 간의 관계 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 필요 전압인 모터 인가 전압(Vmotor)의 크기와, 주파수는 서로 반비례와 유사한 관계를 지니고 있다.
즉, 점(A)는 운전 주파수(60Hz)를 지닌 전압에 해당되며, 예를 들면, 고부하인 경우, 점(B)는 운전 주파수(61Hz)를 지니게 된다.
아울러, 인가 전압(Vin)과 감쇄 전압(Vc) 간의 차이(최대값 간의 차이)(Vin-Vc)의 크기에 따라 가변되는 주파수의 정도도 증가하게 된다. 예를 들면, 점(B)에서의 인가 전압(Vin)과 감쇄 전압(Vc) 간의 차이(b)보다는 점(C)에서의 인가 전압(Vin)과 감쇄 전압(Vc) 간의 차이(c)가 더 큰 경우이다. 점(D)에서의 인가 전압(Vin)과 감쇄 전압(Vc) 간의 차이(d)를 고려할 때, 차이(d)가 차이(c)로 감소될 경우, 제어부(25)는 운전 주파수를 62Hz로 감소시켜 모터(23)를 동작시킨다. 즉, 인가 전압(Vin)과 감쇄 전압(Vc) 간의 차이에 따라, 제어부(25)는 기저장된 운전 주파수 중에서 선택하여, 선택된 운전 주파수에 대응하는 전압이 모터(23)에 인가되도록 한다.
인가 전압(Vin)과, 감쇄 전압(Vc) 간의 차이인 모터 인가 전압(Vmotor)가 직류 전압(Vdc)보다 큰 정도에 따라, 주파수를 가변하게 된다. 즉, 정도가 크면, 주파수의 가변폭도 증가하게 되고, 정도가 작으면 주파수의 가변폭도 감소하게 된다.
이러한 것은 고부하가 되면, 압축기의 기계 공진 주파수가, 예를 들면 60Hz보다 높게 되어, 운전 주파수를 기계 공진 주파수에 대응하여 변경하게 되어, 전력의 효율이 증가하게 되어, 모터 인가 전압이 감소되더라도 부하에 대응한 냉력을 낼 수 있게 된다.
이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예들 및 첨부도면에 기초하여 상세하게 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술되는 청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (12)

  1. 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 고정부재 내부에서 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재와 연결되도록 설치되어 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키는 모터로 이루어지는 기계 유닛과;
    교류전원을 입력받아 직류 전압으로 출력하는 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터에 제공하는 인버터부와, 정류부에 의한 직류 전압을 감지하는 전압 감지부와, 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부와, 전류 감지부로부터의 전류로부터 모터의 필요 전압을 산정하고, 필요 전압이 전압 감지부의 직류 전압보다 큰 경우, 인버터부가 변환하는 교류전압의 주파수가 변경되도록 제어하는 제어 신호를 생성하여 인버터부에 인가하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    교류전압의 주파수의 변경 정도는 필요 전압과 직류 전압 간의 전압차에 비례하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    필요 전압은 교류 전압의 주파수 변경에 따라, 작아지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    제어부는 전류 감지부로부터의 전류를 적분하되, 적분된 값에 상수(1/Cr)를 곱하여 감쇄 전압을 연산하고, 설정 전압과, 감쇄 전압 간의 차로 필요 전압을 연산하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제1항에 있어서,
    필요 전압이 전압 감지부의 직류 전압과 같거나 작은 경우, 제어부는 현재 설정된 주파수에 따른 교류 전압이 모터에 인가되도록, 인버터부에 제어 신호를 생성하여 인가하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 고정부재 내부에서 왕복 직선운동하면서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재와 연결되도록 설치되어 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키는 모터로 이루어지는 기계 유닛과;
    교류전원을 입력받아 직류 전압으로 출력하는 정류부와, 직류전압을 인가받아 제어 신호에 따라 교류전압으로 변환하여 모터에 제공하는 인버터부와, 고부하인경우, 인버터부가 변환하는 교류전압의 주파수가 변경되도록 제어하는 제어 신호를 생성하여 인버터부에 인가하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은 정류부에 의한 직류 전압을 감지하는 전압 감지부와, 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부를 구비하고, 제어부는 전류 감지부로부터의 전류로부터 모터의 필요 전압을 산정하고, 필요 전압이 전압 감지부의 직류 전압보다 큰 경우, 고부하로 판단하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 직류전압을 인버터부에 인가하는 단계와;
    인버터부가 제어 신호에 따라 교류 전압으로 변환하여 모터에 인가하는 단계와;
    모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 단계와;
    감지된 전류로부터 모터의 필요 전압을 산정하는 단계와;
    산정된 필요 전압이 인버터부에 인가되는 직류 전압보다 큰 경우, 인버터부가 모터에 인가하는 교류전압의 주파수를 변경하도록 하는 제어 신호를 생성하여 인버터부에 인가하는 단계를 포함하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    교류전압의 주파수를 변경하는 정도는 필요 전압과 직류 전압 간의 전압차에 비례하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    산정되는 필요 전압은 교류 전압의 주파수 변경에 따라, 작아지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    필요 전압을 산정하는 단계를 감지된 전류를 적분하되, 적분된 값에 상수(1/Cr)를 곱하여 감쇄 전압을 연산하고, 설정 전압과, 감쇄 전압 간의 차로 필요 전압을 연산하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    제어 방법은 필요 전압이 전압 감지부의 직류 전압과 같거나 작은 경우, 현재 설정된 주파수에 따른 교류 전압이 모터에 인가되도록, 인버터부에 제어 신호를 생성하여 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
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