리니어 압축기{LINEAR COMPRESSOR}

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 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 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 않 으며, 복수의 캐패시터를 구비하여, 선택적으로 연결하는 것도, 비용적인 면과, 공간적인 면 아울러, 설계상의 어려움이 따르게 된다.

또한, 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.

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, 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 전 류 감지부와, 전류 감지부로부터의 전류를 필터링하는 저대역 필터와, 저대역 필터로부터의 필터링된 전류를 인가받아, 모터로 인가되는 교류 전압을 제어하여 부하에 대응하여 가동부재의 왕복 운동에 의한 냉력 가변을 수행하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된다.

또한, 제어부는 필터링된 전류에 상수(RC/Cr)를 곱하여, 감쇄 전압을 연산하고, 설정 전압과, 감쇄 전압 간의 차이에 해당되는 교류전압이 생성되도록 하는 제어 신호를 생성하여 인버터부로 인가하는 것이 바람직하다.

또한, 저대역 필터의 차단 주파수는 운전주파수보다 낮은 것이 바람직하다.

또한, 저대역 필터의 시정수는 RC인 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, 정류부에 의한 직류 전압을 감지하는 전압 감지부와, 모터와 인버터부 사이에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부와, 전류 감지부로부터의 전류로부터 모터의 필요 전압을 산정하되, 산정된 필요 전압에 포함된 직류 성분을 제거하여 인가 전압을 연산하여, 인가 전압이 모터에 인가되도록 제어 신호를 생성하여 인버터부로 인가하는 제어부를 포함하는 전기 제어 유닛으로 구성된다.

본 발명은 리니어 압축기의 모터에 연결된 캐패시터를 제거하면서도 냉력 가변 제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 리니어 압축기의 제어 중에, 스트로크 점프 현상을 방지하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전류를 이용하여 전압을 연산하는 과정에서, 오프셋의 누적으로 인한 직류 성분을 제거하여, 정확한 전압 연산이 가능하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전류를 이용하여 전압을 연산하는 과정을 하드웨어를 이용하여 간단하면서도 정확하게 연산이 가능하도록 하는 효과가 있다.

이하에서, 본 발명은 도면과 실시예를 통하여 상세하게 기재된다.

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 소자이 다. 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 제어하 여, 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:

전달함수로, 고대역 필터부(25d)는 수학식 2와 같이 표시된다:

여기서, R은 저항값이고, C는 캐패시턴스이다.

수학식1과 2를 종합하여, 전류(i)와, 필터링된 전압(Vc-high)의 관계는 하기의 수학식3과 같다:

즉, 저대역 필터의 전달함수(1/(sRC+1))와, 감쇄 인자(RC/Cr)로 전류(i)가 필터링된 전압(Vc-high)로 변환됨을 알 수 있다. 여기서, 저대역 필터의 전달함수에 포함된 RC는 시정수에 해당되며, 차단 주파수는 시정수에 반비례하며, 이러한 것을 이미 널리 알려진 사항에 불과하다.

도 7은 도 6의 등가 제어 실시예이다. 도 7은 수학식 3을 적용한 실시예이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 전류(i)를 저대역 필터부(LPF)(25e)에 의해, 저대역 필터링을 수행하고, 필터링된 값에 제2감쇄기(25f)의 감쇄 인자(RC/Cr)를 곱하여, 필터링된 전압(Vc-high)을 생성할 수 있다.

도 7에서의 저대역 필터부(25e)는 소프트웨어적으로 구현될 수도 있고, 하드웨어적으로 구현될 수도 있다.

도 8은 도 7의 제어가 적용되는 리니어 압축기의 제2실시예인 제어 구성도이다. 도 8에서의 상용전원과, 정류부(21)와, 인버터부(22)와, 모터(23) 및 전류 감 지부(24), 전압 감지부(26)는 도 4의 구성요소들과 동일하다.

리니어 압축기는 전류 감지부(24)에 의해 감지된 전류(i)를 저대역 필터링 하는 저대역 필터부(25e)를 구비하고, 제어부(27)는 제2감쇄기(25f)를 내부에 구비하여, 필터링된 값에 감쇄 인자(RC/Cr)를 곱하여, 전압(Vc-high)을 산정한다. 제어부(27)는 전압(Vc-high)를 산정한 이후에는 도 5와 같이, 모터 인가 전압(Vmotor)을 산정하고, 그에 대응하는 제어 신호를 생성하여 인버터부(22)에 인가한다.

저대역 필터부(25e)는 예시된 바와 같이, 전류 감지부(24)와, 제어부(27)에 직렬로 연결된 저항(R)과, 일단은 저항(R)과 전류 감지부(24) 사이에 연결되고, 타단은 접지된 캐패시터(C)로 구성될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구성도이다.

본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 9에 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(f _n )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 바람직하 다.

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(K _m )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 나란 하게 설치되는 것이 바람직하며, 지지프레임(56)에 지지되는 기계 스프링(38a)과 실린더(34)에 설치되는 기계 스프링(38a)이 동일한 기계 스프링 상수(K _m )를 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.

하지만, 가스 스프링은 부하에 의존하는 가변되는 가스 스프링 상수(K _g )를 가지되, 압축공간(P)에 포함된 가스는 주변온도가 높아질수록 냉매의 압력이 커짐에 따라 자체 탄성력이 커짐으로 상기 가스 스프링은 부하가 커질수록 가스 스프링 상수(K _g )가 커지게 된다.

이때, 기계 스프링 상수(K _m )는 일정한 반면, 가스 스프링 상수(K _g )는 부하에 의존하여 가변되기 때문에 전체 스프링 상수 역시 부하에 의존하여 가변되고, 피스톤의 고유주파수(f _n ) 역시 상기 가스 스프링 상수(K _g )에 의존하여 가변된다.

따라서, 부하가 가변되더라도 기계 스프링 상수(K _m ) 및 피스톤의 질량(M)은 일정한 반면, 가스 스프링 상수(K _g )가 가변되기 때문에 피스톤의 고유주파수(f _n )는 부하에 의존하는 가스 스프링 상수(K _g )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(K _g )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(K _g )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(K _m ) 및 가스 스프링 상수(K _g )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 연 결부재(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 10 및 11은 본 발명에 따른 제어에 의한 전압과, 실제 전압 그래프 간의 비교 그래프들이다. 도 10과 11은 저대역 필터부(25e)의 차단 주파수(cut-off frequency)의 크기에 따른 그래프들이다. 종래 기술에 따라 모터에 캐패시터가 연결된 경우의 캐패시터 양단 전압이 A 선이고, 본 발명에 따라 연산된 Vc-high가 B 선이다.

도 10은 차단 주파수가 10Hz인 경우이고, 도 11은 3Hz인 경우이다.

도 10에 도시된 바와 같이, A 선과 B 선 간의 크기의 차이가 다소 있으나, 도 11의 경우 A 선과 B 선 간의 크기의 차이가 거의 없이, 일치하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 종래 기술에 따른 모터에 캐패시터가 연결되지 않더라도, 모터의 냉력 가변 동작에 전혀 지장을 주지 않게 된다.

본 실시예에서, 차단 주파수가 10Hz, 3Hz인 경우가 도시되었으나, 적어도 차단 주파수는 60Hz보다 낮게 설정되어, 전압 또는 전류에 포함된 데이터가 손실되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

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 제한되 어야 한다.

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 도 6의 등가 제어 실시예이다.

도 8은 도 7의 제어가 적용되는 리니어 압축기의 제2실시예인 제어 구성도이다.

도 9는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구성도이다.

도 10 및 11은 본 발명에 따른 제어에 의한 전압과, 실제 전압 그래프 간의 비교 그래프들이다.