KR100690153B1 - Linear compressor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부하에 의존하여 가변되는 가동부재의 고유주파수에 리니어 모터의 운전주파수를 동기화시키는 동시에 부하에 의존하여 가동부재의 스트로크를 가변시킴으로써, 부하를 신속하게 해소할 수 있을 뿐 아니라 압축효율을 높일 수 있는 리니어 압축기에 관한 것이다. 본 발명인 리니어 압축기는 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 상기 고정부재 내부에서 축방향으로 왕복 직선운동하면서 상기 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 상기 가동부재를 상기 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치되어 부하에 의존하여 스프링 상수가 가변되는 적어도 하나 이상의 스프링과, 상기 가동부재와 연결되도록 설치되어 상기 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키며, 소정의 냉력에 따라 상기 가동부재의 스트로크를 가변하되, 상기 가동부재가 상사점까지 왕복직선운동을 수행하도록 하는 리니어 모터로 이루어진다.The present invention synchronizes the operating frequency of the linear motor with the natural frequency of the movable member that varies depending on the load, and simultaneously changes the stroke of the movable member depending on the load, thereby quickly eliminating the load and increasing the compression efficiency. It relates to a linear compressor that can be. 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 while reciprocating linearly in the axial direction within the fixed member, and the movable member is connected to the movable member. At least one or more springs installed to elastically support in the movement direction and varying a spring constant depending on a load, and connected to the movable member to reciprocally linearly move the movable member in the axial direction, and move the movable member according to a predetermined cooling force. The stroke of the member is variable, but the movable member is made of a linear motor to perform a reciprocating linear motion to the top dead center.
Description
본 발명은 부하에 의존하여 가변되는 가동부재의 고유주파수에 리니어 모터의 운전주파수를 동기화시키는 동시에/별개로 부하에 의존하여 가동부재의 스트로크를 가변시킴으로써, 부하를 신속하게 해소할 수 있을 뿐 아니라 압축효율을 높일 수 있는 리니어 압축기에 관한 것이다.The present invention synchronizes the operating frequency of the linear motor with the natural frequency of the movable member which is variable depending on the load, and simultaneously / separately varies the stroke of the movable member depending on the load, thereby quickly eliminating the load and compressing the load. The present invention relates to a linear compressor capable of increasing efficiency.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치로써, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.In general, a compressor is a mechanical device that increases pressure by receiving power from a power generator such as an electric motor or a turbine to compress air, refrigerant, or various other working gases. It is widely used throughout.
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,토출 되는 압축공간이 형성되도록 하여 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 나뉘어진다.These compressors are classified into a reciprocating compressor which compresses the refrigerant while linearly reciprocating the inside of the cylinder by forming a compression space in which the working gas is absorbed and discharged between the piston and the cylinder. And a rotary compressor for compressing the refrigerant while the roller is eccentrically rotated along the inner wall of the cylinder to form a compression space in which the working gas is sucked and discharged between the eccentrically rotating roller and the cylinder. As a scroll compressor that compresses the refrigerant while the rotating scroll rotates along the fixed scroll to form a compression space in which the working gas is absorbed and discharged between the orbiting scroll and the fixed scroll. Divided.
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.Recently, among the reciprocating compressors, in particular, 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.
일반적으로 리니어 압축기는 모터의 직선 구동력을 이용하여 냉매를 흡입, 압축, 토출시키게 되는데, 크게 냉매 가스를 압축시키는 실린더 및 피스톤 등이 포함된 압축부와, 상기 압축부에 구동력을 공급하는 리니어 모터가 포함된 구동부로 나뉘어진다.In general, a linear compressor sucks, compresses, and discharges a refrigerant by using a linear driving force of a motor. A compression unit including a cylinder and a piston for compressing a refrigerant gas is large, and a linear motor supplying driving force to the compression unit. It is divided into included driving parts.
구체적으로, 상기 리니어 압축기는 밀폐용기 내부에 실린더가 고정되도록 설치되고, 상기 실린더 내부에 피스톤이 왕복 직선운동 가능하게 설치되며, 상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동 함에 따라 상기 실린더 내부의 압축공간으로 냉매를 유입되도록 하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 구성되며, 상기 압축공간에는 흡입밸브 어셈블리 및 토출밸브 어셈블리가 설치되어 상기 압축공간 내부의 압력에 따라 냉매의 유입 및 토출을 조절한다.Specifically, the linear compressor is installed so that the cylinder is fixed inside the sealed container, the piston is installed in the cylinder to reciprocate linear movement, the compression space in the cylinder as the piston reciprocating linear movement in the cylinder It is configured to compress and then discharge the refrigerant into the inlet, the inlet and outlet valve assembly is installed in the compression space to adjust the inflow and discharge of the refrigerant in accordance with the pressure in the compression space.
또한, 상기 피스톤에 직선 운동력을 발생시키는 리니어 모터가 서로 연결되도록 설치되는데, 상기 리니어 모터는 상기 실린더 주변에 복수개의 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성된 이너 스테이터 및 아웃터 스테이터가 소정의 간극을 두고 설치되되, 상기 이너 스테이터 또는 아웃터 스테이터 내측에는 코일이 감겨지도록 설치되며, 상기 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에는 영구 자석이 상기 피스톤과 연결되도록 설치된다.In addition, the linear motor for generating a linear motion force to the piston is installed so as to be connected to each other, the linear motor is provided with an inner stator and an outer stator configured to be laminated in a circumferential direction around the cylinder with a predetermined gap, The coil is wound around the inner stator or the outer stator, and a permanent magnet is installed in the gap between the inner stator and the outer stator so as to be connected to the piston.
이때, 상기 영구자석은 상기 피스톤의 운동방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 코일에 전류가 흐름에 따라 발생되는 전자기력에 의해 상기 피스톤의 운동방향으로 왕복 직선 운동하게 되는데, 보통 상기 리니어 모터는 일정한 운전주파수(fc)로 작동될 뿐 아니라 상기 피스톤이 소정의 스트로크(S)로 왕복 직선 운동하도록 한다.At this time, the permanent magnet is installed to be movable in the direction of movement of the piston, and the reciprocating linear motion in the direction of movement of the piston by the electromagnetic force generated as the current flows in the coil, the linear motor is a constant operation Not only is it operated at frequency f c , but it also causes the piston to reciprocate linearly with a predetermined stroke S.
한편, 상기 피스톤은 상기 리니어 모터에 의해 왕복 직선 운동하더라도 운동방향으로 탄성 지지될 수 있도록 각종 스프링이 설치되는데, 구체적으로 기계 스프링의 일종인 코일 스프링이 상기 피스톤의 운동방향으로 상기 밀폐용기 및 실린더에 탄성 지지되도록 설치되며, 상기 압축공간으로 흡입된 냉매 역시 가스 스프링으로 작용하게 된다.On the other hand, the piston is provided with a variety of springs to be elastically supported in the direction of movement even if the linear motor reciprocating linear movement, specifically, a coil spring which is a kind of mechanical spring to the closed container and the cylinder in the direction of movement of the piston It is installed to be elastically supported, and the refrigerant sucked into the compression space also acts as a gas spring.
이때, 상기 코일 스프링은 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지고, 상기 가스 스프링은 부하에 따라 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가지며, 상기 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)를 고려하여 피스톤(또는 리니어 압축기)의 고유주파수(fn)가 산출된다.At this time, the coil spring has a constant mechanical spring constant (K m ), the gas spring has a gas spring constant (K g ) that is variable according to the load, the mechanical spring constant (K m ) and gas spring constant (K Taking into account g ), the natural frequency f n of the piston (or linear compressor) is calculated.
이와 같이 산출된 피스톤의 고유주파수(fn)는 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)를 결정하게 되는데, 상기 리니어 모터는 운전주파수(fc)를 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치되도록 하여, 즉 상기 공진 상태에서 운전시킴으로 효율을 높일 수 있다.The calculated natural frequency f n of the piston determines the operating frequency f c of the linear motor, and the linear motor matches the operating frequency f c with the natural frequency f n of the piston. In other words, the efficiency can be increased by operating in the resonance state.
따라서, 상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터에 전류가 인가되면, 상기 코일에 전류가 흐름이 따라 상기 아웃터 스테이터 및 이너 스테이터와 상호 작용에 의해 전자기력이 발생되고, 이러한 전자기력에 의해 상기 영구자석 및 이와 연결된 피스톤이 왕복 직선 운동하게 된다.Therefore, in the linear compressor configured as described above, when a current is applied to the linear motor, an electromagnetic force is generated by interacting with the outer stator and the inner stator as a current flows in the coil, and the permanent magnet and The piston connected to this causes the reciprocating linear motion.
이때, 상기 리니어 모터는 일정한 운전주파수(fc)로 운전하게 되고, 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)는 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치하여 공진상태에서 운전되어 효율을 극대화시킬 수 있다.At this time, the linear motor operates at a constant operating frequency f c , and the operating frequency f c of the linear motor coincides with the natural frequency f n of the piston to operate in a resonance state to maximize efficiency. Can be.
이와 같이, 상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간 내부의 압력이 변화되고, 이와 같이 상기 압축공간의 압력 변화에 따라 냉매가 상기 압축공간으로 흡입된 다음, 압축되어 토출된다.As such, the pressure inside the compression space is changed as the piston reciprocates linearly in the cylinder, and the refrigerant is sucked into the compression space according to the pressure change of the compression space, and then compressed and discharged.
상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터가 설계 상에서 고려한 부하 하에서 상기 코일 스프링의 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg)에 의해 산출되는 피스톤의 고유주파수(fn)에 일치하는 운전주파수(fc)로 운전되도록 구성되기 때문에 단지 설계 상에서 고려한 부하 하에서만 상기 리니어 모터가 공진 상태에서 운전됨으로 효율을 높일 수 있다.The linear compressor configured as described above has a natural frequency f n of the piston which is calculated by the mechanical spring constant K m of the coil spring and the gas spring constant K g of the gas spring under the load considered by the linear motor in design. Since the linear motor is configured to operate at an operating frequency f c corresponding to the linear motor operates in a resonance state only under the load considered in the design, the efficiency can be increased.
그런데, 상기와 같은 리니어 압축기는 실제 부하가 가변됨에 따라 상기 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg) 및 이를 고려하여 산출된 피스톤의 고유주파수(fn) 가 변경된다.However, in the linear compressor as described above, as the actual load varies, the gas spring constant K g of the gas spring and the natural frequency f n of the piston calculated by considering the same change.
구체적으로, 상기 리니어 모터는 도 1A에 도시된 바와 같이 설계시 중간부하 영역에서 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치하도록 운전주파수(fc)가 결정되고, 부하가 가변되더라도 이와 같이 결정된 일정한 운전주파수(fc)로 운전되지만, 상기 피스톤의 고유주파수(fn)는 부하가 커짐에 따라 커지게 된다.Specifically, in the linear motor, as shown in FIG. 1A, the operating frequency f c is determined to match the natural frequency f n of the piston in the middle load region during design, and the constant constant determined as described above even if the load is variable. Although operated at an operating frequency f c , the natural frequency f n of the piston increases as the load increases.
수학식1
이때, 상기 fn 은 피스톤의 고유주파수이고, Km 및 Kg 는 기계 스프링 상수 및 가스 스프링 상수이며, M 은 피스톤의 질량이다.Where f n is the natural frequency of the piston, K m and K g are the mechanical spring constant and the gas spring constant, and M is the mass of the piston.
보통, 설계 당시 전체 스프링 상수(KT)에서 가스 스프링 상수(Kg)가 차지하는 비율이 작기 때문에 가스 스프링 상수(Kg)를 고려하지 않거나, 가스 스프링 상수(Kg)를 일정한 값으로 설정하여 적용되고, 상기 피스톤의 질량(M) 및 기계 스프링 상수(Km) 역시 일정한 값을 가짐으로 상기 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 상기 수학식1에 의존하여 일정한 값으로 산출된다.In general, the gas spring constant (K g ) is small because the ratio of the gas spring constant (K g ) to the total spring constant (K T ) at the time of design is not considered or the gas spring constant (K g ) is set to a constant value. In addition, since the mass (M) and the mechanical spring constant (K m ) of the piston also has a constant value, the natural frequency (f n ) of the piston is also calculated as a constant value depending on Equation (1).
그러나, 실제로 부하가 증가할수록 제한된 공간에서 냉매의 압력 및 온도가 높아지고, 이로 인하여 상기 가스 스프링 자체의 탄성력이 커져 가스 스프링 상수(Kg)가 커지고, 이러한 가스 스프링 상수(Kg)에 비례하도록 산출되는 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 커지게 된다.In practice, however, the more the load increases, the pressure and temperature of the coolant increases in a limited space, which results the elastic force of the gas spring itself increases the gas spring constant (K g) is large, and yield to be proportional to such a gas spring constant (K g) The natural frequency f n of the piston is also increased.
따라서, 도 1A 및 도 1B 에 도시된 바와 같이 중간부하 영역에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)와 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 일치함으로 상기 피스톤이 상사점까지 도달하도록 운전되어 안정적으로 압축작용이 이루어지고, 공진 상태에서 운전이 이루어짐으로 압축기의 효율이 최대가 된다.Therefore, as shown in FIGS. 1A and 1B, the piston operates in such a way as to reach the top dead center because the operating frequency f c of the linear motor and the natural frequency f n of the piston coincide in the intermediate load region. The compression operation is performed, and the operation is performed in a resonance state, thereby maximizing the efficiency of the compressor.
하지만, 저부하 영역에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)보다 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 작아짐으로 상기 피스톤이 상사점 이상으로 과도하게 움직여 과도한 압축력이 작용될 뿐 아니라 상기 피스톤 및 실린더의 마찰 및 마모가 발생되고, 공진 상태에서 운전되지 않으므로 압축기 효율이 떨어진다.However, in the low load region, the piston's natural frequency (f n ) is smaller than the operating frequency (f c ) of the linear motor, so that the piston is excessively moved above the top dead center, so that the excessive compression force is applied as well as the piston and the cylinder. Friction and abrasion occurs, and the compressor efficiency is lowered because it is not operated in a resonance state.
마찬가지로, 고부하 영역에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)보다 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 커짐으로 상기 피스톤이 상사점에 못 미치도록 운전되어 압축력이 떨어지고, 공진 상태에서 운전되지 않으므로 압축기 효율이 떨어진다.Similarly, in the high load region, the piston's natural frequency f n is greater than the operating frequency f c of the linear motor, so that the piston is operated to fall below the top dead center, so that the compression force is lowered and the compressor is not operated in a resonance state. Inefficient
결과적으로, 종래의 리니어 압축기는 부하가 가변됨에 따라 피스톤의 고유주파수(fn)가 가변되는 반면, 리니어 모터의 운전주파수(fc)는 일정하기 때문에 상기 리니어 모터가 공진 상태에서 운전되지 않으므로 그 효율이 떨어지고, 능동적으로 부하에 대응하지 못하여 신속하게 부하를 해소할 수 없는 문제점이 있다.As a result, in the conventional linear compressor, the natural frequency f n of the piston is variable as the load is varied, whereas the linear motor is not operated in a resonance state because the operating frequency f c of the linear motor is constant. There is a problem in that the efficiency is lowered and the load cannot be released quickly due to the failure to actively respond to the load.
한편, 종래의 리니어 압축기는 부하를 신속하게 해소하기 위하여 상기 리니 어 모터에 입력되는 전압(또는 전류)의 크기를 조절하여 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 피스톤(6)이 실린더(4) 내부에서 고냉력 모드 또는 저냉력 모드로 운전되도록 하는데, 각 운전모드에 따라 피스톤의 스트로크(S)가 가변되면서 압축용량을 가변시키게 된다.On the other hand, the conventional linear compressor adjusts the magnitude of the voltage (or current) input to the linear motor in order to quickly eliminate the load, so that the
도 2A에 도시된 바와 같이, 전압(V1)은 고냉력 모드를 위한 것이고, 전압(V2)는 저냉력 모드를 위한 것이다. 이들 전압(V1, V2)가 영점(0)에 대하여 양의 값을 지닐 때는 압축 행정이 이루어지고, 음의 값을 지닐 때는 흡입 행정이 이루어진다. 여기서, 전압(V1, V2)의 피크치는 리니어 압축기에서 출력가능한 최대 전압 한계치(Vp) 이하가 되어야 한다.As shown in FIG. 2A, voltage V1 is for high cold power mode and voltage V2 is for low cold power mode. When these voltages V1 and V2 have a positive value with respect to zero, a compression stroke is made, and when they have a negative value, a suction stroke is made. Here, the peak values of voltages V1 and V2 should be below the maximum voltage limit V p that can be output from the linear compressor.
전압의 피크-피크치가 피스톤(6)의 스트로크를 결정하는 요인이 되므로, 이 피크-피크치를 변화시킴으로써 피스톤(6)의 스트로크를 제어하게 된다. 고냉력 모드에서는, 이 전압(V1)의 피크-피크치가 최대 전압 한계치(Vp)에 따른 피크-피크치(2Vp)와 같게 되어 피스톤(6)이 상사점(TDC)에 도달할 수 있게 되며(고냉력 모드 스트로크(S1)), 저냉력 모드에서는 이 전압(V2)의 피크-피크치가 감소되어 피스톤(6)이 상사점(TDC)에 도달하지 않고 왕복 직선운동을 하게 된다.Since the peak-peak value of the voltage is a factor in determining the stroke of the
여기서, 상기 리니어 압축기는 비교적 부하가 큰 상태에서 고냉력 모드로 운전되는데, 고냉력 모드에서는 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 상기 피스톤의 고유주파수(fn)에 일치하도록 하여 상기 피스톤이 소정의 스트로크(S1)를 유지하면 서 상기 피스톤이 상사점(TDC)까지 도달하도록 작동된다.Here, the linear compressor is operated in a high cooling power mode under a relatively large load, and in the high cooling power mode, the piston is operated so that the operating frequency f c of the linear motor matches the natural frequency f n of the piston. The piston is operated to reach the top dead center TDC while maintaining the predetermined stroke S1.
하지만, 상기 리니어 압축기는 비교적 부하가 작은 상태에서 저냉력 모드로 운전되는데, 저냉력 모드에서는 상기 리니어 모터로 입력되는 전압을 감소시켜서 압축용량을 감소시킬 수 있지만, 이와 동시에 상기 기계 스프링 및 가스 스프링이 소정의 탄성력으로 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 탄성 지지한 상태에서 상기 피스톤의 스트로크(S2)가 줄어듦에 따라 상기 피스톤이 상사점(TDC)까지 도달하지 못하고, 또한, 가변된 피스톤의 고유주파수(fn)와 운동주파수(fc)가 상이하게 되어서, 이로 인하여 압축기의 효율 및 압축력이 떨어지는 문제점이 있다.However, the linear compressor is operated in a low cooling mode under relatively low load. In the low cooling mode, the compression capacity can be reduced by reducing the voltage input to the linear motor, but at the same time the mechanical spring and the gas spring are As the stroke S2 of the piston decreases in a state in which the
이에 따라 본 발명은 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 의존하여 가변되더라도 리니어 모터의 운전주파수(fc) 및/또는 피스톤의 스트로크(S)를 조절함으로 모든 부하에 대응하여 효율적으로 압축용량을 가변시킬 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention effectively adjusts the operating frequency (f c ) of the linear motor and / or the stroke (S) of the piston even if the natural frequency (f n ) of the piston varies depending on the load, thereby effectively compressing the capacity according to all the loads. An object of the present invention is to provide a linear compressor capable of varying the temperature.
또한, 본 발명은 피스톤의 스트로크(S)를 가변함과 동시에, 피스톤이 항상 상사점에 도달하여 왕복 직선운동하도록 하여 최대 효율을 제공하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a linear compressor that provides maximum efficiency by varying the stroke S of the piston and allowing the piston to always reach top dead center to reciprocate linearly.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 리니어 압축기는 내부에 압축공간을 포함하는 고정부재와, 상기 고정부재 내부에서 축방향으로 왕복 직선 운동하면서 상기 압축공간으로 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 상기 가동부재를 상기 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치되어 부하에 의존하여 스프링 상수가 가변되는 적어도 하나 이상의 스프링과, 상기 가동부재와 연결되도록 설치되어 상기 가동부재를 축방향으로 왕복 직선운동시키며, 소정의 냉력에 따라 상기 가동부재의 스트로크를 가변하되, 상기 가동부재가 상사점까지 왕복직선운동을 수행하도록 하는 리니어 모터로 이루어진다.Linear compressor according to the present invention for achieving the above object is a fixed member including a compression space therein, a movable member for compressing the refrigerant sucked into the compression space while reciprocating linear movement in the axial direction inside the fixing member, and At least one spring installed to elastically support the movable member in the direction of movement of the movable member, the spring constant being variable depending on the load, and connected to the movable member to reciprocally linearly move the movable member in the axial direction, The stroke of the movable member is variable according to a predetermined cooling force, and the linear member is configured to perform the reciprocating linear motion to the top dead center.
이때, 상기 리니어 압축기는 냉동/공조용 사이클 내에 설치되고, 상기 부하는 상기 냉동/공조용 사이클에서 냉매가 응축되는 압력(응축압)과 상기 증발기에서 냉매가 증발되는 압력(증발압)의 차에 비례하여 산출되는 것이 바람직하다.In this case, the linear compressor is installed in a refrigeration / air conditioning cycle, and the load is different from a pressure (condensation pressure) at which the refrigerant condenses in the refrigeration / air conditioning cycle and a pressure (evaporation pressure) at which the refrigerant evaporates in the evaporator. It is preferable to calculate in proportion.
또한, 상기 부하는 추가로 상기 응축압과 증발압의 평균인 압력(평균압)에 비례하여 산출되는 것이 바람직하다.In addition, the load is preferably further calculated in proportion to the pressure (average pressure) which is the average of the condensation pressure and the evaporation pressure.
또한, 상기 리니어 모터는 상기 운전주파수(fc)를 부하에 비례하여 가변되는 상기 가동부재의 공진주파수(fn)에 동기화시키는 것이 바람직하다.In addition, the linear motor preferably synchronizes the driving frequency fc to the resonance frequency f n of the movable member, which varies in proportion to the load.
또한, 상기 리니어 모터는 상기 고정부재 주변을 감싸도록 복수개의 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성된 이너 스테이터와 상기 이너 스테이터 외축에 소정의 간격을 두고 위치되어 복수개의 라미네이션이 원주 방향으로 적층되도록 구성된 아우터 스테이터와 상기 이너 스테이터 또는 아웃터 스테이터 사이에 전자기력을 발생시키도록 코일이 권선된 코일 권선체와, 상기 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에 위치되어 상기 가동부재와 연결되도록 설치되어 상기 코일 권선체의 전자기력과 상호 작용에 의해 직선 왕복운동하는 영구자석을 포함하고, 상기 리니어 모터는 외부 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 인가하는 전원부와, 상기 전원부로부터 직류 전압을 인가받아 소정의 인버터 제어신호에 따라 교류 전압을 생성하여 상기 코일 권선체에 인가하는 인버터부와, 상기 냉력에 따른 상기 가동부재의 스트로크의 가변량을 설정하여, 이 가변량에 따른 비대칭 교류 전압을 생성하기 위한 상기 인버터 제어신호를 생성하여 상기 인버터부로 인가하는 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the linear motor includes an inner stator configured to stack a plurality of laminations in a circumferential direction so as to surround the fixing member, and an outer stator configured to stack a plurality of laminations in a circumferential direction with a predetermined distance between the inner stator and the outer stator. A coil winding in which a coil is wound so as to generate an electromagnetic force between the inner stator and the outer stator, and a coil winding body wound around the inner stator and the outer stator, and installed to be connected to the movable member so as to be connected to the movable member. The linear motor includes a permanent magnet linearly reciprocating by interaction, and the linear motor includes a power supply unit rectifying an external AC voltage and applying a DC voltage, and receiving an DC voltage from the power supply unit to generate an AC voltage according to a predetermined inverter control signal. By creating The inverter unit applied to the coil winding body and the variable amount of the stroke of the movable member according to the cooling force are set, and the inverter control signal for generating the asymmetrical AC voltage according to the variable amount is generated and applied to the inverter unit. It is preferable to include a control unit.
또한, 상기 비대칭 교류 전압의 양의 피크치가 상기 인버터부의 최대 전압 한계치의 양의 피크치와 동일한 것이 바람직하다.It is also preferable that the positive peak value of the asymmetric alternating voltage is equal to the positive peak value of the maximum voltage limit value of the inverter section.
또한, 상기 비대칭 교류 전압은 영점에 대하여 비대칭인 것이 바람직하다.In addition, the asymmetric alternating voltage is preferably asymmetric with respect to zero.
또한, 상기 비대칭 교류 전압은 소정의 오프셋 전압에 대하여 대칭인 것이 바람직하다.In addition, the asymmetric alternating voltage is preferably symmetrical with respect to a predetermined offset voltage.
또한, 상기 비대칭 교류 전압이 상기 오프셋 전압보다 크면 상기 가동 부재가 압축행정을 수행하고, 상기 오프셋 전압보다 작으면 상기 가동부재가 흡입행정을 수행하도록 하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the movable member performs a compression stroke when the asymmetric alternating voltage is greater than the offset voltage, and the movable member performs a suction stroke when it is less than the offset voltage.
또한, 상기 제어부는 상기 비대칭 교류 전압의 피크-피크치를 가변하여 상기 가동부재의 스트로크를 가변하는 것이 바람직하다.The controller may vary the stroke of the movable member by varying the peak-peak value of the asymmetric alternating voltage.
또한, 상기 냉력이 저냉력일 때, 상기 비대칭 교류 전압의 피크-피크치는 상기 인버터부의 최대 전압 한계치에 따른 피크-피크치보다 작은 것이 바람직하다.In addition, when the cooling force is a low cooling force, the peak-peak value of the asymmetric alternating voltage is preferably smaller than the peak-peak value according to the maximum voltage limit of the inverter unit.
또한, 상기 오프셋 전압은 양의 값인 것이 바람직하다.In addition, the offset voltage is preferably a positive value.
또한, 상기 냉력이 고냉력일 때, 상기 비대칭 교류 전압의 피크-피크치는 상기 인버터부의 최대 전압 한계치에 따른 피크-피크치보다 큰 것이 바람직하다.In addition, when the cooling force is a high cooling force, the peak-peak value of the asymmetric alternating voltage is preferably larger than the peak-peak value according to the maximum voltage limit of the inverter unit.
또한, 상기 오프셋 전압은 음의 값인 것이 바람직하다.In addition, the offset voltage is preferably a negative value.
또한, 상기 비대칭 교류 전압의 음의 피크치가 상기 가변량에 따라 가변되는 것이 바람직하다.Further, it is preferable that the negative peak value of the asymmetric alternating voltage is varied according to the variable amount.
또한, 상기 비대칭 교류 전압이 상기 영점보다 크면 상기 가동부재가 압축행정을 수행하고, 상기 영점보다 작으면 상기 가동부재가 흡입행정을 수행하도록 하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the movable member performs a compression stroke when the asymmetric alternating voltage is greater than the zero point, and the movable member performs a suction stroke when it is less than the zero point.
또한, 상기 냉력이 저냉력일 때, 상기 비대칭 교류 전압의 음의 피크치가 상기 양의 피크치보다 상기 가변량에 비례하여 작고, 상기 냉력이 고냉력일 때, 상기 비대칭 교류 전압의 음의 피크치가 상기 양의 피크치보다 상기 가변량에 비례하여 큰 것이 바람직하다.Further, when the cold force is low cooling force, the negative peak value of the asymmetrical alternating voltage is proportionally smaller than the positive peak value in proportion to the variable amount, and when the cold force is high cold force, the negative peak value of the asymmetric alternating voltage is positive It is preferable to be larger in proportion to the variable amount than the peak value.
또한, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 리니어 압축기의 제어장치는 외부 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 인가하는 전원부와, 상기 전원부로부터 직류 전압을 인가받아 소정의 인버터 제어신호에 따라 교류 전압을 생성하여 리니어 모터의 코일 권선체에 인가하는 인버터부와, 냉력에 따른 리니어 압축기의 가동부재의 스트로크의 가변량을 설정하여, 상기 가변량에 따른 비대칭 교류 전압을 생성하기 위한 상기 인버터 제어신호를 생성하여 상기 인버터부로 인가하여 제어부를 포함한다.In addition, the control apparatus of the linear compressor according to the present invention for achieving the above object is a power supply unit for rectifying the external AC voltage to apply a DC voltage, and receives the DC voltage from the power supply unit to generate an AC voltage according to a predetermined inverter control signal By setting the variable amount of the stroke of the inverter member applied to the coil winding of the linear motor and the movable member of the linear compressor according to the cooling force, generating the inverter control signal for generating the asymmetrical AC voltage according to the variable amount The controller is applied to the inverter unit.
또한, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 리니어 압축기의 제어방법은 냉력에 따른 리니어 압축기의 가동부재의 스트로크의 가변량을 기준으로 하여 비대칭 교류 전압을 설정하는 단계와, 상기 비대칭 교류 전압을 생성하기 위한 인버터 제어신호를 생성하는 단계를 포함한다.In addition, the control method of the linear compressor according to the present invention for achieving the above object is to set the asymmetric alternating voltage on the basis of the variable amount of the stroke of the movable member of the linear compressor according to the cold power, and for generating the asymmetric alternating voltage Generating an inverter control signal.
본 발명의 특징 및 장점들은 뒤따르는 본 발명의 실시예의 상세한 설명과 함께 다음의 첨부된 도면들을 참고하여 더 잘 이해될 수 있으며, 상기 도면들 중:The features and advantages of the present invention may be better understood with reference to the following accompanying drawings in conjunction with the following detailed description of embodiments of the invention, of which:
도 1A는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크가 도시된 그래프,1A is a graph showing a stroke according to load in a linear compressor according to the prior art,
도 1B는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 효율이 도시된 그래프,1B is a graph showing the efficiency according to the load in the linear compressor according to the prior art,
도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 운전모드에 따른 스트로크가 도시된 구성도,2 is a block diagram showing a stroke according to the operation mode of the linear compressor according to the prior art,
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기가 도시된 단면도,3 is a sectional view showing a linear compressor according to the present invention;
도 4A는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크가 도시된 그래프,Figure 4A is a graph showing the stroke according to the load in the linear compressor according to the present invention,
도 4B는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 효율이 도시된 그래프,4B is a graph showing the efficiency according to the load in the linear compressor according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 가스 스프링 상수(Kg) 변화가 도시된 그래프,5 is a graph showing a change in the gas spring constant (K g ) according to the load in the linear compressor according to the present invention,
도 6은 도 2에 도시된 리니어 모터의 구성이 도시된 도면,6 is a view showing the configuration of the linear motor shown in FIG.
도 7A 내지 7D는 도 6의 리니어 모터에서의 정현파 구동전압을 설정하는 제1 실시예에 관한 그래프,7A to 7D are graphs relating to a first embodiment for setting a sine wave driving voltage in the linear motor of FIG. 6;
도 8A 및 8B는 피스톤(6)의 스트로크가 가변되는 상태도이다.8A and 8B are state diagrams in which the stroke of the
도 9는 도 6의 제1실시예에 따른 결과 그래프,9 is a result graph according to the first embodiment of FIG. 6,
도 10A 및 10B는 도 6의 리니어 모터에서의 정현파 구동전압을 설정하는 제2실시예에 관한 그래프 및,10A and 10B are graphs relating to a second embodiment of setting a sine wave driving voltage in the linear motor of FIG. 6;
도 11은 도 6의 제2실시예에 따른 결과 그래프이다.FIG. 11 is a result graph according to the second embodiment of FIG. 6.
바람직한 실시예의 설명Description of the Preferred Embodiments
이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, embodiments of the present invention in which the above object can be specifically realized are described with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 3에 도시된 바와 같이 밀폐용기(2) 일측에 냉매가 유,출입되는 유입관(2a) 및 유출관(2b)이 설치되고, 상기 밀폐용기(2) 내측에 실린더(4)가 고정되도록 설치되며, 상기 실린더(4) 내부의 압축공간(P)으로 흡입된 냉매를 압축시킬 수 있도록 상기 실린더(4) 내부에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되는 동시에 상기 피스톤(6)의 운동방향에 탄성 지지되도록 각종 스프링이 설치되고, 상기 피스톤(6)은 직선 왕복 구동력을 발생시키는 리니어 모터(10)와 연결되도록 설치되되, 상기 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 의존하여 가변되더라도 상기 리니어 모터(10)는 도 4A 및 도 4B에 도시된 바와 같이 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 동기화되도록 그 운전주파수(fc)를 제어하는 동시에 압축용량이 가변되도록 상기 피스톤(6)의 스트로크(S)를 제어한다.In the linear compressor according to the present invention, as shown in FIG. 3, an
아울러, 상기 압축공간(P)과 접하고 있는 상기 피스톤(6)의 일단에 흡입밸브(22)가 설치되고, 상기 압축공간(P)과 접하고 있는 상기 실린더(4)의 일단에 토출밸브 어셈블리(24)가 설치되며, 상기 흡입밸브(22) 및 토출밸브 어셈블리(24)는 각각 상기 압축공간(P) 내부의 압력에 따라 개폐되도록 자동적으로 조절된다.In addition, a
여기서, 상기 밀폐용기(2)는 내부가 밀폐되도록 상,하부 쉘이 서로 결합되도록 설치되고, 일측에 냉매가 유입되는 유입관(2a) 및 냉매가 유출되는 유출관(2b)이 설치되며, 상기 실린더(4) 내측에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치됨과 아울러 상기 실린더(4) 외측에 상기 리니어 모터(10)가 프레임(18)에 의해 서로 조립되어 조립체를 구성하고, 이러한 조립체가 상기 밀폐용기(2) 내측 바닥면에 지지스프링(29)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.Here, the airtight container (2) is installed so that the upper and lower shells are coupled to each other so that the inside is sealed, the inlet pipe (2a) and the outlet pipe (2b) for the coolant flow in one side is installed, the The
아울러, 상기 밀폐용기(2) 내부 바닥면에는 소정의 오일이 담겨지고, 상기 조립체 하단에는 오일을 펌핑하는 오일공급장치(30)가 설치됨과 아울러 상기 조립체 하측 프레임(18) 내부에는 오일을 상기 피스톤(6)과 실린더(4) 사이로 공급될 수 있도록 오일공급관(18a)이 형성되며, 이에 따라 상기 오일공급장치(30)는 상기 피스톤(6)의 왕복 직선 운동함에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑하고, 이러한 오일은 상기 오일공급관(18a)을 따라 상기 피스톤(6)과 실린더(4) 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 하도록 한다.In addition, a predetermined oil is contained in the bottom surface of the airtight container (2), and an oil supply device (30) for pumping oil is installed at the bottom of the assembly, and oil is provided in the lower frame (18) of the assembly. An
다음, 상기 실린더(4)는 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동할 수 있도록 중공 형상으로 형성됨과 아울러 일측에 압축공간(P)이 형성되고, 상기 유입관(2a) 내측에 일단이 근접하게 위치된 상태에서 상기 유입관(2a)과 동일 직선상에 설치되는 것이 바람직하다.Next, the
물론, 상기 실린더(4)는 상기 유입관(2a)과 근접한 일단 내부에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되고, 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 일단에 상기 토출밸브 어셈블리(24)가 설치된다.Of course, the cylinder (4) is installed in one end close to the inlet pipe (2a) so as to reciprocate linear movement, the discharge valve assembly ( 24) is installed.
이때, 상기 토출밸브 어셈블리(24)는 상기 실린더(4)의 일단 측에 소정의 토출공간을 형성하도록 설치되는 토출커버(24a)와, 상기 실린더의 압축공간(P) 측 일단을 개폐하도록 설치되는 토출밸브(24b)와, 상기 토출커버(24a)와 토출밸브(24b) 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 일종의 코일 스프링인 밸브 스프링(24c)으로 이루어지되, 상기 실린더(4)의 일단 내둘레에 오링(R)이 끼움되도록 설치되어 상기 토출밸브(24a)가 상기 실린더(4) 일단을 밀착되도록 한다.At this time, the
아울러, 상기 토출커버(24a)의 일측과 상기 유출관(2b) 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프(28)가 연결 설치되는데, 상기 루프 파이프(28)는 압축된 냉매가 외부로 토출될 수 있도록 안내할 뿐 아니라 상기 실린더(4), 피스톤(6), 리니어 모터(10)의 상호 작용에 의한 진동이 상기 밀폐용기(2) 전체로 전달되는 것을 완충시켜 준다.In addition, a
따라서, 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 토출압력 이상이 되면, 상기 밸브 스프링(24c)이 압축되어 상기 토출밸브(24b)를 개방시키고, 냉매가 상기 압축공간(P)으로부터 토출된 다음, 상기 루프 파이프(28) 및 유출관(2b)을 따라 완전히 외부로 토출된다.Therefore, when the pressure of the compression space P becomes equal to or greater than a predetermined discharge pressure as the
다음, 상기 피스톤(6)은 상기 유입관(2a)으로부터 유입된 냉매가 유동될 수 있도록 냉매유로(6a)가 중앙에 형성되고, 상기 유입관(2a)과 근접한 일단이 연결부재(17)에 의해 상기 리니어 모터(10)가 직접 연결되도록 설치됨과 아울러 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 일단에 상기 흡입밸브(22)가 설치되며, 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 각종 스프링에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.Next, the
이때, 상기 흡입밸브(22)는 박판 형상으로 중앙부분이 상기 피스톤의 냉매유로(6a)를 개폐시키도록 중앙부분이 일부 절개되도록 형성되고, 일측이 상기 피스톤(6a)의 일단에 스크류에 의해 고정되도록 설치된다.At this time, the
따라서, 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력보다 더 낮은 소정의 흡입압력 이하가 되면, 상기 흡입밸브(22)가 개방되어 냉매가 상기 압축공간(P)으로 흡입되고, 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 흡입압력 이상이 되면, 상기 흡입밸브(22)가 닫힌 상태에서 상기 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.Therefore, as the
특히, 상기 피스톤(6)은 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치되는데, 구체적으로 상기 유입관(2a)과 근접한 피스톤(6)의 일단에 반경방향으로 돌출된 피스톤 플랜지(6b)가 코일 스프링 등과 같은 기계 스프링(8a,8b)에 의해 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 탄성 지지되고, 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 압축공간(P)에 포함된 냉매가 자체 탄성력에 의해 가스 스프링으로 작용하여 상기 피스톤(6)을 탄성 지지하게 된다.In particular, the
여기서, 상기 기계 스프링(8a,8b)은 부하와 상관없이 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지되, 상기 기계 스프링(8a,8b)은 상기 피스톤 플랜지(6b)를 기준으로 상기 리니어 모터(10)에 고정되는 소정의 지지프레임(26)과 상기 실린더(4)에 각각 축방향으로 나란하게 설치되는 것이 바람직하며, 상기 지지프레임(26)에 지지되는 기계 스프링(8a)과 상기 실린더(4)에 설치되는 기계 스프링(8a)이 동일한 기계 스프링 상수(Km)를 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.Here, the mechanical springs (8a, 8b) has a constant mechanical spring constant (K m ) irrespective of the load, the mechanical spring (8a, 8b) is the linear motor (10) relative to the piston flange (6b) It is preferable that the
하지만, 상기 가스 스프링은 부하에 의존하는 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가지되, 상기 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.However, the gas spring has a variable gas spring constant (K g ) depending on the load, but the gas contained in the compression space (P) increases its elastic force as the pressure of the refrigerant increases as the ambient temperature increases As the gas spring loads, the gas spring constant K g increases.
이때, 상기 기계 스프링 상수(Km)는 일정한 반면, 상기 가스 스프링 상수(Kg)는 부하에 의존하여 가변되기 때문에 전체 스프링 상수 역시 부하에 의존하여 가변되고, 상기의 수학식1에 의존하여 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 상기 가스 스프링 상수(Kg)에 의존하여 가변된다.At this time, the mechanical spring constant (K m ) is constant, while the gas spring constant (K g ) is variable depending on the load, so the total spring constant is also variable depending on the load, piston according to the above equation (1) The natural frequency f n of also varies depending on the gas spring constant K g .
따라서, 부하가 가변되더라도 상기 기계 스프링 상수(Km) 및 피스톤의 질량(M)은 일정한 반면, 상기 가스 스프링 상수(Kg)가 가변되기 때문에 피스톤의 고 유주파수(fn)는 부하에 의존하는 상기 가스 스프링 상수(Kg)에 의해 크게 영향을 받게 되는데, 이러한 피스톤의 고유주파수(fn)가 부하에 따라 가변되는 주파수 추정 알고리즘을 이용하여 파악하고, 그에 따라 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 피스톤의 고유주파수(fn)와 동기화되도록 제어함으로 보다 압축기 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라 신속하게 부하를 해소할 수 있다.Thus, even if the load is variable, the mechanical spring constant (K m ) and the mass (M) of the piston are constant, while the gas spring constant (K g ) is variable, so the inherent frequency (f n ) of the piston depends on the load. It is greatly influenced by the gas spring constant (K g ), which is determined using a frequency estimation algorithm in which the natural frequency (f n ) of the piston is variable according to the load, and accordingly the operating frequency (f) of the linear motor By controlling c ) to be synchronized with the natural frequency (f n ) of the piston, not only can the compressor be more efficient but also the load can be released quickly.
물론, 상기 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.Of course, the load can be measured in various ways, but such a linear compressor is configured to be included in the refrigeration / air conditioning cycle in which the refrigerant is compressed, condensed, evaporated, and expanded, so that 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 to increase accuracy.
즉, 상기 부하는 상기 응축압과 증발압의 차 및 평균압에 비례하도록 산출되며, 상기 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 상기 가스 스프링 상수(Kg)가 커지도록 산출된다.That is, 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. For example, as the difference between the condensation pressure and the evaporation pressure increases, Even if the load is large and the difference between the condensation pressure and the evaporation pressure is the same, the larger the average pressure is, the larger the load is. The corresponding gas spring constant K g is calculated to correspond to the load.
이때, 상기 부하는 실제적으로 도 5에 도시된 바와 같이 응축압에 비례하는 응축온도 및 증발압에 비례하는 증발온도를 측정하고, 상기 응축온도와 증발온도의 차 및 평균온도에 비례하도록 산출되며, 이러한 데이터는 소정의 주파수 추정 알고 리즘에 의해 피스톤의 고유주파수(fn)를 추정하는데 사용된다.At this time, the load is actually calculated to measure the condensation temperature proportional to the condensation pressure and the evaporation temperature proportional to the evaporation pressure as shown in Figure 5, proportional to the difference between the condensation temperature and the evaporation temperature and the average temperature, This data is used to estimate the natural frequency f n of the piston by a predetermined frequency estimation algorithm.
구체적으로, 상기 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)는 다양한 실험을 통하여 결정될 수 있는데, 종래의 리니어 압축기에 비해 기계 스프링 상수가 더 작은 기계 스프링을 적용함으로써, 전체 스프링 상수에 대한 가스 스프링 상수가 차지하는 비율을 높아지도록 하여 부하에 따라 피스톤의 공진주파수가 비교적 넓은 범위에서 변동되도록 하고, 이와 같이 부하에 따라 가변되는 피스톤의 고유주파수(fn)에 상기 리니어 모터의 운전주파수를 손쉽게 동기화되도록 제어할 수 있다.Specifically, the mechanical spring constant K m and the gas spring constant K g can be determined through various experiments. By applying a mechanical spring with a smaller mechanical spring constant than a conventional linear compressor, The resonant frequency of the piston is varied in a relatively wide range according to the load by increasing the ratio of the gas spring constant to the load, and the operating frequency of the linear motor is adjusted to the natural frequency (f n ) of the piston that varies according to the load. You can control for easy synchronization.
다음, 상기 리니어 모터(10)는 도 6에 도시된 바와 같이 복수개의 라미네이션(12a)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 상기 프레임(18)에 의해 상기 실린더(4) 외측에 고정되도록 설치되는 이너 스테이터(12)와, 코일이 감겨지도록 구성된 코일 권선체(14a) 주변에 복수개의 라미네이션(14b)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 상기 프레임(18)에 의해 상기 실린더(4) 외측에 상기 이너 스테이터(12)와 소정의 간극을 두고 설치되는 아웃터 스테이터(14)와, 상기 이너 스테이터(12)와 아웃터 스테이터(14) 사이의 간극에 위치되어 상기 피스톤(6)과 연결부재(17)에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석(16)으로 이루어지되, 상기 코일 권선체(14a)는 상기 이너 스테이터(12) 외측에 고정되도록 설치될 수도 있다.Next, as illustrated in FIG. 6, the
특히, 상기 리니어 모터(10)는 상기 피스톤(6)과 연결되도록 설치되어 상기 피스톤(6)을 축방향으로 왕복 직선운동시키며, 소정의 부하(또는 냉력)에 따라 상기 피스톤(6)의 스트로크를 가변하되, 상기 피스톤(6)이 상사점(TDC)까지 왕복직선 운동을 수행하도록 한다. 이를 위해, 리니어 모터(10)는 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 인가하는 전원부(18)와, 상기 전원부(18)로부터 정류된 직류 전압을 인가받아 소정의 인버터 제어신호(예를 들면, PWM 신호)에 따라 정현파 교류 전압을 생성하여 상기 코일 권선체(14a)에 인가하는 인버터부(19)와, 상기 부하에 따른 상기 피스톤(6)의 스트로크의 가변량을 설정하여, 이 가변량에 따른 비대칭 교류 전압을 생성하기 위한 인버터 제어신호를 생성하여 상기 인버터부(19)로 인가하는 제어부(20)로 이루어진다.In particular, the
여기서, 전원부(18)는 일반적인 정류 회로이며, 인버터부(19)도 역시 종래에 사용되는 인버터 소자가 동일하게 사용된다.Here, the
제어부(20)는 상술된 바와 같이 온도 정보를 인가받아 이 온도 정보에 대응하는 부하(또는 냉력)에 따라 피스톤(6)의 스트로크를 가변하기 위해, 영점에 대하여 비대칭인 정현파 교류 전압이 생성되도록 이에 대응하는 인버터 제어신호를 생성한다.The
이 제어부(20)는 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선운동하도록 하면서 상기 압축공간(P)을 형성하게 되는데, 상기 피스톤(6)의 스트로크(S)가 가변되더라도 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 완전히 압축되어 상기 압축공간(P)이 형성되지 않도록 하는 지점인 상사점(TDC: Top Dead Center)까지 왕복 직선 운동하도록 한다. 이러한 상사점(TDC) 까지의 왕복 직선운동은 하여 상기 피스톤(6)의 스트로크(S)가 가변되더라도 압축 효율이 떨어지지 않도록 한다.The
이 제어부(20)의 동작 및 기능은 하기의 도 7A 내지 7D를 참조로 하여 설명된다. 하기에서 제어부(20)는 비대칭 교류 전압을 설정하며(이때의 교류 전압은 일종의 전압 지령치이다), 이때 상술된 부하에 따른 고유주파수(fn)를 소정의 주파수 추정 알고리즘에 따라 도 5에 개시된 데이터를 이용하여 연산하여 이 비대칭 교류 전압의 주파수(즉, 운동주파수(fc))가 이 고유주파수(fn)와 동일하도록 설정하는 과정을 수행하나, 하기에서는 그 설명을 생략한다.The operation and function of this
먼저, 도 7A는 도 2A에서의 전압(V2)와 동일하다. 즉, 상기 부하(저부하)에 따라 피스톤(6)의 스트로크를 줄이기 위해, 전압(V2)의 피크-피크치가 줄어든 상태이다. 그러나, 이 전압(V2)의 피크치(V2p)는 최대 전압 한계치(Vp)보다 작게 되어 피스톤(6)이 상사점(TDC)에 도달하지 못하게 된다.First, FIG. 7A is equal to the voltage V2 in FIG. 2A. That is, in order to reduce the stroke of the
따라서, 제어부(20)는 도 7B에 도시된 바와 같이, 전압(V2)에 소정의 오프셋 전압(Voffset)을 가산하여 새로운 전압(V2')를 설정한다. 이때 오프셋 전압(Voffset)의 크기는 (Vp - V2p)이며 직류 전압이 되고, 이 오프셋 전압(Voffset)은 양의 값을 지닌다.Therefore, as shown in FIG. 7B, the
상술된 바와 같이, 제어부(20)는 1)부하에 따라 피스톤(6)의 스트로크를 감소시키기 위한 피크-피크치를 지닌 (정현파) 전압을 설정하고, 2)이 설정된 전압의 양의 피크치가 최대 전압 한계치와 같아지도록 소정의 오프셋 전압(Voffset)을 산정하여 가산하여, 영점에 대하여 비대칭이나 오프셋 전압(Voffset)에 대하여는 대칭인 정 현파 교류 전압을 설정한다. 이에 제어부(20)는 이 설정된 비대칭 교류 전압에 대응하는 인버터 제어신호를 생성하여 상기 인버터부(19)로 전송하게 되면, 이 인버터 제어신호에 따라 인버터부(19)는 이 설정된 비대칭 교류 전압을 생성하여 코일 권선체(14a)에 인가하여, 피스톤(6)이 왕복 직선운동하도록 한다. 또한, 제어부(20)는 단계2)를 먼저 수행하고 단계1)을 수행하여 비대칭 교류 전압을 설정할 수 있으며 이때 오프셋 전압(Voffset)의 크기와, 피크-피크치의 감소폭은 적절하게 설정될 수 있으며, 이러한 변형은 본 기술이 속하는 기술 분야에 익숙한 사람에 의해 용이하게 구현될 수 있다.As described above, the
자세하게는, 상기 비대칭 교류 전압(V2')이 상기 오프셋 전압(Voffset)보다 크면, 제어부(20)는 상기 피스톤(6)이 압축행정을 수행하도록 하고, 상기 오프셋 전압(Voffset)보다 작으면 상기 피스톤(6)이 흡입행정을 수행하도록 한다.In detail, when the asymmetric alternating voltage V2 'is greater than the offset voltage V offset , the
도 7C는 도 2A에서의 전압(V1)에 소정의 크기의 오프셋 전압(Voffset)이 가산된 전압(V4)를 도시한다. 이때의 오프셋 전압(Voffset)은 음의 값을 지닌 직류 전압이 된다.FIG. 7C shows the voltage V4 to which the offset voltage V offset of a predetermined magnitude is added to the voltage V1 in FIG. 2A. At this time, the offset voltage V offset is a DC voltage having a negative value.
이 전압(V4)의 피크치(V4p)는 최대 전압 한계치(Vp)보다 작으므로, 전압(V4)의 피크-피크치를 증가시켜 전압(V4')의 피크치가 도 7D에 도시된 바와 같이 최대 전압 한계치(Vp)와 동일하도록 한다. 이러한 비대칭 교류 전압의 설정은 고부하(또는 고냉력)의 경우에 피스톤(6)의 스트로크를 증가시키기 위한 것이다. 이 새로운 전압(V4')도 역시 영점에 대하여 비대칭이나 오프셋 전압(Voffset)에 대하여는 대칭인 정현파 교류 전압이다.Since the peak value V4 p of this voltage V4 is smaller than the maximum voltage limit V p , the peak-peak value of the voltage V4 is increased so that the peak value of the voltage V4 'is maximum as shown in FIG. 7D. Make it equal to the voltage limit (V p ). The setting of this asymmetric alternating voltage is for increasing the stroke of the
이에 제어부(20)는 이 설정된 비대칭 교류 전압에 대응하는 인버터 제어신호를 생성하여 상기 인버터부(19)로 전송하게 되면, 이 인버터 제어신호에 따라 인버터부(19)는 이 설정된 비대칭 교류 전압을 생성하여 코일 권선체(14a)에 인가하여, 피스톤(6)이 왕복 직선운동하도록 한다.When the
도 7C 및 7D에 따른 피스톤(6) 스트로크의 증가 방법도 먼저 전압의 피크-피크치를 먼저 증가시킨 후에, 전압의 피크치가 최대 전압 한계치(Vp)와 같도록 소정의 음의 직류 전압인 오프셋 전압(Voffset)을 가산하는 단계로 구현될 수도 있다.The method of increasing the stroke of the
또한, 상기 비대칭 교류 전압(V2')이 상기 오프셋 전압(Voffset)보다 크면, 제어부(20)는 상기 피스톤(6)이 압축행정을 수행하도록 하고, 상기 오프셋 전압(Voffset)보다 작으면 상기 피스톤(6)이 흡입행정을 수행하도록 한다.In addition, when the asymmetric alternating voltage V2 'is greater than the offset voltage V offset , the
도 8A 및 8B는 피스톤(6)의 스트로크가 가변되는 상태도이다.8A and 8B are state diagrams in which the stroke of the
도 8A에서는, 제어부(20)가 도 7B와 같이 설정된 비대칭 교류 전압에 대한 인버터 제어신호를 생성하여 상기 인버터부(19)로 전송하였을 때, 이 인버터부(19)로부터 코일 권선체(14a)로 인가되어 피스톤(6)을 직선 왕복 운동시킬 때의 스트로크(S')가 도시된다. 스트로크(S)는 영점에 대하여 대칭인 교류 전압(도 2A의 전압(V1))이 생성되어 인가될 때, 소정의 중심(C)에 대하여 압축 행정 거리와 흡입 행정 거리가 동일하며, 피스톤(6)이 상사점(TDC)까지 도달할 때의 피스톤(6)의 이동거리이다.In FIG. 8A, when the
도시된 바와 같이, 비대칭 교류 전압에 의한 피스톤(6)의 스트로크(S')는 대칭 교류 전압에 의한 피스톤(6)의 스트로크(S)에 비하여 줄어들었으며, 상사점(TDC) 왕복 운동이 수행되고, 피스톤(6)은 이전의 하사점(DDC: Down Dead Center)이 아닌 줄어든 스트로크에 의해 새로운 하사점(DDC')에 도달하며 왕복 운동한다.As shown, the stroke S 'of the
반면에, 도 8B에서는, 제어부(20)가 도 7D와 같이 설정된 비대칭 교류 전압에 대한 인버터 제어신호를 생성하여 상기 인버터부(19)로 전송하였을 때, 이 인버터부(19)로부터 코일 권선체(14a)로 인가되어 피스톤(6)을 직선 왕복 운동시킬 때의 스트로크(S")가 도시된다. 스트로크(S)는 영점에 대하여 대칭인 교류 전압(도 2A의 전압(V1))이 생성되어 인가될 때, 소정의 중심(C)에 대하여 압축 행정 거리와 흡입 행정 거리가 동일하며, 피스톤(6)이 상사점(TDC)까지 도달할 때의 피스톤(6)의 이동거리이다.On the other hand, in FIG. 8B, when the
도시된 바와 같이, 비대칭 교류 전압에 의한 피스톤(6)의 스트로크(S")는 대칭 교류 전압에 의한 피스톤(6)의 스트로크(S)에 비하여 증가되었으며, 종래 기술에서는 이루어지지 않았던 상사점(TDC) 왕복 운동이 수행되고, 피스톤(6)은 증가된 스트로크에 의해 이전의 하사점(DDC)이 아닌 새로운 하사점(DDC")까지 도달하며 왕복 운동한다.As shown, the stroke S "of the
도 9는 도 6의 제1실시예에 따른 결과 그래프로서, X축은 오프셋 비율이고, Y축은 스트로크 비율이다. 여기서, 오프셋 비율은 (오프셋 전압에 의한 피스톤(6)의 밀린 거리)/(기구적 초기치)로 정의된다. 자세하게는, 오프셋 전압에 의한 피스톤(6)의 밀린 거리는 가산되는 오프셋 전압(Voffset)에 의한 피스톤(6)의 상사점(TDC) 방향으로의 이동거리로 상술된 도 8A 및 8B에서 스트로크의 중심이 이동거리와 동일하다. 즉, 대칭 교류 전압에서의 스트로크(S)의 중심(C)과 스트로크(S')와 (S")의 중심 간의 차이를 의미한다. 또한, 기구적 초기치는 전압이 인가되지 않은 상태에서 상사점(TDC)로부터 중심(C)까지의 고정된 간격을 의미한다. 따라서, 오프셋 비율이 양의 값이면, 부하가 저냉력일 때 피스톤(6)의 상사점(TDC) 방향으로 밀리게 되는 것을 의미하며, 오프셋 비율이 음의 값이면, 부하가 고냉력일 때 피스톤(6)의 하사점(DDC) 방향으로 밀리게 되는 것을 의미한다. 또한, 스트로크 비율은 (오프셋 전압이 가산된 때의 스트로크)/(대칭 교류 전압에 의한 스트로크)으로 정의된다.FIG. 9 is a result graph according to the first embodiment of FIG. 6, where the X axis is an offset ratio and the Y axis is a stroke ratio. Here, the offset ratio is defined as (the pushed distance of the
따라서, 오프셋 비율과 스트로크 비율의 관계는, 오프셋 전압에 의해 피스톤(6)이 상사점(TDC) 방향으로 밀리게 되면, 즉 오프셋 비율이 양의 값이면, 전체 스트로크가 감소되므로 스트로크 비율은 100%보다 작아지고, 오프셋 비율이 음의 값이면, 전체 스트로크가 증가되므로 스트로크 비율은 100%보다 크게 된다. 이러한 관이를 통하여, 비대칭 교류 전압을 통하여 스트로크 가변이 가능하며, 또한 냉력 가변이 가능하게 된다. 이러한 냉력 가변 능력은 가변하는 부하에 신속하게 대응할 수 있도록 하게 된다.Therefore, the relationship between the offset ratio and the stroke ratio is that if the
도 10A 및 10B는 도 6의 리니어 모터에서의 정현파 구동전압을 설정하는 제2실시예에 관한 그래프이다.10A and 10B are graphs of a second embodiment for setting a sine wave driving voltage in the linear motor of FIG.
이 제2실시예에서도 피스톤(6)이 상사점(TDC)까지 도달하여야 하므로, 전압(V5), (V6)의 양의 피크치는 최대 전압 한계치(Vp)와 동일하여야 하므로, 도 2A의 전압(V2)에서 양의 영역(압축 행정)은 동일하게 유지되며, 반면에 피스톤(6)의 스트로크 가변을 위해서 전압(V2)의 음의 영역(흡입 행정)은 변경이 이루어진다.In this second embodiment, since the
도 10A에 도시된 바와 같이, 제어부(20)는 부하(저부하)에 따라 부하전압(V2)의 음의 영역에서의 피크치(V5p)가 최대 전압 한계치(Vp)보다 작도록 설정한다. 이러한 변경은 전압(V2)의 음의 영역을 상기 부하에 대응하는 소정의 비율만큼(즉, 스트로크의 가변량만큼) 감소시키거나, 소정의 교류 전압을 가산하여 상기 부하에 대응하는 만큼(즉, 스트로크의 가변량만큼) 감소시킴으로써 이루어질 수 있다. 결국, 이 전압(V5)의 피크-피크치는 전압(V2)의 피크-피크치보다 감소된 것이므로, 피스톤(6)의 스트로크는 감소된다. 이러한 감소 가변은 도 8A와 동일한 결과를 야기한다.As shown in FIG. 10A, the
도 10B에 도시된 바와 같이, 제어부(20)는 전압(V2)의 음의 영역에서의 피크치(V6p)가 최대 전압 한계치(Vp)보다 크도록 설정한다. 이러한 변경은 전압(V2)의 음의 영역을 상기 부하에 대응하는 소정의 비율만큼(즉, 스트로크의 가변량만큼) 증가시키거나, 소정의 교류 전압을 가산하여 상기 부하에 대응하는 만큼(즉, 스트로크의 가변량만큼) 증가시킴으로써 이루어질 수 있다. 이 전압(V6)의 피크-피크치 는 전압(V2)의 피크-피크치보다 증가된 것이므로, 피스톤(6)의 스트로크는 증가된다. 이러한 증가 가변은 도 8B와 동일한 결과를 야기한다.As shown in FIG. 10B, the
도 10A 및 10B에서, 제어부(20)는 비대칭 교류 전압을 설정하며, 이때 논술된 부하에 따른 고유주파수(fn)를 연산하여 이 비대칭 교류 전압의 주파수(즉, 운동 주파수(fc))가 이 고유주파수(fn)와 동일하도록 설정하는 과정을 수행하나, 그 설명이 생략된다.10A and 10B, the
도 10A 및 10B에 도시된 비대칭 교류 전압에 의한 피스톤(6)의 스트로크의 변화는 상기 도 8A 및 8B에 각각 대응되며, 이에 대한 설명은 생략된다.The change in the stroke of the
도 11은 도 6의 제2실시예에 따른 결과 그래프이다. X축은 비대칭 비율이고, Y축은 스트로크 비율이다. 여기서, 비대칭 비율은 (흡입 행정시의 스트로크의 진폭)/(압축 행정시의 스트로크의 진폭)으로 정의되고, 스트로크 비율은 (비대칭 교류 전압 인가시의 스트로크)/(대칭 교류 전압 인가시의 스트로크)으로 정의된다.FIG. 11 is a result graph according to the second embodiment of FIG. 6. X axis is asymmetrical ratio, Y axis is stroke ratio. Here, the asymmetric ratio is defined as (amplitude of stroke in suction stroke) / (stroke amplitude in compression stroke), and the stroke ratio is (stroke when applying asymmetrical alternating voltage) / (stroke when applying symmetrical alternating voltage) Is defined.
자세하게는, 비대칭 비율은, 도 10A와 같이 음의 피크치가 양의 피크치보다 적은 비대칭 교류 전압의 경우, 그 값이 '1'보다 작게 되며, 이때 전체 스트로크가 감소됨을 알 수 있다. 반면에 도 10B와 같이 음의 피크치가 양의 피크치보다 큰 비대칭 교류 전압의 경우, 그 값이 '1'보다 크게 되며, 이때 전체 스트로크가 증가됨을 알 수 있다. 이러한 관계를 통하여, 비대칭교류 전압을 통하여 스트로크 가변이 가능하며, 또한 냉력 가변이 가능하게 된다. 이러한 냉력 가변 능력은 가변하는 부하에 신속하게 대응할 수 있도록 하게 된다.In detail, it can be seen that, in the case of the asymmetrical alternating voltage having a negative peak value smaller than the positive peak value as shown in FIG. 10A, the value is smaller than '1', and the overall stroke is reduced. On the other hand, as shown in FIG. 10B, in the case of an asymmetric alternating voltage in which the negative peak value is larger than the positive peak value, the value is larger than '1', and the overall stroke is increased. Through this relationship, the stroke can be changed through the asymmetrical alternating voltage, and the cooling force can be changed. This ability to vary cold power makes it possible to respond quickly to varying loads.
아울러, 부하가 크게 작용함에 따라 가스 스프링 상수가 커지는 동시에 피스톤의 고유주파수 역시 커지게 되고, 상기 리니어 모터의 운전주파수 역시 주파수 추정 알고리즘에 의해 상기 피스톤의 고유주파수에 동기화되도록 상기 비대칭 교류 전압의 주파수를 조절하고, 이로 인하여 리니어 압축기는 공진상태에서 운전이 이루어지도록 하여 압축효율을 높일 수 있다.In addition, as the load increases, the gas spring constant increases and the natural frequency of the piston also increases, and the frequency of the asymmetrical AC voltage is adjusted so that the operating frequency of the linear motor is also synchronized to the natural frequency of the piston by a frequency estimation algorithm. In this case, the linear compressor may operate in a resonance state to increase the compression efficiency.
아울러, 부하가 작게 작용함에 따라 가스 스프링 상수가 작아지는 동시에 피스톤의 고유주파수 역시 작아지게 되고, 상기 리니어 모터의 운전주파수 역시 주파수 추정 알고리즘에 의해 상기 피스톤의 고유주파수에 동기화되도록 상기 비대칭 교류 전압의 주파수를 조절하고, 이로 인하여 리니어 압축기는 공진상태에서 운전이 이루어지도록 하여 압축효율을 높일 수 있다.In addition, as the load acts small, the gas spring constant decreases, and the natural frequency of the piston also decreases, and the frequency of the asymmetrical AC voltage is also synchronized such that the operating frequency of the linear motor is synchronized with the natural frequency of the piston by a frequency estimation algorithm. In this way, the linear compressor can operate in a resonance state to increase the compression efficiency.
이와 같이, 본 발명에서 부하에 따라 가스 스프링 상수 및 고유주파수가 가변되는 것을 주파수 추정 알고리즘에 의해 추정하고, 상기 고유주파수에 리니어 모터의 운전주파수(즉, 비대칭 교류 전압의 주파수)를 동기화시킴으로 공진상태에서 운전이 이루어지도록 하고, 결과적으로 압축효율을 극대화시킬 수 있다.As described above, in the present invention, the gas spring constant and the natural frequency vary according to the load by a frequency estimation algorithm, and the resonance frequency is achieved by synchronizing the operating frequency (that is, the frequency of the asymmetric AC voltage) of the linear motor with the natural frequency. It is possible to maximize the compression efficiency as a result of operating at.
이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예들 및 첨부도면에 기초하여 무빙 마그네트 타입의 리니어 모터가 작동되고, 이와 연결된 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선 이동되면서 냉매를 흡입, 압축, 토출시키는 리니어 압축기를 예로 들어 상세하게 설명하였다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.In the above description, the present invention relates to a linear compressor for moving, moving and reciprocating linearly inside a cylinder a suction magnet type linear motor in which a moving magnet type linear motor is operated based on the embodiments of the present invention and the accompanying drawings. The example has been described in detail. However, the scope of the present invention is not limited by the above embodiments and drawings, and the scope of the present invention will be limited only by the contents described in the claims below.
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