KR101483326B1

KR101483326B1 - 리니어 모터에 의해 구동되고 실린더와 피스톤 사이의 충격의 검출기를 갖는 가스 컴프레서, 검출 방법

Info

Publication number: KR101483326B1
Application number: KR1020107012829A
Authority: KR
Inventors: 디트마르 에리히 버나드 릴리; 네리안 페르난도 페레이라; 마르셀로 크니스; 파울로 세르지오 다인에즈
Original assignee: 월풀 에쎄.아.
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2015-01-15
Also published as: CN101910629A; JP5603249B2; CN101910629B; ES2404605T3; WO2009082799A2; EP2227634B1; EP2227634A2; BRPI0705049B1; BRPI0705049A2; KR20100093082A; US20110058960A1; US8784069B2; WO2009082799A3; JP2011508583A

Abstract

본 발명은 가스 컴프레서의 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격 또는 충돌의 발생을 검출할 수 있는 방법을 개시하고 있다. 상기 방법은 i) 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 리니어 모터의 전기적 출력과 연관된 참조 신호(Sr)를 획득하는 단계; ii) 피스톤이 상사점에 도달한 후에 리니어 모터의 상기 전기적 출력과 연관된 검출 신호(Sd)를 획득하는 단계; iii) 참조 신호(Sr)와 검출 신호(Sd)를 비교하는 단계; 및 iv) 검출 신호(Sd)가 미리 설정된 허용오차를 고려하여 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격으로부터 추출되는 변화를 나타냄을 단계 iii의 비교 결과가 가리킬 때 충격의 발생을 기록하는 단계;를 갖추어 이루어진다. 본 발명은 또한 상기한 발명을 실행할 수 있는 전자 검출 장치를 개시하고 있다. 본 발명은 또한 상기한 검출기를 포함하는 가스 컴프레서(100)와 제어 시스템을 개시하고 있다.

Description

리니어 모터에 의해 구동되고 실린더와 피스톤 사이의 충격의 검출기를 갖는 가스 컴프레서, 검출 방법{GAS COMPRESSOR DRIVEN BY A LINEAR MOTOR AND HAVING A DETECTOR OF IMPACT BETWEEN A CYLINDER AND A PISTON, METHOD OF DETECTION}

본 발명은 가스 컴프레서(gas compressor) 내의 리니어 모터(linear motor)에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 사이의 충격 또는 충돌의 발생을 검출할 수 있는 방법을 개시하고 있다.

본 발명은 또한 가스 컴프레서 내의 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 사이의 충격 또는 충돌의 발생을 검출할 수 있는 전기 장치를 개시하고 있다.

본 발명은 또한 상기한 장치를 포함하는 가스 컴프레서를 개시하고 있다.

본 발명은 상기한 장치를 포함하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 세트를 위한 제어 시스템을 더 개시하고 있다.

현재, 리니어 모터들에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 세트들의 사용은 범용화되었다. 이러한 타입의 세트는 예컨대, 냉장고와 에어컨과 같은 냉각 시스템들 내의 리니어 컴프레서들에 유리하게 적용된다. 리니어 컴프레서들은 낮은 에너지 소비를 나타내고 따라서, 문제가 있는 적용에 매우 효율적이다.

리니어 컴프레서는 보통 실린더의 내측으로 이동하는 피스톤을 포함한다. 이 실린더의 헤드는 보통 실린더의 내측으로부터 저압 가스의 진입 및 고압 가스의 배출을 조절하는 가스 배출 밸브들(gas discharge valves)과 가스 흡입 밸브들(gas suction valves)을 하우징한다. 리니어 컴프레서의 실린더 내측의 피스톤의 축 방향 움직임은 그곳의 압력을 증가시키는 흡입 밸브에 의해 출입이 허용되는 가스를 압축하고, 배출 밸브에 의해 고압 영역으로 그것을 배출한다. 선택적으로, 리니어 컴프레서들의 구성들이 있고, 여기서 흡입 밸브는 피스톤 상에 위치되며, 또는 밸브 보드(valve board)는 배출 밸브가 실린더의 모든 상부를 덮는 경우, 없어도 된다.

리니어 컴프레서는, 피스톤이, 장비의 소모에 더하여, 크고 불쾌한 소음을 야기하는 피스톤 통로의 다른 종단에 배열된 다른 구성요소들과, 또는 실린더 헤드와 충돌하는 것을 방지하기 위해 실린더 내측의 피스톤의 변위를 제어할 수 있어야만 한다. 그럼에도 불구하고, 리니어 컴프레서의 수행과 효율을 최적화하고 컴프레서의 전력 소비를 최소화하기 위해, 피스톤이 그것과 충돌없이 피스톤 헤드가 최대한 가깝게 접근하면서, 가능한한 실린더 내측으로 움직이는 것이 바람직하다.

통상적으로, 피스톤의 상기 변위 제어는 피스톤의 위치를 결정할 수 있는 센서들에 의해 수행된다. 이 경우에 있어서, 컴프레서가 작동 중에 있을 때 실린더의 변위 폭은 정확히 알려져야만 하고, 이러한 폭의 계산된 에러가 커질수록, 충돌을 회피하기 위해 실린더 헤드와 피스톤의 변위의 최대점 사이에 있어야만 하는 안전 거리는 더 커지게 된다. 이러한 안전 거리는 컴프레서의 효율성에 손실을 제공한다.

리니어 컴프레서의 실린더 내측의 피스톤의 축 방향 변위를 제어하는 소정 메카니즘 및 시스템들은 기술분야란에 이미 알려져 있다. 이는 위치 센서에 의해 측정되는 이산 위치 신호들을 사용하고 동시에 그것들을 피스톤의 최대로 개선된 위치를 결정하도록 개찬한 피스톤 위치 제어 유닛을 공개한 문서 JP 11336661을 포함한다. 이러한 해결책으로 인해, 피스톤의 변위 폭의 높은 수준의 정확도에 도달하는 것이 가능해졌다. 그러나, 피스톤의 변위 폭을 측정하는 것은 실린더 헤드와 피스톤 사이의 거리를 측정하는 관심 사이트에서 수행되지 않는다. 이는 이러한 문서 내에 공개된 시스템이 위치 센서의 어셈블리 위치(assembly position) 내의 허용 한계에 있어야만 하기 때문이다.

문서 BR 0001404-4는 축 방향으로 위치변환이 가능한 컴프레서의 위치를 검출하는데 부분적으로 적용할 수 있는 위치 센서를 설명한다. 컴프레서는 피스톤이 이동하는 속이 빈 몸체(hollow body)와 헤드 사이에 위치하는 밸브 블레이드(valve blade)를 포함한다. 센서는, 속이 빈 몸체의 포인트(point)에 의해 피스톤의 통로를 캡쳐(capturing)할 수 있고 제어 회로에 신호를 보내며 제어 회로와 전기적으로 연결된 프로브를 포함한다. 그러므로, 이러한 시스템은 실린더 헤드와 피스톤 사이의 거리를 측정할 수 있으나, 실린더 위치 변환기로서 사용되는 전기 회로의 구조는 부정확한 독해를 야기하는 전기적 접촉 실패들로 인해, 원하지 않는 전기적 노이즈를 발생시킨다.

문서 BR 0203724-6은 변형들이 컴프레서 작동 상태 내에서 또는 심지어 전압 내에서 발생할 때 유체 이동 보드와 충돌하는 것을 방지하기 위해 리니어 컴프레서 내의 피스톤 위치를 검출하는 다른 방법을 제안한다. 이 문서에서 제안한 해결책은 직접적으로 피스톤의 상부 위에 있는 유체 보드와 피스톤 사이의 거리를 측정하는 것이고, 이는 높은 정확도의 해결책이다. 그러나, 이러한 구조는 밸브 보드 센서를 설치하기 위한 공간을 필요로 하고, 이는 더 많은 비용이 든다.

상기한 기술분야란의 문서들은 구체적인 센서들의 방법에 의해 피스톤의 변위와 위치의 직접적인 측정에 기초한 해결책을 설명하고, 명백하게, 그것들이 낮은 가격을 갖으면서 좋은 제어 정확도를 갖출 수는 없다. 더욱이, 상기 해결책들은 높은 어셈블리 정확도가 요구되기 때문에, 실행의 소정 정확도, 생산 프로세스를 방해하는 것과 관련되어 있다. 게다가, 위치 또는 변위 센서의 사용이 최적화된 공간을 차지하는 컴팩트 생산품의 개발을 방해하기 때문에, 위치 또는 변위 센서의 사용은 바람직하지 않은, 컴프레서 내에 추가적인 공간의 배치를 요구한다.

문서 US 5342176은 영구 자석 리니어 모터에 인가되는 전압 및 전류와 같은 모터 변수들을 감시함으로써 피스톤 동작의 폭을 예측하는 방법을 제안한다. 즉, 리니어 모터 자신은 피스톤 위치 변환기이다. 이 해결책은 컴프레서 내측의 센서와 같은 추가적인 변환기의 사용 없이 쓸 수 있다는 이점을 나타낸다. 그러나, 제안된 방법은 매우 낮은 정확도를 갖는다는 중대한 약점을 갖고, 이 점은 충돌을 피하기 위해 피스톤과 실린더 헤드 사이에 안전 거리를 크게 요구하므로, 컴프레서에 대한 중대한 수행 손실을 초래한다.

본 발명의 첫 번째 목적은 센서의 사용 없이 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 사이의 충격을 검출하기 위한 방법을 제공하는 것으로 구성된다.

본 발명의 두 번째 목적은 센서의 사용 없이 낮은 가격을 갖는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 사이의 충격 검출기를 제공하는 것으로 구성된다.

본 발명의 세 번째 목적은 센서의 사용 없이 낮은 가격을 갖는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 사이의 충격을 검출할 수 있는 가스 컴프레서를 제공하는 것으로 구성된다.

본 발명의 네 번째 목적은 좋은 정확도를 나타내는 실린더를 구비한 피스톤의 충격을 방지할 수 있는 제어 시스템을 제공하는 것으로 구성된다.

본 발명의 첫 번째 목적은

i) 피스톤이 상사점(upper dead center)에 도달하기 전에 리니어 모터의 전기적 출력과 연관된 참조 신호(reference signal: Sr)를 획득하는 단계;

ii) 피스톤이 상사점에 도달한 후에 리니어 모터의 상기 전기적 출력과 연관된 검출 신호(defection signal: Sd)를 획득하는 단계;

iii) 참조 신호(Sr)와 검출 신호(Sd)를 비교하는 단계; 및

iv) 검출 신호(Sd)가 미리 설정된 허용오차를 고려하여 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격으로부터 추출되는 변화를 나타냄을 단계 iii의 비교 결과가 가리킬 때 충격의 발생을 기록하는 단계;를 갖추어 이루어지는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 사이의 충격을 검출하는 방법을 통해 달성된다.

본 발명의 두 번째 목적은 리니어 모터와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 조절 회로를 포함하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 사이의 충격 검출기의 공급에 의해 달성되고, 여기서 조절 회로는 적어도 모터로부터 나오는 전기 신호의 고주파수 범위를 선택하도록 구성된 필터; 필터와 전기적으로 연결되고, 필터로부터 나오는 참조 신호를 검출 신호와 비교할 수 있으며, 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 참조 신호를 획득하도록 구성되고, 피스톤이 상사점에 도달한 후에 검출 신호를 획득하도록 구성되는 비교 수단; 및 비교 수단 출력과 연관된 전기 신호의 감시 수단;을 갖추어 이루어지고, 감시 수단은 검출 신호가 미리 설정된 허용오차를 고려하여, 참조 신호와 관련된 변화를 나타냄을 비교 수단이 가리킬 때 충격을 검출하도록 구성된다.

본 발명의 세 번째 목적은 적어도 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 및 적어도 실린더와 피스톤 사이의 충격 검출기를 포함하는 가스 컴프레서의 공급에 의해 달성되고, 검출기는 모터에 전기적으로 연결되어 있으며 상기한 바에 따른다.

본 발명의 네 번째 목적은 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 세트를 위한 제어 시스템의 공급에 의해 달성되고, 제어 시스템은 적어도 모터에 작동하도록 연결된 컨트롤러 및 적어도 실린더와 피스톤 사이에 충격 검출기를 포함하며, 검출기는 컨트롤러에 전기적으로 연결되어 있고, 상기한 바에 따른다.

도 1은 본 발명에 따른 실린더와 피스톤 사이의 충격을 검출하는 방법이 적용된 컴프레서의 단면도,
도 2는 실린더와 피스톤 사이에 어떠한 충격도 발생하지 않는 상황에서 리니어 모터의 곡선을 도시한 그래프,
도 3은 실린더와 피스톤 사이에 충격이 발생하는 제 1 상황에서 리니어 모터의 곡선을 도시한 그래프,
도 4는 실린더와 피스톤 사이에 충격이 발생하는 제 2 상황에서 리니어 모터의 곡선을 도시한 그래프,
도 5는 실린더와 피스톤 사이의 충격을 도시한 영역을 나타내는 도 4에서 도시한 그래프 내의 하이라이트 영역의 확대도,
도 6은 본 발명의 물체, 실린더와 피스톤 사이의 충격 검출기의 구성요소를 도시한 블록 다이어그램,
도 7은 본 발명의 물체, 실린더와 피스톤 세트의 제어 시스템을 도시한 블록 다이어그램을 도시한다.

이하, 예시 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 각 실시예를 상세히 설명한다.

리니어 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 세트

도 1은 본 발명에 따라 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격 검출기를 갖는 리니어 모터에 의해 구동하는 실린더와 피스톤 세트에 리니어 모터를 구비한 컴프레서를 도시한다.

도 1의 바람직한 실시예에 도시된 실린더와 피스톤 세트는 밸브 헤드라고 언급되는 밸브 보드를 그것의 상부 종단에 구비한 실린더(2)를 포함한다. 이 밸브 보드는 실린더(2)로 저압 공기를 허락하는 공기 흡입 밸브(3a)와실린더와 피스톤 세트가 공기 컴프레서에 적용된다면, 실린더(2)의 고압 공기를 배출해 내보내는 공기 배출 밸브(3b)를 포함한다.

실린더와 피스톤 세트의 다른 응용에 있어서, 실린더(2)의 내측과 연결된 흡입 및 배출 밸브(3a 및 3b)는 다른 타입의 유체와 함께 동작할 수 있다. 예컨대, 실린더와 피스톤 세트가 펌프에 적용된다면, 밸브들(3a 및 3b)은 물과 같은 다른 타입의 유체를 배출하고 허용한다.

실린더와 피스톤 세트는 또한 연합하여 공진 세트를 구성하는, 실린더(2)의 내측에서 움직이는 피스톤(1)을 포함한다. 실린더(2) 내측에서, 피스톤(1)은 가스가 배출 밸브(3b)에 의해 고압 사이드로 배출될 수 있는 포인트까지, 가스가 흡입 밸브(3a)에 의해 실린더(2)의 내측에 허락되는 압축 움직임을 보이는 왕복 리니어 운동을 수행한다.

피스톤(1)은 적어도 하나의 자석(5)과 결합됨에 따라 피스톤(1)의 변위가 자석(5)의 변위에 대응하도록 야기하고 그 역도 또한 같다. 자석(5)은 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤(1)의 외곽 표면 주위에 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 자석은 예컨대, 피스톤(1)과 연결되는 축(stem)에 고정되는 것과 같이, 다른 방법으로 피스톤(1)에 연결될 수 있다.

실린더와 피스톤 세트는 또한 피스톤(1)을 지지하는 것, 및/또는 피스톤(1) 및/또는 자석(5)의 변위를 안내하는 것과 같이 작동할 수 있는 지지 구조(support structure: 4)를 갖는다. 적어도 지지 구조(4)의 부분을 따라서, 공기 갭(air gap: 12)이 형성되고, 여기서 자석은 움직인다.

도 1에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 두 개의 나선형 스프링들(helicoidal springs: 7a 및 7b)은 그들의 양 사이드 중 하나의 위에 있는 피스톤(1)에 대항하여 설치되고, 상기 스프링들은 바람직하게는 항상 압축된다. 컴프레서의 공진 세트를 위해, 피스톤(1)은 액츄에이터(actuator)의 가동부(mobile part)와 나선형 스프링을 연합할 수 있다.

피스톤과 실린더 세트의 액츄에이터는 자기장을 생성하기 위해 전기적으로 동력이 공급되는 적어도 하나의 모터 코일(moter coil: 6)로 구성된다. 모터 코일(6)은 거기서 발생하는 자기장이 피스톤(1)의 자석(5)의 변위 경로 상에서 움직이도록 배치되야만 한다.

그러므로, 모터 코일에 전기적으로 동력이 공급될 때, 그것은 적어도 모터 코일(6)에 인가되는 전압에 따라 가변적이고 제어될 수 있는 공기 갭(12)의 부분을 따라 전자 유량(magnetic flow)을 발생시킨다. 결론적으로, 자기장의 변화는 자석(5)이 공기 갭(12)을 따라 왕복하여 움직이도록 하는 거기에 인가된 전압의 결과로서 발생되고, 모터 코일(6)에 의해 피스톤(1)을 실린더(2)의 밸브 보드(3a 및 3b)로부터 떨어지게 하고 접근시키며, 따라서 가스가 실린더(2) 내측으로 출입하도록 압축한다. 피스톤(1)의 폭 동작은 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 변위의 총 폭에 대응한다.

피스톤(1) 동작 폭은 액츄에이터에 의해 발생되는 전력과 공기 압축 및 다른 손실의 메카니즘에 의해 소비되는 전력의 균형에 의해 조절된다. 실린더와 피스톤 세트의 최대 펌핑(pumping) 용량을 얻기 위해, 폭에서 동작하는 것이 필요하고, 여기서 피스톤(1)은 충격 또는 충돌없이 밸브 보드(3a 및 3b)에 가능한 가깝게 움직인다. 이러한 충격은 큰 소음을 발생시키기 때문에 바람직하지 않고, 더욱이 장비의 사용 중에 계속해서 발생하는 연속적인 충격은 장비에 손상을 입힐 수 있으므로 바람직하지 못하다.

리니어 모터에 의해 구동되는 실린더와 피스톤 사이의 충격을 검출하는 방법

본 발명의 접근법은 적합한 제어 시스템이 이 방법에 의해 제공되는 정보에 기초한 미래 충격들을 회피하고 발생률을 감소시킬 수 있도록, 적어도 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출할 수 있는 방법으로 구성된다.

리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이에 충격을 검출하는 방법은 참조 시간 간격(reference time interval: Δtr) 동안, 리니어 모터의 전기적 출력과 연관된 참조 신호(reference signal: Sr)를 얻는 첫 번째 단계 i)를 포함한다. 바람직하게는, 전기적 전압 신호 내의 리니어 모터의 전기적 출력이 있으나, 다른 크기들도 예컨대, 전류와 같은 것들이 사용될 수도 있다. 이러한 전기적 출력은 고주파수 범위의 경로만을 허용하는 필터에 의해 처리될 수 있다. 본 발명에서, 고주파수의 범위는 실린더와 피스톤 사이의 충격의 응답에 의해 나타날 수 있는 주파수를 포함한다. 상기 주파수는 컴프레서의 표준 동작 주파수보다 상대적으로 더 높다. 따라서 필터는 실린더와 피스톤 사이의 충격으로부터 야기되는 신호의 주파수로부터 컴프레서의 동작 주파수를 구별하도록 조율된다. 따라서, 참조 신호(Sr)는 리니어 모터의 전기적 출력으로부터 필터링된 신호이다. 도 2 내지 5에 있어서, 필터링된 전기 신호는 곡선 "B"로 도시되고 본 신호는 곡선 "A"로 도시된다.

참조 시간 간격(Δtr)은 제 1 순간(t1)과 제 2 순간(t2) 사이에서 경과된 "윈도우의 시간(time of window)"에 대응하고, 여기서 제 2 순간(t2)은 제 1 순간 후에 발생한다(t2>t1). 제 2 순간(t2)은 피스톤(1)이 상사점(upper dead center) 또는 최대점(maximum point)에 이르는 순간에 대응한다. 이 순간(t2)에 있어서, 전기 전압 신호는 도 2 내지 5의 그래프들에 도시된 바와 같이, 제로 값에 이른다(가로좌표 또는 시간 축 내의 전압 곡선의 교차점). 따라서, 본 발명에 있어서, 이 교차는 피스톤(1)이 실린더(2)와 충돌할 수 있을 때, 그것의 최대점에 도달하는 순간을 확인하기 위해 사용될 수 있다.

제 1 순간(t1)은 제 2 순간(t2)으로부터 결정될 수 있고, 따라서 시간 값은 제 2 순간(t2)으로부터 감산되며, 여기서 상기 값은 절대값으로 참조 시간 간격(Δtr)의 값에 대응한다. 바람직하게는, 참조 시간 간격(Δtr)의 값은 미리 설정된다. 그러나 예컨대, 학습 시스템들에 기초한 지적 기술들과 같은, 이 간격을 결정하는 다른 방법들이 사용될 수 있다.

이상적인 상황에 있어서, 피스톤(1)과 실린더(2) 사이에는 어떠한 충격도 없고, 즉, 피스톤(1)은 순간(t2)에서 상사점에 도달한 후에는, 실린더(2)와 충돌할 수 없다. 그러나 모터-실린더-피스톤 세트는 종종 방해받기 쉽고, 프로젝트 위상(project phase) 내에서 수량 측정이 어려운 외부 동작들이 행해지기 쉽기 때문에, 이러한 상황은, 주로 단순하고 저가의 솔루션(solution)에 의해, 항상 가능하지는 않다. 따라서, 종종 충격은 피할 수 없고, 따라서 본 발명의 방법은 제어 시스템이 그곳의 사고를 적어도 감소시키거나 미래 충격을 방지/회피하기 위해 동작할 수 있도록 이 충격의 검출을 위한 해결책을 제공한다.

이 방법은 또한 기술분야란에서 설명한 바와 같이, 피스톤의 위치를 결정하는 데 사용되는 위치 센서들을 조절하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 두 번째 단계 ii)는 제 2 순간(t2)과 제 3 순간(t3) 사이에서 경과된 검출 시간 간격(Δtd) 동안, 리니어 모터의 상기 전기 출력과 연관된 검출 신호(Sd)를 획득하는 단계로 구성되고, 여기서 제 3 순간(t3)은 제 2 순간(t2) 이후에 발생한다. 참조 시간 간격(Δtr)이 결정되는 것처럼, 바람직하게는, 검출 시간 간격(Δtd) 역시 미리 설정되나, 필수적인 것은 아니다.

본 발명의 방법의 다음 단계 iii) 검출 신호(Sd)와 참조 신호(Sr)를 비교하는 단계로 구성된다. 상기 비교는 신호 식별, 스펙트라 분석(spectral analysis), 및 다른 수학적 기술들과 같은 다양한 기술들을 사용하여 구성될 수 있다. 앞으로 설명할 검출 신호(Sd)의 최대(피크)점을 검출하는 기술을 사용하는 것이 바람직하다.

제 4 및 마지막 단계 iv)는 검출 신호(Sd)가 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격으로부터 추출되는 변화를 나타냄을 단계 iii의 비교의 결과가 가리킬 때, 충격의 발생을 기록하는 단계로 구성된다. 이 지시(충격 발생 결정)는 참조 신호(Sr)와 검출 신호(Sd) 사이의 허용가능한 미리 설정된 허용오차를 고려함으로써 달성된다. 명백하게, 상기 허용오차는 직접적으로 단계 iii에 적용된 비교 기술에 의존한다.

이 방법이 바람직하게는 시간 도메인 내에서 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격의 발생을 검출하는 것에 기초함에도 불구하고, 그것은 선택적으로, 예컨대, 위상 도메인(phase domain)과 같은 다른 샘플 공간 도메인들에 기초할 수 있다.

최대값을 검출하는 기술

앞서 설명한 것처럼, 실행(개발 및 생산)이 쉽고, 복잡하거나 고비용 하드웨어 플랫폼을 요구하지 않기 때문에, 바람직하게는 검출 신호(Sd)의 최대(피크)값을 검출하는 기술이 사용된다.

상기 기술에 있어서, 단계 iii에서, 계수(절대값) 사이의 차는 참조 신호(Sr)의 피크값(Vp)과 참조 신호(Sr)의 참조값(Vr) 사이에서 계산된다. 따라서, 단계 iv)에서 충격의 발생은 단계 iii의 계산 결과가 미리 설정된 허용오차치(δ)보다 클 때 기록되고, 허용오차치(δ)는 제 차례에 노이즈 또는 신호 방해를 고려하여 계산되거나 실험적으로 결정될 수 있다.

참조 신호(Sr)의 참조값(Vr)은 단계 i에서, 즉, 참조 시간 간격(Δtr) 동안에 획득된다. 모터의 상기 참조값(Vr)은 바람직하게는 제 2 순간(t2) 내 또는 제 1 순간(t1) 내에서 획득된다. 그러나, 참조값(Vr)은 참조 시간 간격(Δtr) 내에 포함되는 다른 순간에 획득될 수 있고, 허용오차치(δ)는 참조값(Vr)의 변화에 따라 변화한다.

검출 신호(Sd)의 피크값(Vp)은 단계 ii에서, 즉, 검출 시간 간격(Δtd) 동안에 획득된다. 상기 값은 절대값으로 고려되야 한다, 즉, 피크값(Vp)은 그래프의 가로좌표의 축과 관련하여 결정된다.

도 2에 있어서, 검출 시간 간격(Δtd) 동안, 제 2 순간(t2) 내의 전압 값이 검출 신호(Sd)의 최대값(피크)에 대응하기 때문에, 피크값(Vp)이 제 2 순간(t2) 내의 전압값이라는 것은 관찰될 수 있다. 제 1 순간(t1)에서 얻어진 참조값(Vr)과 허용오차치(δ) 사이의 (절대값으로) 합의 결과가 피크값(Vp)보다 더 크기 때문에, 어떠한 충격도 실린더(2)와 피스톤(1) 사이에서 발생하지 않는다고 결론지을 수 있다.

도 3에 있어서, 피크값(Vp)이 검출 시간 간격(Δtd) 동안에 발생하는 것은 관찰될 수 있다. 제 1 순간(t1)에서 얻어진 참조값(Vr)과 허용오차치(δ) 사이의 (절대값으로) 합의 결과가 피크값(Vp)보다 더 작기 때문에, 충격이 실린더(2)와 피스톤(1) 사이에서 발생한다고 결론지을 수 있다. 그러나, 도 5는 충격이 전기적 전압 신호의 양의 측(positive side) 상에 발생하는 유사한 상황을 도시한다.

도 2 내지 5에서 피크값은 단지 필터링된 전기 신호(곡선 "B") 내에만 명백히 나타난다는 것에 주목하라.

본 발명의 방법을 실행하는 여러 방법이 있고, 가능한 실시예들 중 하나가 참조값(Vr), 및 (참조 시간 간격(Δtr) 동안 발생된) 참조 신호(Sr)의 최대값을 귀속시키는 단계로 구성되고, 충격은 (검출 시간 간격(Δtd) 동안에 발생된) 검출 신호(Sd)의 레벨이 참조값(Vr)에 허용오차치(δ)를 더한 값에 이를 때 검출된다.

선택적으로, 다음의 보조단계들의 방법에 의해 피크값(Vp)을 결정하는 것이 가능하다.

a) 참조 신호(Sr)의 한정된 수의 비교값(Vc)을 샘플링하는 단계

b) 각각의 비교값(Vc)과 검출 신호값(Sd) 사이의 차의 절대값을 계산

c) 보조단계 b에서 계산된 모든 값들 사이의 비교

d) 보조단계 c에서 얻은 가장 높은 값의 선택

e) 보조단계 d에서 얻은 값을 피크값(Vp)으로 귀속

충격이 발생되는 순간(피크값(Vp))에 대응하는 전기 신호의 값을 획득하고 결정하는 것은 소정 컴프레서 모델들을 위한 실린더와 피스톤 세트들과 연관된 위치 센서들의 조절을 허용한다. 상기한 바와 같이, 전기 신호의 이러한 값은 피스톤(1)이 실린더(2) 내측의 최대값에 이르는 상황, 즉, 상사점에서 얻어진다. 결론적으로, 위치 센서를 조절하는 과정에서, 피크값(Vp)은 위치 센서가 피스톤이 실린더 내측에 이르는 최대 위치에 대응하는지 판단하는 값으로서 사용될 수 있다.

선택적으로, 기술들을 조절하는 다른 센서는 본 발명의 방법을 적용함으로써 실린더(2) 내측에 피스톤(1)의 위치를 측정하는데 사용될 수 있다. 유추해보면, 이 방법은 또한 본질적으로 위치 센서 대신에, 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 위치를 예측할 수 있는 장치를 조절하는데 사용될 수 있다.

실린더와 피스톤 사이의 충격검출기

본 발명의 방법은 이 방법의 단계들을 실행할 수 있는 마이크로프로세서들 및/또는 구성요소들을 갖는 전자 보드와 같은 하드웨어 플랫폼을 포함하는 검출기 장치에 의해 실행될 수 있다. 따라서, 방법은 전체적으로 전자 회로를 형성하고, (마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서 내에서 프로세싱되는) 소프트웨어의 사용이 필요 없게 하는 아날로그 및/또는 디지털 구성요소로 구성된 전자 보드에 의해 실행될 수 있다. 상기 실행은 본 분야의 기술을 가진 자에게 상식으로서 여기에 설명될 것이 아니다. 검출기의 바람직한 실시예는 도 6에 도식적으로 나타난다.

따라서, 이 하드웨어 플랫폼은 적어도 신호의 중간 및 낮은 주파수들을 차단하면서, 모터로부터 나오는 전기 신호의 고주파수를 선택하기 위해 구성되는 필터(201)를 포함하는 조절 회로(처리)(conditioning circuit(treatment): 200)이다.

조절 회로(200)는 또한 적어도 필터(201)와 전기적으로 연결된 비교 수단(comparing means: 202)을 포함하고, 비교 수단(202)은 필터(201)로부터 나오는 참조 신호(Sr)와 검출 신호(Sd)를 비교하도록 구성된다.

참조 신호(Sr)는 제 1 순간(t1)과 제 2 순간(t2)의 사이에서 경과된 참조 시간 간격(Δtr) 동안에 획득되고, 여기서 제 1 순간(t1) 이후에 발생하는 제 2 순간(t2)은 피스톤(1)이 상사점에 도달하는 순간에 대응한다.

검출 신호(Sd)는 제 2 순간(t2)과 제 3 순간(t3)의 사이에서 경과된 검출 시간 간격(Δtd) 동안에 획득되고, 여기서 제 3 순간(t3)은 제 2 순간(t2) 이후에 발생한다.

조절 회로(200)는 또한 적어도 비교 수단(202) 출력(202)과 연관되고, 충격의 발생 정보를 수신하도록 구성된 전기 신호 감시 수단(monitoring means: 203)을 포함한다. 선택적으로, 감시 수단(203)과 비교 수단(202)은 단일 구성요소 또는 단일 장치 내에 포함될 수 있다.

감시 수단(203)에 의한 충격 검출은 검출 신호(Sd)가 미리 설정된 허용오차를 고려하여 참조 신호(Sr)와 관련된 변화를 나타냄을 비교 수단(202)이 가리킬 때 발생한다.

바람직하게는, 비교 수단(202)은 검출 신호(Sd)로부터 참조값(Vr)을 뺌으로써 비교하고, 여기서 참조값(Vr)은 참조 신호(Sr)의 미리 설정된 값에 대응한다. 감시 수단(203)에 의한 충격 검출은 검출 신호(Sd)의 레벨은 참조값(Vr)에 미리 설정된 허용오차치(δ)를 더한 값을 초과할 때 발생한다.

결론적으로, 검출기는 센서에 대체물로서 작동하고, 그것의 주요 목적은 필린더(2)와 피스톤(1)의 충격이 최대점 또는 상사점에서 발생했는지를 식별하는 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1), 및 모터와 전기적으로 연결된 조절 회로(200)는 또한 본 발명의 물체인 완성된 가스 컴프레서 장치(100)를 형성한다.

제어 시스템

여전히 도 1과 관련하여, 본 발명에 따른 실린더와 피스톤 세트의 피스톤(1)은 지지부(4), 및 고정자(stator: 10)와 결합된 모터 코일(6) 사이에서 형성된 공기 갭(12)을 포함하는 변위 경로 내에서 움직이는 자석(5)과 연결된다. 자석의 이 움직임은 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 다른 움직임을 야기하고, 흡입 밸브(3a)에 의해 실린더(2)의 내측에 허용되는 가스를 압축하며, 배출 밸브(3b)의 방법에 의해 고압 가스를 방출한다.

리니어 컴프레서는 샤시(chasis: 11) 내측에 설치된다. 컴프레서와 샤시 사이에 형성되는 공간은 저압 가스가 들어 있는 저압 챔버(low pressure chamber: 13)를 구성한다. 실린더(2)의 흡입 밸브(3a)는 저압 챔버(13)에 연결되고 실린더(2) 내측으로 가스를 허용한다. 실린더(2)의 배출 밸브(3b)는 피스톤(1)의 압축 동작에 의해 실린더(2) 내측에 압축된 고압가스를 저압 챔버의, 밀봉되어-격리된(hermetically-isolated) 고압 영역으로 배출한다.

실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 변위 폭은 적합한 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다.

이러한 점에서, 충격 검출기는 도 7의 블록 다이어그램에 도시된 바와 같이, 센서에 아날로그 형식으로 작동하는 제어 시스템에 의해 구성될 수 있다. 상기 시스템은 상기한 바와 같이, 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 세트를 제어한다. 시스템은 적어도 모터와 작동하도록 연결된 컨트롤러를 포함하고, 충격 검출기는 상기 컨트롤러와 전기적으로 연결된다.

PID 제어와 같은, 다양한 알려진 제어 기술들이 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격의 발생을 감소 및/또는 방지를 예상하여 항상 적용될 수 있다.

바람직하게는, 제어 변수는 모터의 전압이지만, 다른 수치들도 그들이 이 응용에 적합하다면, 피스톤(1)의 위치를 제어하는데 사용될 수 있다.

컴프레서의 개별 행동과 관련된 학습 시스템에 간접적으로 기초하고 있고, 발생된 충돌로부터 획득된 정보가 미래 충돌들을 방지/감소하는데 이용되고 저장되므로, 이 제어 시스템은 좋은 정확도를 나타낸다.

결론적으로, 그것이 상당히 감소된 반-충돌 안전 거리를 갖고 있기 때문에, 압축 용량을 최적화하기 위해, 본 발명에 따른 압축 장비는 작동할 수 있고 결론적으로 또한 장비의 전력 소모를 최소화한다.

따라서, 본 발명은 명세서로부터 명백하게 이해될 수 있듯이, 본 발명은 고 정확성을 나타내면서 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 변위 값을 측정할 필요를 피할 수 있다.

더욱이, 그것이 본질적으로 어떠한 적합한 곳에 위치하는 전자 보드로 구성되기 때문에, 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 변위 폭을 검출하기 위한 장비는 전부 단순하고, 이 보드에 의해 발생된 신호, 또는 이 신호가 겪는 구체적인 변화는 피스톤(1)이 실린더(2)와 충동했음을 지시하는데 충분하다. 따라서, 장치는 센서들의 사용을 필요 없게 하고, 여기서 비용이 감소한다.

바람직한 실시예들의 상기한 예들을 갖추어 이루어짐으로써, 본 발명의 범위는 다른 잠재적인 변형들을 포함하고, 여기에 첨부된 청구범위의 내용에 의해서만 제한되고, 다른 가능한 균등물들은 거기에 포함된다고 이해되어야만 한다.

Claims

리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법에 있어서,
i) 제 1 순간(t1)과 제 1 순간(t1) 이후에 발생하고 피스톤(1)이 상사점에 도달하는 순간에 대응하는 제 2 순간(t2) 사이에 경과되는 참조 시간 간격(Δtr) 동안 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 리니어 모터의 전기적 출력으로부터 참조 신호(reference signal: Sr)를 획득하고 참조 신호(Sr)로부터 참조값(Vr)을 획득하는 단계;
ii) 제 2 순간(t2)과 제 2 순간(t2) 이후에 발생하는 제 3 순간(t3) 사이에 경과되는 검출 시간 간격(Δtd) 동안 피스톤이 상사점에 도달한 후에 리니어 모터의 상기 전기적 출력으로부터 검출 신호(detection signal: Sd)를 획득하고 검출 신호(Sd)로부터 피크값(Vp)을 획득하는 단계;
iii) 피크값(Vp)과 참조값(Vr) 사이의 차를 계산하는 단계; 및
iv) 피크값(Vp)과 참조값(Vr) 사이의 차가 미리 설정된 허용오차치(δ)보다 클 때 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격의 발생을 기록하는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서,
단계 i의 참조 신호(Sr)와 단계 ii의 검출 신호(Sd)가 모터의 전기적 출력으로부터 필터링되는 신호들이고, 상기 신호들은 모터의 전기적 출력의 고주파수 성분들을 포함하고, 상기 고주파수 성분들은 모터의 표준 동작 주파수보다 큰 것을 특징으로 하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법.
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제 1 항에 있어서,
제 1 순간(t1)과 제 2 순간(t2) 사이에 경과되는 참조 시간 간격(Δtr)이 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서,
제 2 순간(t2)과 제 3 순간(t3) 사이에 경과되는 검출 시간 간격(Δtd)이 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서,
단계 i에 있어서, 모터의 참조값(Vr)이 제 1 순간(t1) 내 또는 제 2 순간(t2) 내에서 획득되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서,
단계 i에 있어서, 모터의 참조값(Vr)이 참조 신호(Sr)의 최대값에 대응하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 단계 ii가,
iia) 참조 신호(Sr)의 한정된 수의 비교값(Vc)을 샘플링하는 단계;
iib) 각 비교값(Vc)과 검출 신호(Sd) 사이의 차의 절대값(modulus)을 계산하는 단계;
iic) 단계 iib)에서 계산된 모든 값들을 비교하는 단계;
iid) 단계 iic)에서 획득된 최고값을 선택하는 단계; 및
iie) 단계 iid)에서 획득한 값을 피크값(Vp)으로 귀속시키는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서,
단계 iv에서의 충격의 검출이 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 위치를 측정하기 위한 센서의 미세 조정을 허락하거나, 또는 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 위치를 추정할 수 있는 장치의 미세 조정을 허락하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서,
단계 ii에 있어서, 검출 순간에 발생된 피크값(Vp)이 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 위치 센서들을 미세 조정하는데 사용되고, 피크값(Vp)은 피스톤(1)이 실린더(2) 내측에 도달하는 최대 위치에 대응하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하는 방법.
리니어 모터와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 조절 회로(200)를 갖추어 이루어진 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격 검출기에 있어서, 조절 회로(200)가 적어도,
모터로부터 나오는 전기 신호의 고주파수 범위를 선택하도록 구성된 필터(201);
필터(201)와 전기적으로 연결되고, 필터(201)로부터 나오는 참조 신호(Sr)를 검출 신호(Sd)와 비교할 수 있으며, 제 1 순간(t1)과 제 1 순간(t1) 이후에 발생하고 피스톤(1)이 상사점에 도달하는 순간에 대응하는 제 2 순간(t2) 사이에 경과되는 참조 시간 간격(Δtr) 동안 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 참조 신호(Sr)를 획득하도록 구성되고, 제 2 순간(t2)과 제 2 순간(t2) 이후에 발생하는 제 3 순간(t3) 사이에 경과되는 검출 시간 간격(Δtd) 동안 피스톤이 상사점에 도달한 후에 검출 신호(Sd)를 획득하도록 구성되는 비교 수단(202); 및
비교 수단(202) 출력과 연관된 전기 신호의 감시 수단(203);을 갖추어 이루어지고,
상기 고주파수 범위는 모터의 표준 동작 주파수보다 큰 것이고,
비교 수단(202)은 참조 신호(Sr)로부터 참조값(Vr)을 획득하며, 검출 신호(Sd)로부터 피크값(Vp)을 획득하며, 피크값(Vp)과 참조값(Vr) 사이의 차를 계산하고,
감시 수단(203)은 피크값(Vp)과 참조값(Vr) 사이의 차가 미리 설정된 허용오차치(δ)보다 클 때 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 충격을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 충격 검출기.
제 11 항에 있어서,
비교 수단(202)이 검출 신호(Sd)로부터 참조값(Vr)을 빼도록 구성되고, 참조값(Vr)이 참조 신호(Sr)에서 획득된 값에 대응하며, 감시 수단(203)은 검출 신호(Sd)의 레벨이 참조값(Vr)에 미리 설정된 허용오차치(δ)를 더한 값을 초과할 때 충격을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 충격 검출기.
리니어 모터에 의해 구동되는 적어도 하나의 실린더(2)와 피스톤(1)을 포함하는 가스 컴프레서(100)에 있어서,
가스 컴프레서(100)가 실린더(2)와 피스톤(1) 사이에 적어도 하나의 충격 검출기를 갖추어 이루어지고, 상기 충격 검출기는 청구항 제 11 항 또는 제 12 항에서 정의된 것으로서 모터에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 컴프레서.
리니어 모터에 동작적으로 연결된 적어도 하나의 컨트롤러를 포함하고, 리니어 모터에 의해 구동되는 실린더(2)와 피스톤(1) 세트를 위한 제어 시스템에 있어서,
제어 시스템이 실린더(2)와 피스톤(1) 사이에 적어도 하나의 충격 검출기를 갖추어 이루어지고, 상기 충격 검출기는 청구항 제 11 항 또는 제 12 항에서 정의된 것으로서 컨트롤러에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
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