WO2011105720A2 - 리니어 압축기 - Google Patents

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WO2011105720A2
WO2011105720A2 PCT/KR2011/001124 KR2011001124W WO2011105720A2 WO 2011105720 A2 WO2011105720 A2 WO 2011105720A2 KR 2011001124 W KR2011001124 W KR 2011001124W WO 2011105720 A2 WO2011105720 A2 WO 2011105720A2
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motor
unit
current
linear compressor
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허진석
박신현
김영글
강계룡
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엘지전자 주식회사
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    • F04B2203/0402—Voltage

Definitions

  • the present invention relates to a linear compressor, and more particularly, to a linear compressor that allows accurate calculation in the calculation of voltage using current while removing a high capacity capacitor connected in series with a motor.
  • 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 high capacity 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
  • the initial value of the current value must be set correctly.
  • FIG. 3 is an integrated curve graph of current according to the prior art.
  • the initial value of the current at the peak of the current i can be set as points A, B and C.
  • the peak of the actual current (i) corresponds to the point (C)
  • point (B) is lower than the point (C)
  • point (A) is lower than the point (B).
  • the voltage (Va) graph when the point (A) is set to the peak the voltage (Vb) graph when the point (B) is set to the peak, and the voltage when the point (C) is set to the peak (
  • the integrated values result in the voltage (Va) graph having the highest peak, followed by the voltage (Vb) graph, and the lowest is the voltage (Vc) graph. That is, depending on how the initial value at the current peak is set, there is a significant difference in the integrated voltage. Thus, if the initial value of the current peak is inappropriate, the current integrated value is constantly accumulated in the offset value, making it unsuitable for accurate control.
  • 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.
  • an object of the present invention is to provide a linear compressor that allows accurate voltage calculation by removing direct current components due to the accumulation of offset in the process of calculating voltage using current.
  • an object of the present invention is to provide a linear compressor that allows a simple and accurate calculation of the process of calculating the voltage using the current using hardware.
  • 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 in 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 receiving a DC voltage to control signals
  • the inverter unit converts into an AC voltage and provides the motor to the motor, a current sensing unit for sensing a current flowing between the motor and the inverter unit, an integrator circuit unit for integrating a voltage corresponding to the current from the current sensing unit, and an integrator circuit unit.
  • the moving part receives the integral value from the controller and controls the AC voltage applied to the motor.
  • an electrical control unit including a control unit for causing the reciprocating motion of the ash to be performed.
  • the controller may generate and apply a control signal to the inverter unit to generate an AC voltage corresponding to a difference between the set voltage and the attenuation voltage corresponding to the integral value.
  • the controller preferably calculates the attenuation voltage by multiplying the integral value by a constant (1 / Cr).
  • a control part adjusts and controls cold power variable rate by changing a constant (1 / Cr).
  • the integrator circuit may further include an integrator that receives a reference voltage Vref greater than 0V and outputs an integral value that is varied around the reference voltage Vref.
  • the integrator further includes an amplifier having an inverting input terminal into which a voltage from the current sensing unit is input and a non-inverting terminal into which a reference voltage Vref is input, and a parallel-connected capacitor and a resistor for returning the output voltage of the amplifier to the inverting input terminal. It is preferable that the configuration.
  • the cutoff frequency determined by the parallel-connected capacitor and the resistance is preferably set lower than the frequency of the current or the operating frequency.
  • the integrator circuit section includes a voltage amplifier section for amplifying a voltage corresponding to the current from the current sensing section, and a coupling section for blocking a DC offset included in the output voltage of the voltage amplifier section, before the integrator section. It is preferable to apply the output of the coupling section to the input of the inverting input terminal of the integration section.
  • the integrator circuit portion preferably includes a low band filter portion for removing noise included in the output voltage of the integrator portion.
  • control method of the linear compressor according to the present invention includes a fixed member including a compression space therein, a movable member for compressing the refrigerant sucked into the compression space inside the fixed member, at least one spring installed to elastically support the movable member; And a motor installed to be connected to the movable member and having a motor for reciprocating linear movement of the movable member in the axial direction, the control method comprising: a first step of applying a predetermined applied voltage to the motor; A second step of generating a first input voltage corresponding to a current by application of a predetermined applied voltage; Calculating a first output voltage by integrating the generated first input voltage; A fourth step of generating a first attenuation voltage by attenuating the calculated first output voltage at a predetermined ratio; A fifth step of calculating a first motor applied voltage corresponding to the difference between the applied voltage and the first attenuation voltage; And a sixth step of applying the first motor applying voltage to the motor.
  • the present invention has the effect of allowing the control of the cooling power variable and cooling power variable rate while removing the capacitor connected to the motor of the linear compressor.
  • the present invention has the effect of preventing the stroke jump phenomenon that can occur during the control of the linear compressor.
  • the present invention in the process of calculating the voltage using the current, by removing the direct current component due to the accumulation of the offset, to enable accurate voltage calculation, the effect of precise control of the motor and to prevent fluctuation (fluctuation) have.
  • the present invention has the effect of allowing a simple and accurate calculation of the process of calculating the voltage using the current using hardware.
  • 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.
  • 3 is an integrated curve graph of current according to the prior art.
  • FIG. 4 is a control block diagram of a first embodiment of the linear compressor according to the present invention.
  • 5 is a control embodiment of the controller of FIG. 4.
  • FIG. 6 is another control embodiment of the controller of FIG. 4.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 11 is a control block diagram of a second embodiment of the linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 12 is a detailed block diagram of the integrator circuit of FIG. 11.
  • FIG. 13 is a control embodiment of the control unit of FIG. 11.
  • FIG. 14 is a waveform graph of the attenuation voltage Vc in the control device of FIGS. 4 to 6.
  • FIG. 15 is a waveform graph of the attenuation voltage Vc or Vo in the control device of FIGS. 11 to 13.
  • FIG. 4 is a control configuration diagram of the first embodiment of the linear compressor according to the present invention
  • FIG. 5 is a control embodiment of the control unit of FIG.
  • 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 by receiving 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
  • 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 control unit 25 calculates the attenuation voltage Vc by multiplying the integrated value by a constant 1 / Cr by the integrator 25a that integrates the current i from the current sensing unit 24. And an arithmetic unit 25c for calculating the difference between the set applied voltage Vin and the attenuation voltage Vc.
  • the applied voltage Vin in the embodiment will correspond to the voltage applied by the inverter unit in the compressor of the prior art, 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 controller 25 may further include attenuation voltage (for example, the applied voltage Vin that integrates the motor applied voltage Vmotor with the applied voltage Vin which is an initial voltage and the current applied by the applied motor applied voltage Vmotor). ) Is repeatedly calculated and applied according to the difference from the first attenuation voltage) or the first attenuation voltage, etc.).
  • attenuation voltage for example, the applied voltage Vin that integrates the motor applied voltage Vmotor with the applied voltage Vin which is an initial voltage and the current applied by the applied motor applied voltage Vmotor.
  • the motor applied voltage Vmotor which is a required voltage
  • the motor applied voltage Vmotor that is, the maximum value
  • the DC voltage Vdc DC voltage
  • the inverter section 22 applies an alternating voltage (motor applied voltage Vmotor) having a magnitude within this DC voltage Vdc to the motor 23.
  • the control unit 25 adjusts the magnitude of the alternating voltage applied from the inverter unit 22 to the motor 23 so as to maintain the necessary cooling force.
  • control unit 25 may achieve the required high cooling power by varying the frequency of the motor applied voltage Vmotor from the inverter unit 22, for example, by increasing the frequency at high load.
  • FIG. 6 is another control embodiment of the controller of FIG. 4.
  • Fig. 6 shows that the control unit may incorrectly select the peak of the current i, and thus integrates this incorrectly selected current to remove the direct current component (HPF) 25d generated by the accumulation of the offset generated. This is the case.
  • HPF direct current component
  • the integrator 25a and the attenuator 25b are represented as:
  • the high pass filter 25d is expressed as:
  • R is the resistance value and C is the capacitance.
  • the high band filter 25d may be configured of a plurality of high band filters connected in series.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a linear compressor according to the present invention.
  • an inlet tube 32a and an outlet tube 32b through which a refrigerant flows in and out of one side of the sealed container 32 are installed, and a cylinder 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.
  • the cooling force variable can be performed in a stable state. That is, the controller 25 controls the AC voltage applied to the motor 23 so that the stroke of the piston 36 as the movable member and the magnitude of the AC voltage applied to the motor 23 are proportional to the piston in response to the load. It is possible to perform the natural cold power variable by the reciprocating motion of (36).
  • the stroke of the piston 36 and the magnitude of the alternating voltage applied to the motor 36 are proportional to at least in the region close to the top dead center of the movable member, thereby preventing stroke jump.
  • the controller 25 stores the variable constant 1 / Cr. As shown in Fig. 9, in the case of Cr (10 kPa), it is confirmed that the cooling force of the linear compressor is variable in response to the load.
  • the controller 25 can adjust the cooling force variable rate by varying the constant 1 / Cr (or Cr).
  • the phase difference between the motor applied voltage Vmotor and the current i is reduced, so that more cold power can be exerted under the same load. That is, the LC resonance frequency is determined by the value of Cr, and the phase of the motor applied voltage (Vmotor) and the current (i) at a predetermined load is determined.
  • the motor applied voltage (Vmotor) and The phase of the current i is changed so that the total power is changed. In other words, since the cooling power becomes larger or smaller, the natural cooling power variable rate is different.
  • FIGS. 10 are voltage graphs of a linear compressor according to the present invention.
  • the attenuation voltage Vc calculated from the current i is subtracted from the applied voltage Vin to calculate the actual motor applied voltage Vmotor, which is applied to the coil (Vmotor).
  • Vmotor the actual motor applied voltage
  • the A / D resolution of the microprocessor constituting the control unit 25 is significantly affected, and the output of the integrator 25a is 2 to 30V. Since fluctuation of degree may occur, there is a fear that fluctuation may occur in the cold power itself. To further supplement these points, the following hardware integrating apparatus can be applied.
  • FIG. 11 is a control block diagram of a second embodiment of the linear compressor according to the present invention
  • FIG. 12 is a detailed block diagram of the integrator circuit of FIG.
  • an AC power source In the control configuration diagram of FIG. 11, an AC power source, a rectifying section 21, an inverter section 22, a motor 23, a current sensing section 24, indicated by the same identification number as the control configuration diagram of FIG. 4,
  • the voltage detector 26 performs the same circuit configuration and function.
  • the control device (electrical control unit) of FIG. 11 receives an input voltage Vi corresponding to a current flowing through the motor 23 from the current sensing unit 24 and performs integration to control the output voltage Vo. Is applied to the integrator circuit unit 27, the integrator circuit unit 27, the output voltage Vo and the voltage from the voltage sensing unit 26, and generates the motor applied voltage Vmotor to the inverter unit 22. And a control unit 28 for generating and controlling the control signal. Also in this embodiment, a power supply device for supplying a DC voltage or the like for driving the control unit 28 and the inverter unit 22 will be provided, but to those familiar with the technical field to which the present invention pertains, its configuration and functions are obvious. It is only a recognized degree, and the description is omitted.
  • the integrator circuit 27 includes a voltage amplifier a for amplifying the input voltage Vi from the current detector 24 and an output voltage V11 of the voltage amplifier a.
  • a low band filter unit (d) for removing the noise included in
  • the voltage amplifying unit a includes an resistor R1, an inverting input terminal receiving an input voltage Vi through the resistor R1, an amplifier Amp1 having a grounded non-inverting input terminal, and an amplifier ( And a resistor R2 and a capacitor C2 connected in parallel to return the output voltage V11 of Amp1 to the inverting input terminal of the amplifier Amp1.
  • the voltage amplifier a is an element that amplifies the voltage because the output voltage Vi of the current sensing unit 24 has a low scale.
  • Equation 3 The relationship between the input voltage V1 and the voltage V11 in the voltage amplifying unit a is as shown in Equation 3 below.
  • Z2 (R2
  • the cut-off frequency by the capacitor C2 and the resistor R2 is set to, for example, 1 kHz or less, so as to remove switching noise and the like generated in the previous step or the previous component. To perform.
  • the coupling part b includes a capacitor C5 for removing the DC offset and a resistor R5 connected in series with the capacitor C5 to stabilize the waveform of the voltage V11.
  • the integrating unit c includes an amplifier Amp2 having an inverting input terminal through which the voltage V11 is input through the coupling unit b, and a non-inverting input terminal through which the reference voltage Vref is input, and the amplifier Amp2. It consists of a capacitor (C6) and a resistor (R6) connected in parallel to return the output voltage (V44) of the amplifier (Amp2) to the inverting input terminal.
  • the reference voltage Vref to the non-inverting input terminal of the amplifier Amp2 is determined by Equation 4 as follows.
  • Vd corresponds to a DC voltage, for example, 15V
  • the reference voltage Vref may be set to 2.5V, for example.
  • This reference voltage Vref is input to the non-inverting terminal through the resistor R20.
  • the AC portion of the AC waveform is removed by the coupling part b, and fluctuates up and down on the basis of 0V.
  • Such a voltage waveform is changed up and down based on the reference voltage Vref by the reference voltage Vref, so that processing to a desired size is easily performed between 0 and 5V of the controller 28 including a microprocessor and the like. do.
  • the reference voltage Vref also corresponds to the input voltage level of the controller 28.
  • Z5 is the impedance according to the capacitor C5 and the resistor R5
  • Z6 is the impedance according to the capacitor C6 and the resistor R6.
  • the low band filter part d includes a resistor R9 to which a voltage V44 is applied, one end of which is connected to the resistor R9, and the other end of the capacitor C9 that is grounded.
  • the low band filter part (d) is for removing the noise component when high frequency noise is applied to the applied voltage waveform.
  • the low band filter unit (d) may remove switching noise of 5 kHz or more.
  • the voltage Vo from which the noise is removed is applied to the controller 28.
  • the control unit 28 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 senses the current i flowing from the inverter unit 22 to the motor 23 or the current i flowing through the coil L of the motor 23, The input voltage Vi corresponding to this current i is applied to the integrator circuit portion 27.
  • the integrator circuit unit 27 receives the voltage Vi from the current sensing unit 24, performs the processing by the above-described device, and applies the voltage Vo to the controller 28.
  • the capacity of the capacitor C2 included in the prior art is significantly larger than that of the capacitors C2, C5, C6, and C9 provided in FIGS. 11 and 12 to operate.
  • FIG. 13 is a control embodiment of the control unit of FIG. 11.
  • the controller 28 includes an attenuator 28a that multiplies the voltage Vo by a constant 1 / Cr to calculate the attenuation voltage Vc, a set applied voltage Vin, and attenuation voltage.
  • the applied voltage Vin in the embodiment will correspond to the voltage applied by the inverter unit in the compressor of the prior art, and is fixed or variable according to the control algorithm of the nia compressor.
  • the integrator circuit portion 27 and the attenuator 28a correspond to attenuation calculating section for attenuating the inductance effect by the coil L of the motor 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 attenuator 28a may be optionally provided. That is, in the integration process of the voltage Vo, the constant 1 / Cr may be adjusted to be reflected, whereby the voltage Vo and the voltage Vc are the same.
  • the control unit 28 may include an attenuator 28a and multiply the voltage Vo by a constant 1 / Cr to calculate the voltage Vc. This process is apparent by varying the constant (Cr) as shown in Figure 9, it is possible to adjust and change the cooling power variable rate.
  • the control unit 28 After the motor application voltage Vmotor is calculated, the control unit 28 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 28 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 controller 28 may further include attenuation voltage (for example, the applied voltage Vin) that integrates the motor applied voltage Vmotor with the applied voltage Vin which is an initial voltage and the current by the applied motor applied voltage Vmotor. ) Is repeatedly calculated and applied according to the difference from the first attenuation voltage) or the first attenuation voltage, etc.).
  • attenuation voltage for example, the applied voltage Vin
  • the motor applied voltage Vmotor which is a required voltage
  • the motor applied voltage Vmotor that is, the maximum value
  • the DC voltage Vdc DC voltage
  • the inverter section 22 applies an alternating voltage (motor applied voltage Vmotor) having a magnitude within this DC voltage Vdc to the motor 23.
  • the control unit 28 adjusts the magnitude of the alternating voltage applied from the inverter unit 22 to the motor 23 so as to maintain the necessary cooling force.
  • control unit 28 may achieve the required high cooling power by varying the frequency of the motor applied voltage Vmotor from the inverter unit 22, for example, by increasing the frequency at high load.
  • FIG. 14 is a waveform graph of the attenuation voltage Vc in the control device (first embodiment) of FIGS. 4 to 6. As shown in FIG. 14, in the control apparatus according to the first embodiment, it is confirmed that fluctuation occurs frequently in the region F. As shown in FIG. 14, in the control apparatus according to the first embodiment, it is confirmed that fluctuation occurs frequently in the region F. As shown in FIG.
  • FIG. 15 is a waveform graph of the attenuation voltage Vc or Vo in the control device (second embodiment) of FIGS. 11 to 13. As shown in FIG. 15, it is confirmed that the control device according to the second embodiment hardly causes fluctuations in the voltage waveform. According to this stable voltage waveform, the control unit can be precise motor control, and the dispersion does not occur even in the cold power itself.

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 모터에 직렬로 연결되는 고용량 캐패시터를 제거하면서도 전류를 이용한 전압 연산 시에 정확한 연산이 가능하도록 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, 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부와, 전류 감지부로부터의 전류에 대응하는 전압을 적분하는 적분기 회로부와, 적분기 회로부로부터 적분값을 인가받아, 모터로 인가되는 교류 전압을 제어하여 가동부재의 왕복 운동이 수행되도록 하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된다.

Description

리니어 압축기
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 모터에 직렬로 연결되는 고용량 캐패시터를 제거하면서도 전류를 이용한 전압 연산 시에 정확한 연산이 가능하도록 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 고용량 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, 모터부에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부로부터의 전류를 적분하여, 역기전력이나 전압을 산정함에 있어서, 전류값의 초기치를 정확하게 설정해야 한다.
도 3은 종래 기술에 따른 전류의 적분 곡선 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전류(i)의 피크에서의 전류 초기치를 점(A), (B) 및 (C)와 같이 설정할 수 있다. 이때, 실제 전류(i)의 피크에 해당되는 것은 점(C)이고, 점(B)는 점(C)보다 낮은 크기이고, 점(A)는 점(B)보다 낮은 크기이다.
이에 따라, 점(A)를 피크로 설정한 경우의 전압(Va) 그래프, 점(B)를 피크로 설정한 경우의 전압(Vb) 그래프, 점(C)를 피크로 설정한 경우의 전압(Vc) 그래프를 비교할 경우, 적분된 값들은 전압(Va) 그래프가 가장 높은 피크를 지니게 되고, 그 다음으로 전압(Vb) 그래프이고, 가장 낮은 것은 전압(Vc) 그래프가 된다. 즉, 전류 피크에서의 초기치를 어떻게 설정하는가에 따라, 적분된 전압에서 현저하게 차이가 생기게 된다. 따라서, 전류 피크의 초기치가 부적절한 경우, 전류 적분값은 오프셋 값이 지속적으로 누적되어, 정확한 제어를 위해 사용하기 부적합하게 된다.
본 발명은 리니어 압축기의 모터에 연결된 캐패시터를 제거하면서도 냉력 가변 제어가 가능하도록 하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 리니어 압축기의 제어 중에 야기될 수 있는 스트로크 점프 현상을 방지하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전류를 이용하여 전압을 연산하는 과정에서, 오프셋의 누적으로 인한 직류 성분을 제거하여, 정확한 전압 연산이 가능하도록 하는 리니어 압축기를 제공하는것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전류를 이용하여 전압을 연산하는 과정을 하드웨어를 이용하여 간단하면서도 정확하게 연산이 가능하도록 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, 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부와, 전류 감지부로부터의 전류에 대응하는 전압을 적분하는 적분기 회로부와, 적분기 회로부로부터 적분값을 인가받아, 모터로 인가되는 교류 전압을 제어하여 가동부재의 왕복 운동이 수행되도록 하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된다.
또한, 제어부는 설정 전압과, 적분값에 대응하는 감쇄 전압 간의 차이에 해당되는 교류전압이 생성되도록 하는 제어 신호를 생성하여 인버터부로 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 제어부는 적분값에 상수(1/Cr)를 곱하여 감쇄 전압을 연산하는 것이 바람직하다.
또한, 제어부는 상수(1/Cr)를 가변하여, 냉력 가변율을 조절 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 적분기 회로부는 0V보다 큰 기준전압(Vref)을 입력받아, 기준전압(Vref)을 중심으로 가변하는 적분값을 출력하는 적분부를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 적분부는 전류 감지부로부터의 전압이 입력되는 반전입력단과, 기준전압(Vref)가 입력되는 비반전단을 구비하는 증폭기를 구비하고, 증폭기의 출력 전압을 반전입력단으로 귀환시키는 병렬 연결된 캐패시터와 저항으로 구성된 것이 바람직하다.
또한, 병렬 연결된 캐패시터와 저항에 의해 결정되는 차단 주파수는 전류의 주파수 또는 운전주파수보다 낮게 설정된 것이 바람직하다.
또한, 적분기 회로부는 적분부에 선행하여, 전류 감지부로부터의 전류에 대응하는 전압을 증폭하는 전압 증폭부와, 전압 증폭부의 출력 전압에 포함된 직류 오프셋(offset)을 차단하는 커플링부를 구비하고, 커불링부의 출력을 적분부의 반전입력단의 입력으로 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 적분기 회로부는 적분부의 출력 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 저대역 필터부를 포함하여 구성된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 리니어 압축기의 제어 방법은 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 고정부재 내부에서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재와 연결되도록 설치되어 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키는 모터를 구비하는 리니어 압축기의 제어 방법에 있어서, 상기 제어 방법은: 기설정된 인가 전압을 모터에 인가하는 제1단계와; 기설정된 인가 전압의 인가에 의한 전류에 대응하는 제1입력 전압을 생성하는 제2단계와; 생성된 제1입력 전압을 적분하여 제1출력 전압을 산정하는 제3단계와; 산정된 제1출력 전압을 일정 비율로 감쇄 연산하여 제1감쇄 전압을 생성하는 제4단계와; 인가 전압와 제1감쇄 전압의 차이에 대응하는 제1모터 인가 전압을 산정하는 제5단계와; 제1모터 인가 전압을 모터에 인가하는 제6단계를 포함한다.
본 발명은 리니어 압축기의 모터에 연결된 캐패시터를 제거하면서도 냉력 가변 및 냉력 가변율의 제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 리니어 압축기의 제어 중에 야기될 수 있는 스트로크 점프 현상을 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전류를 이용하여 전압을 연산하는 과정에서, 오프셋의 누적으로 인한 직류 성분을 제거하여, 정확한 전압 연산이 가능하도록 하여, 모터의 정밀 제어 및, 변동(fluctuation)을 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전류를 이용하여 전압을 연산하는 과정을 하드웨어를 이용하여 간단하면서도 정확하게 연산이 가능하도록 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 종래 기술에 따른 전류의 적분 곡선 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제1실시예인 제어 구성도이다. 도 5는 도 4의 제어부의 제어 실시예이다.
도 6는 도 4의 제어부의 다른 제어 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 모터의 입력 전압과 스트로크의 변환 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 냉력과 부하의 변화 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 전압 그래프들이다.
도 11은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제2실시예인 제어 구성도이다.
도 12는 도 11의 적분기 회로부의 상세 구성도이다.
도 13은 도 11의 제어부의 제어 실시예이다.
도 14는 도 4 내지 도 6의 제어 장치에서의 감쇄 전압(Vc)의 파형 그래프이다.
도 15는 도 11 내지 13의 제어 장치에서의 감쇄 전압(Vc) 또는 (Vo)의 파형 그래프이다.
이하에서, 본 발명은 실시예들과 도면을 통하여 설명된다.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제1실시예의 제어 구성도이고, 도 5는 도 4의 제어부의 제어 실시예이다.
도 4에 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. 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. 이후에도, 제어부(25)는 모터 인가 전압(Vmotor)을, 초기 전압인 인가 전압(Vin)과, 인가되는 모터 인가 전압(Vmotor)에 의한 전류를 적분한 감쇄 전압(예를 들면, 인가 전압(Vin)에 의한 제1감쇄 전압 또는 1차적으로 산정된 모터 인가 전압(Vmotor)에 의한 제2감쇄 전압 등등)과의 차이에 따라, 반복적으로 산정하여 인가하도록 한다.
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 작은 경우에는 저부하 또는 중부하로 판단된다. 이러한 저부하 또는 중부하의 경우, 인버터부(22)는 이 직류 전압(Vdc) 이내의 크기를 지닌 교류 전압(모터 인가 전압(Vmotor))을 모터(23)에 인가한다. 이에 따라, 제어부(25)는 인버터부(22)로부터 모터(23)에 인가되는 교류 전압의 크기를 조절하여, 필요한 냉력을 유지할 수 있도록 한다.
또한, 제어부(25)는 인버터부(22)로부터의 모터 인가 전압(Vmotor)의 주파수를 가변함으로써, 예를 들면, 고부하에서 주파수를 증가시킴으로써 필요한 고냉력을 성취할 수도 있다.
도 6는 도 4의 제어부의 다른 제어 실시예이다. 도 6은 제어부가 전류(i)의 피크를 잘못 선정할 수 있으므로, 이러한 잘못 선정된 전류를 적분하여, 생기는 오프셋의 누적으로 발생되는 직류 성분을 제거하기 위한 고대역 필터부(HPF)(25d)를 구비하는 경우이다.
전달함수로, 적분기(25a)와 감쇄기(25b)는 수학식 1과 같이 표시된다:
수학식 1
Figure PCTKR2011001124-appb-M000001
전달함수로, 고대역 필터부(25d)는 수학식 2와 같이 표시된다:
수학식 2
Figure PCTKR2011001124-appb-M000002
여기서, R은 저항값이고, C는 캐패시턴스이다.
이러한 고대역 필터부(25d)는 직렬 연결된 복수의 고대역 필터로 구성될 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구성도이다. 본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 7에 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 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 모터의 입력 전압과 스트로크의 변환 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 리니어 압축기에서는, 피스톤(36)이 상사점에 근접하여 가더라도, 모터의 입력 전압이 상승되어, stroke jump 현상이 야기되지 않는다. 이에 따라, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 안정적인 상태에서 냉력 가변이 수행될 수 있다. 즉, 제어부(25)는 가동부재인 피스톤(36)의 스트로크와, 모터(23)에 인가되는 교류 전압의 크기가 비례하도록, 모터(23)로 인가되는 교류 전압을 제어하여 부하에 대응하여 피스톤(36)의 왕복 운동에 의한 자연 냉력 가변을 수행할 수 있도록 한다.
특히, 피스톤(36)의 스트로크와, 모터(36)에 인가되는 교류 전압의 크기는 적어도 가동부재의 상사점으로의 근접 영역에서 비례하도록 하여, stroke jump를 방지한다.
도 9는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서의 냉력과 부하의 변화 그래프이다.
제어부(25)는 가변 가능한 상수(1/Cr)를 저장한다. 도 9에 도시된 바와 같이, Cr(10㎌)인 경우, 리니어 압축기의 냉력은 부하에 대응하여, 가변하고 있음이 확인된다.
Cr(1/Cr)의 값이 가변됨에 따라, 냉력 가변률이 도 9과 같이 가변되고 있음을 알 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 제어부(25)는 상수(1/Cr)(또는 Cr)를 가변하여 냉력 가변율을 조절할 수 있게 된다.
Cr이 가변됨에 따라, 저부하에서, 모터 인가 전압(Vmotor)와, 전류(i)의 위상차가 감소하게 되어, 같은 부하에서 더 많은 냉력을 낼 수 있다. 즉, Cr의 값에 의해 LC 공진 주파수가 결정되며, 일정 부하에서의 모터 인가 전압(Vmotor)와 전류(i)의 위상이 결정되는데, 이 때 Cr을 변경하게 되면, 모터 인가 전압(Vmotor)와 전류(i)의 위상이 달라지게 되어, 전체 전력이 달라지게 된다. 곧, 냉력이 커지거나 작아지게 되므로 자연 냉력 가변률이 상이하게 된다.
도 10은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 전압 그래프들이다. 도시된 바와 같이, 인가 전압(Vin)으로부터 전류(i)로부터 연산된 감쇄 전압(Vc)을 감산하여, 실제의 모터 인가 전압(Vmotor)를 연산하게 되며, 이 모터 인가 전압(Vmotor)은 코일(L)에 복수의 캐패시터가 직렬로 연결된 회로에서 모터에 인가되는 전압과 동일하게 되어, 리니어 압축기는 냉력 가변 제어될 수 있다.
상술된 도 4 내지 6에 도시된 제어부에 의한 제어의 경우, 제어부(25)를 구성하는 마이크로프로세서의 A/D 해상도(resolution)에 상당한 영향을 받게 되며, 적분기(25a)의 출력에 2~30V 정도의 변동(fluctuation)이 발생할 수도 있기에, 냉력 자체에 변동이 야기될 우려가 있다. 이러한 점들을 추가적으로 보완하기 위해, 하기와 같은 하드웨어 적분 장치가 적용될 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제2실시예인 제어 구성도이고, 도 12는 도 11의 적분기 회로부의 상세 구성도이다.
도 11의 제어 구성도에서는, 도 4의 제어 구성도와 동일한 식별번호로 지시되는 교류전원, 정류부(21)와, 인버터부(22)와, 모터(23)와, 전류 감지부(24)와, 전압 감지부(26)는 동일한 회로 구성과 기능을 수행한다.
도 11의 제어 장치(전기 제어 유닛)는 전류 감지부(24)로부터 모터(23)에 흐르는 전류에 대응하는 입력전압(Vi)을 인가받아 적분을 수행하여, 출력 전압(Vo)을 제어부(28)에 인가하는 적분기 회로부(27)와, 적분기 회로부(27)로부터 출력 전압(Vo)과, 전압 감지부(26)로부터 전압을 인가 받아, 인버터부(22)로 모터 인가 전압(Vmotor)을 생성하도록 제어 신호를 생성하여 제어하는 제어부(28)를 구비한다. 본 실시예에서도, 제어부(28), 인버터부(22)의 구동을 위한 직류 전압 등을 공급하는 전원 공급장치는 구비될 것이나, 본 발명이 속하는 기술분야에 익숙한 사람에게는 그 구성 및 기능 등의 명백하게 인식되는 정도에 불과하여, 그 설명이 생략된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 적분기 회로부(27)는 전류 감지부(24)로부터의 입력 전압(Vi)을 증폭하는 전압 증폭부(a)와, 전압 증폭부(a)의 출력 전압(V11)에 포함된 직류 오프셋(offset)을 차단하는 커플링부(b)와, 커플링부(b)의 출력 전압을 인가받아 적분하는 하드웨어적인 적분부(c)와, 적분부(c)의 출력 전압(V44)에 포함된 노이즈를 제거하는 저대역 필터부(d)를 포함하여 구성된다.
자세하게는, 전압 증폭부(a)는 저항(R1)과, 저항(R1)을 통하여 입력전압(Vi)을 인가받는 반전입력단과, 접지된 비반전입력단을 구비하는 증폭기(Amp1)과, 증폭기(Amp1)의 출력 전압(V11)을 증폭기(Amp1)의 반전입력단으로 귀환시키는 병렬로 연결된 캐패시터(C2)와 저항(R2)를 구비한다. 전압 증폭부(a)는 전류 감지부(24)의 출력 전압(Vi)가 스케일이 낮기 때문에, 그 전압을 증폭하는 구성요소이다. 전압 증폭부(a)에서의 입력전압(V1)과 전압(V11) 간의 관계는 하기의 수학식3과 같다.
수학식 3
Figure PCTKR2011001124-appb-M000003
여기서, Z2=(R2∥C2)로, 저항(R2)와, 캐패시터(C2)의 병렬 임피던스에 해당된다. 또한, 캐패시터(C2)와 저항(R2)에 의한 차단(cut-off) 주파수는 예를 들면, 1kHz 이하로 설정되어, 이전 단계 또는 이전 구성요소에서 생성되어 포함된 스위칭 노이즈 등을 제거하는 기능을 수행한다.
커플링부(b)는 직류 offset을 제거하는 캐패시터(C5)와, 캐패시터(C5)에 직렬로 연결되어 전압(V11)의 파형이 안정될 수 있도록 하는 저항(R5)으로 구성된다.
적분부(c)는 커플링부(b)를 통하여 전압(V11)이 입력되는 반전입력단과, 기준전압(Vref)가 입력되는 비반전입력단을 구비하는 증폭기(Amp2)를 구비하고, 증폭기(Amp2)의 출력 전압(V44)을 증폭기(Amp2)의 반전입력단으로 귀환시키는 병렬 연결된 캐패시터(C6)와 저항(R6)으로 이루어진다.
증폭기(Amp2)의 비반전입력단으로의 기준전압(Vref)은 하기와 같은 수학식 4에 의해 결정된다.
수학식 4
Figure PCTKR2011001124-appb-M000004
여기서, Vd는 직류 전압에 해당되며, 예를 들면, 15V이며, 저항(Ra)와, (Rb)의 비를 조절하여, 기준전압(Vref)은 예를 들면, 2.5V로 설정될 수 있다. 이 기준 전압(Vref)은 저항(R20)을 통하여 비반전 단자에 입력된다. 커플링부(b)에 의해 AC 파형이 직류 성분이 제거되어, 0V를 기준으로 하여 상하로 변동(fluctuate)하게 된다. 이러한 전압 파형은 기준전압(Vref)에 의해, 기준전압(Vref)을 기준으로 상하로 변동하게 되어, 마이크로프로세서 등을 포함하는 제어부(28)의 0 내지 5V 사이에서 원하는 크기로의 처리가 용이하게 된다. 이러한 기준 전압(Vref)은 제어부(28)의 입력 전압 레벨에도 대응하게 된다.
저항(R6)과 캐패시터(C6)에 의해 결정되는 cut-off 주파수(=1/(2πC6×R6))는 전류(예를 들면, 모터(23)에 흐르는 전류)의 주파수 및/또는 운전주파수보다 낮게 설정되어야 한다. 만약 입력되는 전류의 주파수 또는 운전주파수보다 높게 설정되면, 저항(R6) 및 캐패시터(C6)는 저대역 필터로 동작하게 되므로, 낮게 설정되어야 적분기 기능을 수행하게 된다.
전압(V11)과 기준전압(Vref) 및 전압(V44) 사이에는 하기의 수학식에 따른 관계가 성립한다.
수학식 5
Figure PCTKR2011001124-appb-M000005
여기서, Z5는 캐패시터(C5)와 저항(R5)에 따른 임피던스이고, Z6은 캐패시터(C6)과 저항(R6)에 따른 임피던스이다.
수학식 6
Figure PCTKR2011001124-appb-M000006
저대역 필터부(d)는 전압(V44)가 인가되는 저항(R9)와, 일단은 저항(R9)에 연결되고, 타단은 접지된 캐패시터(C9)로 이루어진다. 저대역 필터부(d)는 인가되는 전압 파형에 고주파 노이즈가 실려 올 때, 그 노이즈 성분을 제거하기 위한 것으로서, 예를 들면 5kHz 이상의 스위칭 노이즈를 제거할 수도 있다.
이렇게 노이즈가 제거된 전압(Vo)가 제어부(28)에 인가된다.
제어부(28)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 감지하고, 이 전류(i)에 대응하는 입력 전압(Vi)를 적분기 회로부(27)에 인가한다.
적분기 회로부(27)는 전류 감지부(24)로부터 전압(Vi)를 인가받아, 상술된 소자에 의한 처리를 수행하고, 전압(Vo)를 제어부(28)에 인가한다.
종래 기술에 포함된 캐패시터(C2)의 용량은 도 11 및 12에 구비되는 캐패시터(C2), (C5), (C6) 및 (C9)의 용량에 비하여 현저하게 커야 동작하게 된다.
도 13은 도 11의 제어부의 제어 실시예이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 제어부(28)는 전압(Vo)에 상수(1/Cr)를 곱하여 감쇄 전압(Vc)을 연산하는 감쇄기(28a)와, 설정된 인가 전압(Vin)과, 감쇄 전압(Vc)의 차를 연산하는 연산부(28b)를 구비한다. 본 실시예에서의 인가 전압(Vin)은 종래 기술의 압축기에서의 인버터부가 인가하는 전압에 해당될 것으로, 리니아 압축기의 제어 알고리즘에 따라 고정 또는 가변하게 된다.
적분기 회로부(27)와, 감쇄기(28a)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(28a)는 선택적으로 구비될 수 있다. 즉, 전압(Vo)의 적분 처리시에, 이러한 상수(1/Cr)가 반영되도록 조절할 수도 있으며, 이때 전압(Vo)와 전압(Vc)은 동일한 것이 된다. 또는, 제어부(28)가 감쇄기(28a)를 구비하여, 전압(Vo)에 상수(1/Cr)를 곱하여, 전압(Vc)을 산정할 수도 있다. 이러한 과정은 도 9과 같이 상수(Cr)를 가변함으로써, 냉력 가변율을 조절 및 변경할 수 있이 명백하다.
이에 따라, 제어부(28)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(28)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. 이후에도, 제어부(28)는 모터 인가 전압(Vmotor)을, 초기 전압인 인가 전압(Vin)과, 인가되는 모터 인가 전압(Vmotor)에 의한 전류를 적분한 감쇄 전압(예를 들면, 인가 전압(Vin)에 의한 제1감쇄 전압 또는 1차적으로 산정된 모터 인가 전압(Vmotor)에 의한 제2감쇄 전압 등등)과의 차이에 따라, 반복적으로 산정하여 인가하도록 한다.
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 작은 경우에는 저부하 또는 중부하로 판단된다. 이러한 저부하 또는 중부하의 경우, 인버터부(22)는 이 직류 전압(Vdc) 이내의 크기를 지닌 교류 전압(모터 인가 전압(Vmotor))을 모터(23)에 인가한다. 이에 따라, 제어부(28)는 인버터부(22)로부터 모터(23)에 인가되는 교류 전압의 크기를 조절하여, 필요한 냉력을 유지할 수 있도록 한다.
또한, 제어부(28)는 인버터부(22)로부터의 모터 인가 전압(Vmotor)의 주파수를 가변함으로써, 예를 들면, 고부하에서 주파수를 증가시킴으로써 필요한 고냉력을 성취할 수도 있다.
도 14는 도 4 내지 도 6의 제어 장치(제1실시예)에서의 감쇄 전압(Vc)의 파형 그래프이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 제어 장치는 영역(F)에서, 변동(fluctuation)이 빈번하게 발생됨이 확인된다.
도 15는 도 11 내지 13의 제어 장치(제2실시예)에서의 감쇄 전압(Vc) 또는 (Vo)의 파형 그래프이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 제어 장치는 전압 파형에 변동(fluctuation)이 거의 발생되지 않음이 확인된다. 이러한 안정된 전압 파형에 따라, 제어부는 정밀한 모터 제어가 가능하며, 냉력 자체에도 산포가 발생되지 않게 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 (15)

  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, 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부와, 전류 감지부로부터의 전류에 대응하는 전압을 적분하는 적분기 회로부와, 적분기 회로부로부터 적분값을 인가받아, 모터로 인가되는 교류 전압을 제어하여 가동부재의 왕복 운동이 수행되도록 하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서, 제어부는 설정 전압과, 적분값에 대응하는 감쇄 전압 간의 차이에 해당되는 교류전압이 생성되도록 하는 제어 신호를 생성하여 인버터부로 인가하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제2항에 있어서, 제어부는 적분값에 상수(1/Cr)를 곱하여 감쇄 전압을 연산하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제3항에 있어서, 제어부는 상수(1/Cr)를 가변하여, 냉력 가변율을 조절 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제1항에 있어서, 적분기 회로부는 0V보다 큰 기준전압(Vref)을 입력받아, 기준전압(Vref)을 중심으로 가변하는 적분값을 출력하는 적분부를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제1항에 있어서, 적분부는 전류 감지부로부터의 전압이 입력되는 반전입력단과, 기준전압(Vref)가 입력되는 비반전단을 구비하는 증폭기를 구비하고, 증폭기의 출력 전압을 반전입력단으로 귀환시키는 병렬 연결된 캐패시터와 저항으로 구성된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  7. 제6항에 있어서, 병렬 연결된 캐패시터와 저항에 의해 결정되는 차단 주파수는 전류의 주파수 또는 운전주파수보다 낮게 설정된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 제5항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 적분기 회로부는 적분부에 선행하여, 전류 감지부로부터의 전류에 대응하는 전압을 증폭하는 전압 증폭부와, 전압 증폭부의 출력 전압에 포함된 직류 오프셋(offset)을 차단하는 커플링부를 구비하고, 커플링부의 출력을 적분부의 반전입력단의 입력으로 인가하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제8항에 있어서, 적분기 회로부는 적분부의 출력 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 저대역 필터부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 고정부재 내부에서 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재를 탄성 지지하도록 설치된 적어도 하나 이상의 스프링과, 가동부재와 연결되도록 설치되어 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키는 모터를 구비하는 리니어 압축기의 제어 방법에 있어서, 상기 제어 방법은:
    기설정된 인가 전압을 모터에 인가하는 제1단계와;
    기설정된 인가 전압의 인가에 의한 전류에 대응하는 제1입력 전압을 생성하는 제2단계와;
    생성된 제1입력 전압을 적분하여 제1출력 전압을 산정하는 제3단계와;
    산정된 제1출력 전압을 일정 비율로 감쇄 연산하여 제1감쇄 전압을 생성하는 제4단계와;
    인가 전압와 제1감쇄 전압의 차이에 대응하는 제1모터 인가 전압을 산정하는 제5단계와;
    제1모터 인가 전압을 모터에 인가하는 제6단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어 방법은 제2 내지 제6단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서, 제3단계 및 제4단계를 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서, 제3단계는 0V보다 큰 기준전압(Vref)을 입력받아, 기준전압(Vref)을 중심으로 가변하는 제1출력 전압을 산정하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서, 제3단계는 전류의 주파수 또는 운전 주파수보다 낮은 차단 주파수로 적분을 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
  15. 제10항에 있어서, 일정 비율은 냉력 가변율에 따라 가변 가능한 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어 방법.
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