KR100582754B1

KR100582754B1 - 리니어 모타 컴프레서

Info

Publication number: KR100582754B1
Application number: KR1020040103377A
Authority: KR
Inventors: 김태국
Original assignee: (주)코라
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-05-22
Also published as: WO2006062276A1

Abstract

본 발명은 리니어 모타 컴프레서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피스톤의 운동하는 방향으로 서로 다른 극성을 갖는 자극이 형성된 영구자석을 구비하여 출력이 증대되고 컴팩트하게 제작 할 수 있는 리니어 모타 컴프레서에 관한 것이다.

본 발명에 따른 리니어 모타 컴프레서는, 실린더와, 실린더의 일측에 삽입되어 왕복운동이 가능하게 설치된 피스톤과, 실린터의 타측에 고정되어 실린더 내부와 피스톤 사이에 압축실을 형성하는 실린더헤드와, 압축실 내로 작동유체가 흡입 및 배출되도록 설치된 흡기 및 배기 밸브를 포함하는 컴프레서와; 피스톤이 왕복운동하도록 지지하기 위한 공진스프링과; 상기 피스톤과 함께 왕복운동하도록 피스톤에 고정되고 피스톤의 왕복운동 방향을 따라서 서로 다른 자극이 배치되도록 형성된 영구자석과, 실린더에 대하여 상대운동을 하지 않도록 고정되고 영구자석의 자극과 일정한 간격을 갖도록 이격되어 배치된 자극을 구비한 복수의 전자석을 포함하는 리니어 모타를 구비하고; 상기 리니어 모타의 복수의 전자석은 교류 전류에 의하여 여자되었을 때 각각의 자극의 극성이 영구자석의 자극과 인력 및 척력에 의하여 영구자석에 교번하는 추력을 가할 수 있도록 배열된 것을 특징으로 한다.

리니어 모타, 컴프레서, 영구자석, 실린더, 피스톤

Description

리니어 모타 컴프레서{LINERA MOTOR COMPRESSOR}

도 1은 본 발명에 따른 리니어 모타 컴프레서의 일시시예의 개략도

도 2는 본 발명에 따른 리니어 모타 컴프레서의 다른 실시예의 단면도

도 3은 본 발명에 따른 리니어 모타 컴프레서의 또 다른 실시예의 단면도

도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 실시예의 리니어 모타 컴프레서에 사용된 영구자석의 사시도

도 5는 도 3에 도시된 실시예의 동작 원리의 설명도

도 6은 종래의 리니어 모타 컴프레서의 개략 단면도

도 7 (a) 및 (b)는 도 6에 도시된 종래의 리니어 모타 컴프레서에 사용된 영구자석의 사시도

도 8은 도 6에 도시된 종래의 리니어 모타 컴프레서의 동작 원리의 설명도

<도면부호의 간단한 설명>

11 실린더 12 피스톤

13 실린더 헤드 14 배기밸브

15 흡기밸브 23 제1전자석

26 제2전자석 27 영구자석

30 공진스프링 40 갭

50 실린더하우징 60 하우징커버

미국 특허 제6250,895호 및 제6,413,057호나 PCT 국제출원 공보 WO 02/086321 A1 에는 냉장고나 에어컨 등의 작동유체를 압축하기 위한 리니어 모타 컴프레서에 관한 기술이 공개되어 있다. 도 6에는 상기와 같은 문헌에 공개된 종래의 리니어 모타 컴프레서의 공통적인 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 6에 도시된 것과 같이, 종래의 리니어 모타 컴프레서(100)는 작동유체를 압축하기 위하여 왕복운동하는 피스톤(102)을 구비한 컴프레서(110)와, 피스톤(102)을 왕복운동시키기 위한 동력을 공급하는 리니어 모타(120)와, 피스톤(102)이 왕복운동하도록 지지하기 위한 공진 스프링(130)을 포함한다. 컴프레서(100)는, 실린더(101)와, 실린더(101)의 일측에 왕복운동이 가능하게 삽입된 피스톤(102)과, 실린더(101)의 타측에 고정되어 실린더(101) 내부의 공간과 피스톤(102)과의 사이에 압축공간(CV)을 형성하는 실린더 헤드(104)를 구비한다. 또한 피스톤(102)의 후진시 압축실 내로 작동유체가 흡입되도록 피스톤(102)에 설치된 흡입밸브(105)와, 피스톤(102)의 전진시 압축실 내에서 압축된 작동유체가 배출되도록 설치된 실린더 헤드(103)에 설치된 배출밸브(104)를 포함한다. 물론 상기 PCT 공보에 도시된 실시예와 같이, 실린더 헤드(103)에 배출밸브(104)와 흡입밸브(105) 모두가 설치될 수도 있다. 리니어 모타(120)는, 실린더(101)의 주위에 설치된 실린더 형상의 인너코어(123)와, 인너코어(123)의 외부와 일정한 갭(140)이 형성되도록 설치된 아웃터 코어(122)와, 아웃터 코어(122)의 내부에 권선된 코일(121)을 포함한다. 또한, 상기 갭(140)에 설치된 실린더 형상의 영구자석(124)과, 영구자석(124)을 피스톤(102)에 연결하여 고정시키기 위한 영구자석 지지부재(125)를 포함한다. 아웃터 코어(122)와 인너코어(123)는 복수의 강자성체의 판을 적층하여 형성하고, 아웃터 코어(122)의 내부면에는 서로 다른 자극(122a, 122b)이 형성되도록 원주방향으로 슬롯(122c)이 형성되어 있다. 또한, 실린더 형상의 영구자석(124)은, 도 7 (a) 또는 도 7 (b)에 도시된 것과 같이, 실린더의 외주측(124a)과 내주측(124b)이 서로 다른 자극을 갖도록 형성되어 있다.

도 8에는 상기와 같은 종래의 리니어 모타 컴프레서(100)에 교류 전원을 공급하였을 때의 작동원리가 도시되어 있다. 코일(121)에 교류 전원이 공급되면, 아웃터 요크(122)의 내주면의 자극(122a, 122b)이 교대로 변화하게 된다. 즉, 어느 하나의 자극(122a)에 N 극이 유도되면, 다른 하나의 자극(122b)에는 S극이 유도된다. 따라서 각각의 자극(122a, 122b)은 외주면에 S극이 형성된 영구자석(124)에 교대로 인력과 척력을 작용시켜서 영구자석에 교번하는 추력을 작용하게 된다. 도 8에 도시된 것과 같이 공급된 교류 전원의 반주기 동안은 좌측 화살표 방향으로(도 8a, 도 8b, 도 8c 구간), 나머지 반주기 동안(도 8c, 도 8d, 도 8a 구간)은 우측 화살표 방향으로 영구자석에 추력을 가하게 된다. 따라서 영구자석(124)에 연결된 피스톤(102)은 공급된 교류 전원과 동일한 주파수로 피스톤(101) 내를 왕복운동하게 된다. 이때, 영구자석에 가하여 지는 추력은 코일(121)에 흐르는 전류의 세기(magnitude of the current)와 영구자석(124)의 자속밀도(magnetic flux density)에 비례한다.

그러나 상기와 같은 종래의 리니어 모타 컴프레서는, 도 7(a)에 도시된 것과 같은 실린더 형상의 영구자석을 사용하고, 특히 영구자석의 외주측(124a)과 내주측(124b)에 서로 다른 자극이 형성된 영구자석을 사용하기 때문에 내주측의 자극에 대한 자로(磁路)를 형성해 주기 위하여 반드시 인너 코어를 필요로 한다. 따라서 리니어 모타 컴프레서에 인너 코어를 설치하기 위한 공간이 필요하게 되고, 그 공간 만큼 컴프레서의 크기가 커지게 된다. 도 7(b)에 도시된 형태의 영구자석을 사용하더라도 내주측과 외주측이 서로다른 자극을 갖도록 되어 있기 때문에 인너 코어가 필요하기는 마찬가지 이다.

또한, 도 7(a)에 도시된 것과 같은 자극의 분포를 갖는 영구자석은, 통상의 영구 자석재료(페라이트, NdFeB, Bonded 등)로 실린더의 내주면에 형성된 자극의 체적과 실린더의 외주면에 형성된 자극의 체적을 동일하게 제조하는 것이 현실적으로 곤란하다. 상기와 같은 체적의 불균형으로 영구자석의 제조시 최대의 자력을 갖도록 착자할 수 없게 되어, 동일한 크기의 다른 형태의 영구자석에 비하여 보자력이 작게 되고, 시간의 경과에 따라 자력의 감소가 급속히 진행되는 문제점이 있 다. 도 7(b)에 도시된 형태의 영구자석도 N극과 S극으로 착자되는 체적을 동일하게 형성하기가 현실적으로 어렵고, 제조 공정 또한 복잡하여 보자력을 크게할 수 없다. 따라서, 다른 형상의 영구자석에 비하여 피스톤에 작용하는 추력을 크게 할 수 없어서 대용량의 컴프레서를 제작할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 가정용 전원을 사용하는 장치에 사용할 경우 출력을 크게 하기 위하여 영구자석의 크기를 크게할 경우, 보조코어(인너코어)와 권선이 감겨진 주코어(아웃터 코어) 사이의 간격을 크게하여, 오히려 주코어에 의해 유도되는 보조코어의 전자기력을 현저하게 저하시켜서 오히려 영구자석의 운동을 방해하는 작용을 하게 된다.

종래의 리니어 모타 컴프레서는 상기와 같은 문제점을 갖기 때문에 150 Watt 이상의 출력을 갖는 대량생산을 위한 상용적인 제품이 개발되지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 리니어 모타 컴프레서의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은 영구자석의 형태를 변경하여 보조코어를 필요로 하지 않아 컴팩트하게 제조할 수 있는 리니어 모타 컴프레서를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 영구자석의 착자력을 최대로 할 수 있도록 하여 출력이 증대된 리니어 모타 컴프레서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히 상용적으로 대량생산이 가능한 1,200 Watt 이상의 출력을 갖는 리니어 모타 컴프레서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 리니어 모타 컴프레서는, 실린더와, 상기 실린더의 일측에 삽입되어 왕복운동이 가능하게 설치된 피스톤과, 상기 실린터의 타측에 고정되어 실린더 내부와 피스톤 사이에 압축실을 형성하는 실린더헤드와, 상기 피스톤의 후진시 압축실 내로 작동유체가 흡입되도록 설치된 흡기밸브와, 상기 피스톤의 전진시 압축실 내의 압축된 작동유체가 배출되도록 설치된 배기밸브를 포함하는 컴프레서와; 상기 피스톤이 왕복운동하도록 지지하기 위한 공진스프링과; 상기 피스톤과 함께 왕복운동하도록 피스톤에 연결되어 고정되고 피스톤의 왕복운동 방향을 따라서 서로 다른 자극이 배치되도록 형성된 영구자석과, 상기 실린더에 대하여 상대운동을 하지 않도록 고정되고 상기 영구자석의 자극과 일정한 간격을 갖도록 이격되어 배치된 자극을 구비한 복수의 전자석을 포함하는 리니어 모타를 구비하고; 상기 리니어 모타의 복수의 전자석은 교류 전류에 의하여 여자되었을 때 각각의 자극의 극성이 영구자석의 자극과 인력 및 척력에 의하여 영구자석에 교번하는 추력을 가할 수 있도록 배열된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 영구자석은 실린더 형상의 것을 사용하여 중심축선이 상기 피스톤의 왕복운동 방향의 중심축선과 일치하도록 피스톤에 고정하고, 한쌍의 전자석을 이웃하게 배치하여 컴팩트하게 제조하는 것이 보다 바람직하다. 한쌍의 전자석 중 제1 전자석은 상기 영구자석의 어느 하나의 자극을 중공의 내부에 수용하도록 배치하고, 상기 수용된 영구자석의 외주면과 일정한 간격으로 이격된 중공의 내주면에 한쌍의 자극이 형성되도록 원주방향으로 슬롯이 형성되고 강자성체 판으로 적층된 제1코어와, 상기 제1코어의 내부에 권선된 제1코일을 구비한다. 또한 제2 전자석은 상기 영구자석의 나머지 하나의 자극을 중공의 내부에 수용하도록 배치하고, 상기 수용된 영구자석의 외주면과 일정한 간격으로 이격된 중공의 내주면에 한쌍의 자극이 형성되도록 원주방향으로 슬롯이 형성되고 강자성체 판으로 적층된 제2코어와, 상기 제2코어의 내부에 상기 제1코일과 반대 방향으로 권선된 제2코일을 구비한다.

또한, 피스톤의 왕복운동 거리를 영구자석의 어느 하나의 자극의 길이와 같게 하기 위하여 상기 제1전자석 및 제2전자석은 인접하게 배치하고, 각각의 전자석의 코어의 길이방향의 중앙에 슬롯을 형성하고, 전자석의 코어의 길이를 실린더 형상의 영구자석의 길이와 실질적으로 동일하게 한다.

본 발명에 의하면, 피스톤과 함께 왕복운동하도록 피스톤에 연결되어 고정되고 상기 피스톤의 왕복운동 방향을 따라서 서로 다른 자극을 갖는 영구자석을 사용하고, 복수의 전자석이 상기 영구자석에 교번하는 추력을 가하도록 되어 있다. 따라서, 별도의 보조 코어가 필요하기 않기 때문에 컴팩트한 컴프레서를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 의한 리니어 모타 컴프레서는 영구자석이 서로 다른 자극이 길이 방향으로 형성되어 있으므로, 서로 다른 자극의 체적이 실질적으로 동일하도록 제조할 수 있기 때문에 보자력이 큰 영구자석을 제조할 수 있어서 종래의 컴프레서 보다 출력을 증대시킬 수 있게 된다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 리니어 모타 컴프레서의 일시시예의 개략도가 도시되어 있다. 본 실시예의 리니어 모타 컴프레서는 플레임(F)에 고정된 컴프레서(C)와, 컴프레서(C)의 피스톤(2)을 왕복운동시키기 위하여 교번하는 추력을 피스톤(2) 에 제공하기 위한 리니어 모타(L)와, 피스톤(2)의 왕복운동을 지지하기 위하여 일단이 피스톤(2)에 연결되고 타단이 프레임(F)에 고정된 공진스프링(6)을 포함한다.

컴프레서(C)의 피스톤(2)은 프레임(F)에 고정된 실린더(1)의 일측에 삽입되어 왕복운동이 가능하도록 설치되어 있다. 실린더(1)의 타측에는 실린더 헤드(3)가 고정되어 있고, 실린더 헤드(3)는 실린더 내부와 피스톤(2) 사이에 압축실(CV)을 형성한다. 또한, 실린더 헤드(3)에는 흡기구멍(3a)과 배기구멍(3b)이 형성되어 있으며, 각각의 구멍에는 흡기밸브(4)와 배기밸브(5)가 설치되어 있다. 상세히 도시하지는 않았으나, 흡기밸브(4)는 피스톤이 후진하여 압축실(CV) 내부의 압력이 일정 값 이하가 되면 개방되고 피스톤이 전진할 경우에는 폐쇄되도록 되어 있다. 또한, 배기밸브(5)는 피스톤(2)이 후진할 경우 폐쇄되도록 되어 있고, 피스톤(2)이 전진 하여 압축실(CV) 내부의 압력이 일정한 값 이상이 되면 개방되어 압축된 작동유체가 배출되도록 되어 있다.

리니어 모타(L)는 영구자석지지대(7b)에 지지되어 피스톤(2)에 고정된 영구자석(7)과, 영구자석(7)의 자극(7a)과 일정거리 이격되어 배치되도록 프레임(F)에 고정된 한쌍의 전자석(8, 9)을 포함한다. 영구자석지지대(7b)는 알루미늄과 같은 비자성체로 되어 있으며, 도시된 것과 같이, 영구자석의 자극(7a)을 제외한 나머지 부분을 감싸고 피스톤(2)에 고정되어 있다. 또한, 본 실시예에 있어서 영구자석(7)은 판 형상이고, 서로 다른 극성(N, S)을 갖는 자극(7a)이 피스톤(7)의 왕복운동방향(화살표 방향)을 따라서 배치되어 있다. 한쌍의 전자석(8, 9)은 각각 강자성체로 된 금속판이 적층되어 형성된 코어에 코일(8a, 9a)이 각각 동일한 방향으로 권선되어 있다. 따라서 각각의 전자석에 교류전원이 공급된 경우, 영구자석(7)의 자극(7a)과 평행하게 배치된 각각의 전자석의 자극(8a, 9a)은 교류전원과 동일한 주파수로 교번하고 동일한 자성을 띄게 된다. 또한, 각각의 전자석(8, 9)은 영구자석의 서로 다른 자극과 적어도 일부가 면하도록 배치되어 있다. 따라서 동일한 위상의 교류 전류가 각각의 전자석(8,9)에 제공되었을 때, 각각의 전자석(8,9)의 자극(8a, 9a)은 영구자석(7)의 자극(7a)에 인력과 척력을 각각 작용하여 영구자석(7)에 교번하는 추력을 가하게 된다. 예를 들어 전자석(8,9)의 자극(8a, 9a)이 모두 N극인 경우 도시된 것과 같이 자극이 배치된 영구자석(7)은 그림에서 오른쪽 방향으로 추력을 받게 되고, 모두 S극인 경우 왼쪽 방향으로 추력을 받게 된다. 따라서, 영구자석(7)에 연결된 피스톤(2)이 교류 전원과 동일한 주파수로 왕복운동을 하게 되어 압축실(CV) 내의 작동유체를 압축하게 된다. 또한, 본 실시예에서 각각의 전자석(8,9)의 피스톤(7)의 왕복운동 방향의 길이는 전자석(7)의 하나의 자극의 길이와 동일하고, 각각의 전자석(8,9)은 영구자석(7)의 어느 하나의 자극의 길이 많큼 이격되어 설치되어 있다. 따라서, 피스톤(2)의 최대 행정거리는 영구자석(7)의 어느 하나의 자극의 길이와 같게 된다.

도 2에는 본 발명에 따른 리니어 모타 컴프레서의 다른 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 본 실시예의 리니어 모타 컴프레서는 컴프레서(10)와, 컴프레서(C)의 피스톤(12)을 왕복운동시키기 위하여 피스톤(12)에 교번하는 추력을 제공하기 위한 리니어 모타(20)와, 피스톤(12)의 왕복운동을 지지하기 위한 공진스프링(30)을 포함한다.

컴프레서(10)는 실린더(11)와, 실린더(11)의 일측에서 삽입되어 왕복운동이 가능하도록 설치된 피스톤(12)과, 실린더(11)의 타측에 고정되어 실린더 내부와 피스톤(2) 사이에 압축실(CV)을 형성하는 실린더 헤드(13)를 포함한다. 또한, 실린더 헤드(13)에는 배기구멍(13a)이 형성되어 있으며, 배기구멍(13a)에는 배기밸브(5)가 설치되어 있다. 피스톤(12)은 중공이고 실리더에 삽입되는 측의 단부에는 직경이 감소된 흡기구멍(12a)이 형성되어 있으며, 흡기구멍(12a)에는 흡기밸브(15)가 설치되어 있다. 상세히 도시하지는 않았으나, 흡기밸브(15)는 피스톤(12)이 후진하여 압축실(CV) 내부의 압력이 일정 값 이하가 되면 개방되어 작동유체가 유입되도록 되어 있고 피스톤(12)이 전진할 경우에는 폐쇄되도록 되어 있다. 또한, 배기밸브(14)는 피스톤(12)이 후진할 경우 폐쇄되도록 되어 있고, 피스톤(12)이 전진 하여 압축실(CV) 내부의 압력이 일정한 값 이상이 되면 개방되어 압축된 작동유체가 배출되도록 되어 있다.

리니어 모타(L)는 영구자석지지대(28)의 플랜지부(28a)의 외주면에 삽입되어 밀착고정된 실린더 형상의 영구자석(27)과, 영구자석(27)의 외주면에 배치된 서로다른 자극(27a, 27b)과 일정한 간격의 캡(40)을 두고서 배치된 한쌍의 전자석(23, 26)을 포함한다. 영구자석지지대(7b)는 알루미늄과 같은 비자성체로 되어 있으며, 피스톤(12)이 삽입되어 고정되기 위한 고정부(28c)와, 고정부에서 반경방항으로 연장되고 공진스프링(30)이 지지되기 위한 목부(28b)와, 목부(28)로부터 피스톤 왕복운동의 길이방향으로 연장되어 영구자석의 내주면이 밀착 고정되기 위한 플랜지부(28a)로 구성된다. 본 실시예의 영구자석(27)은, 도 4에 도시된 것과 같은 실린더 형상이고, 중심축선이 상기 피스톤의 왕복운동 방향의 중심축선과 일치하도록 영구자석지지대(7b)에 고정되어 있다. 특히, 본 실시예의 영구자석(27)은 서로 다른 자극(27a, 27b)이 길이 방향으로 형성되어 있으므로, 도 7에 도시된 종래의 리니어모터에 사용된 영구자석과 달리, 서로 다른 자극의 체적이 동일하게 되도록 제조할 수 있기 때문에 보자력이 큰 영구자석을 제조할 수 있어서 보다 출력이 큰 리니어 모타 컴프레서를 제공하게 된다.

제1전자석(23)과 제2전자석(26)은 실린더 형상이고 축방향으로 인접하게 배치되어 있으며, 제1전자석(23)은 상기 영구자석(27)의 어느 하나의 자극(27a)을 중공의 내부에 수용하고 있으며, 제2전자석은 나머지 하나의 자극(27b)을 내부에 수용하고 있다. 또한, 제1전자석(23)과 제2전자석(26)은 각각 수용된 영구자석(27)의 외주면과 일정한 간격(40)으로 이격되어 배치되는 내주면이 형성된 제1코어(22) 및 제2코어(25)와 상기 제1코어(22) 및 제2코어(25)의 내부에 권선된 제1코일(21) 및 제2코일(24)을 구비하고 있다. 또한, 상기 제1코어(22) 및 제2코어(25)는 코일에 전류가 흐를 경우 내주면에 서로 다른 한쌍의 자극면이 형성되도록 원주방향으로 슬롯(22c, 25c)이 각각 형성되어 있다. 제1코어(22) 및 제2코어(25)는 각각 코일이 권선된 공간이 형성될 부분과 슬롯이 형성될 부분이 제거된 강자성체 금속판을 적층하여 형성한다. 또한, 각각의 코어(22, 25)에 형성된 슬롯(22c, 25c)은 각각의 코어의 길이방향의 중앙에 형성되어 있고, 각각의 전자석(23, 26)의 코어(22, 25)의 길이는 실린더 형상의 영구자석(27)의 길이와 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 또한, 영구자석(27)은 정지상태에서 한쌍의 전자석(23, 26)의 중앙에서 약 간 벗어나 위치하도록 공진 스프링(31, 32)의 탄성이 조절된다. 본 실시예의 리니어 모타(20)는, 도 7에 도시된 것과 같이, 길이 방향으로 서로 다른 자극이 착자된 영구자석(27)을 피스톤(12)의 왕복운동 방향을 따라서 배치하고, 서로 반대방향으로 권선된 코일을 갖는 제1전자석(23) 및 제2전자석(26)으로 영구자석(27)에 교번하는 추력을 가하도록 되어 있다. 따라서, 도 6에 도시된 것과 같은 종래의 리니어 모타와 달리 별도의 보조코어가 필요 없어서 컴프레서를 컴팩트하게 제작할 수 있다.

또한, 본 실시예의 리니어 모타 컴프레서는 컴프레서(10)와 리니어모타(20)가 실린더 하우징과(50)과 하우징 커버(60)에 의하여 견고하게 고정된다. 실린더(11)와 실린더 헤드(13)는 실린더 하우징(50)의 일측에 형성된 지지구멍(52)에 삽입되어 고정되어 있다. 실린더하우징(50)과 하우징커버(60)는 디스크 형상이고, 각각의 사이에는 제1전자석(23) 및 제2전자석(26)이 삽입되어 밀착 고정된다. 각각의 전자석(23, 26)의 코어(22, 25)와 밀착하여 고정되는 실린더하우징(50)과 실린더 커버(60)는 비자성체인 알루미늄으로 되어 있다. 하우징커버(60)의 중앙에는 작동유체가 피스톤의 중공으로 통하도록 하기 위한 관통구멍(62)이 형성되어 있다. 또한, 제1공진스프링의 일단은 상기 실린더 하우징(50)에 형성된 스프링지지홈(51)에 삽입되어 지지되어 있고, 타단은 영구자석지지대(28)의 일측 목부(28b)에 지지되어 있다. 또한, 제2공진스프링의 일단은 하우징커버(60)의 스프링지지홈(51)에 삽입되어 지지되어 있고, 타단은 영구자석지지대(28)의 타측 목부(28b)에 지지되어 있다.

또한 본 실시예에 있어서 제1코일(21)과 제2코일(24)은, 도 2의 전류 방향 기호에 표시된 것과 같이, 서로 반대 방향으로 권선되어 있다. 따라서 각각의 전자석(23, 26)에 동일한 위상의 교류 전원이 공급될 경우, 영구자석(27)의 자극(27a, 27b)과 일정한 갭(40)을 사이에 두고 평행하게 배치된 제1전자석(23)의 자극(22a, 22b) 및 제2전자석(26)의 자극(25a, 25b)은 각각 교류 전원과 동일한 주파수로 교번하는 자극이 형성된다. 어떤 위상으로 공급된 교류 전원에서 제1전자석(23)의 자극(22a, 22b)이 순서대로 S극(22a)-N극(22b)으로 여자되면 이웃하는 제2전자석(26)의 자극(25a, 25b)은 역으로 N극(25b)-S극(25a)으로 여자된다. 따라서 정지된 상태에서 동일한 위상의 교류 전류가 각각의 전자석(23, 26)에 공급되었을 때, 영구자석(27)의 자극(27a, 27b)과 면하는 전자석의 자극(22b, 25a)이 모두 N극이므로, 영구자석(27)의 자극(27a, 27b)에 각각 인력과 척력을 작용하여 영구자석을 일방향으로 미는 추력을 가하게 된다. 추력에 의하여 영구자석(27)이 일방향으로 이동하게 되면(그림에서 우측방향으로 이동한다고 가정), 영구자석(27)이 이동하는 방향에 인접한 제2전자석(26)의 자극(25a)도 영구자석(27)에 인력을 가하게 된다. 가해진 추력에 의하여 영구자석(27)에 연결된 피스톤(12)이 우측으로 이동하게 된다. 이때, 공진스프링(31)에 피스톤(12)의 운동에너지가 탄성에너지로 저장된다. 교류전원의 위상이 반대로 바뀌면, 각각의 전자석(23, 26)의 자극(22a, 22b, 25a, 25b)의 극성도 반대로 바뀌게 되고 영구자석(27)의 이동 방향과 반대 방향으로 영구자석(27)에 추력이 작용하여 피스톤(12)을 좌측방향으로 이동시키게 된다. 따라서, 각각의 전자석(23, 26)에 교류전원이 계속 인가되면, 각각의 전자석 (23, 26)의 자극의 극성은 교류전원의 주파수와 동일한 주파수로 변화하게 되고, 영구자석(27)에 가해지는 추력도 교류전원의 주파수와 동일한 주파수로 교번하게 된다. 따라서, 영구자석(27)에 연결된 피스톤(12)은 교류 전원과 동일한 주파수로 왕복운동을 하게 되어 압축실(CV) 내로 흡기밸브(15)를 통하여 흡입된 작동유체를 압축하여 배기밸브(14)를 통하여 외부로 배출하게 된다.

도 3에는 본 발명에 따른 리니어 모타 컴프레서의 또 다른 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 실시예의 컴프레서가 도 2에 도시된 실시예의 컴프레서와 다른 점은, 제1코아 및 제2코어의 제조를 용이하게 하고 비용을 절감할 수 있도록 네개의 부분으로 일체화 한 것이다. 즉, 대칭구조를 갖는 한쌍의 외측코어(72, 74)와, 중앙코어(73)와, 커버코어(71)로 한쌍의 전자석의 코어를 형성한 점이다. 나머지 구성 및 작용 효과는 도 2에 도시된 실시예의 리니어 모타 컴프레서와 동일하므로 설명을 생략한다.

도 5는 도 3에 도시된 리니어 모타 컴프레서에 가해지는 교류 전원의 위상변화에 따른 동작 상태의 설명도이다. 방향이 반대로 권선되고 이웃하게 배치된 한쌍의 전자석에 교류 전원이 공급되면, 각각의 전자석의 자극은 극성이 교대로 변화하게 된다. 도시된 것과 같이, 자극들은 순서대로 S극(22a)-N극(22b)-N극(25b)-S극(22a)으로 되거나 N극(22a)-S극(22b)-S극(25b)-N극(22a)으로 교대로 변화하게 된다. 자극들이 S극(22a)-N극(22b)-N극(25b)-S극(22a)으로 배열된 경우(도 5a, 도 5b, 도 5c 구간)에는 그림에서 좌측을 향한 화살표 방향으로 전자석이 영구자석(27)에 추력을 가하게 되고, 자극들이 N극(22a)-S극(22b)-S극(25b)-N극(22a)으로 배열된 경우(도 5c, 도 5d, 도 5a 구간)에는 그림에서 우측을 향한 화살표 방향으로 전자석이 영구자석(27)에 추력을 가하게 된다. 교류 전원의 극성이 전환 될 때에는 전자석의 자극은 자력을 잃게 되어 영구자석(27)에 추력을 제공하지 않지만, 공진스프링에 저장된 탄성에너지가 복원력으로 작용하여 영구자석을 최초의 위치로 복원시키게 된다. 따라서, 영구자석(52)의 좌우 왕복운동의 주파수는 교류 전원의 주파수에 동기되며, 전원의 1주기는 피스톤의 1회 왕복과 같다. 즉, 영구자석(124)에 연결된 피스톤(102)은 공급된 교류 전원과 동일한 주파수로 피스톤(101) 내를 왕복운동하게 된다. 따라서 피스톤의 급기밸브를 통하여 압축실 내부로 공급된 작동유체는 압축실내에서 압축되어 실린더 헤드의 배기밸브를 통하여 외부로 배출된다. 본 발명의 리니어 모타 컴프레서에 작동유체를 프레온 가스와 같은 냉매를 사용하면 냉동 또는 냉장 장치의 컴프레서로 사용할 수 있으며, 공기를 사용할 경우에는 고압 공기를 공급하기 위한 장치의 컴프레서로 사용할 수 있다.

본 발명에 의하면, 피스톤과 함께 왕복운동하도록 피스톤에 연결되어 고정되고 상기 피스톤의 왕복운동 방향을 따라서 서로 다른 자극을 갖는 영구자석과, 상기 영구자석에 교번하는 추력을 가할 수 있도록 배치된 복수의 전자석을 구비한 리니어 모타 컴프레서를 제공한다. 본 발명에 의한 리니어 모타 컴프레서는 별도의 보조 코어가 필요하지 않아서 컴팩트하고, 영구자석의 보자력을 극대화 할 수 있어서 종래의 리니어 모타 컴프레서에 비하여 출력을 증대 시킬 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims

실린더와, 상기 실린더의 일측에 삽입되어 왕복운동이 가능하게 설치된 피스톤과, 상기 실린터의 타측에 고정되어 실린더 내부와 피스톤 사이에 압축실을 형성하는 실린더헤드와, 상기 피스톤의 후진시 압축실 내로 작동유체가 흡입되도록 설치된 흡기밸브와, 상기 피스톤의 전진시 압축실 내의 압축된 작동유체가 배출되도록 설치된 배기밸브를 포함하는 컴프레서와,

상기 피스톤이 왕복운동하도록 지지하기 위한 공진스프링과,

상기 피스톤과 함께 왕복운동하도록 피스톤에 연결되어 고정되고 피스톤의 왕복운동 방향을 따라서 서로 다른 자극이 배치되도록 형성된 영구자석과, 상기 실린더에 대하여 상대운동을 하지 않도록 고정되고 상기 영구자석의 자극과 일정한 간격을 갖도록 이격되어 배치된 자극을 구비한 복수의 전자석을 포함하는 리니어 모타를 구비하고,

상기 리니어 모타의 복수의 전자석은 교류 전류에 의하여 여자되었을 때 각각의 자극의 극성이 영구자석의 자극과 인력 및 척력에 의하여 영구자석에 교번하는 추력을 가할 수 있도록 배열된 것을 특징으로 하는 리니어 모타 컴프레서.
제1항에 있어서,

상기 영구자석은 실린더 형상이고, 중심축선이 상기 피스톤의 왕복운동 방향의 중심축선과 일치하도록 피스톤에 고정되어 있으며,

상기 복수의 전자석은,

상기 영구자석의 어느 하나의 자극을 중공의 내부에 수용하고 있으며, 상기 수용된 영구자석의 외주면과 일정한 간격으로 이격된 중공의 내주면에 한쌍의 자극이 형성되도록 원주방향으로 슬롯이 형성되고 강자성체 판으로 적층된 제1코어와, 상기 제1코어의 내부에 권선된 제1코일을 구비한 제1전자석과,

상기 영구자석의 나머지 하나의 자극을 중공의 내부에 수용하고, 상기 수용된 영구자석의 외주면과 일정한 간격으로 이격된 중공의 내주면에 한쌍의 자극이 형성되도록 원주방향으로 슬롯이 형성되고 강자성체 판으로 적층된 제2코어와, 상기 제2코어의 내부에 상기 제1코일과 반대 방향으로 권선된 제2코일을 구비한 제2전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모타 컴프레서.
제2항에 있어서,

상기 제1전자석 및 제2전자석은 인접하여 배치되어 있으며, 각각의 전자석의 코어에 형성된 슬롯은 각각의 코어의 길이방향의 중앙에 형성되어 있으며, 각각의 전자석의 코어의 길이는 실린더 형상의 영구자석의 길이와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 리니어 모타 컴프레서.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 실린더 헤드에는 압축실 내의 작동유체를 배출하기 위한 배출구멍이 형성되어 있고,

상기 피스톤에는 압축실로 작동유체가 유입되기 위한 유입구멍이 형성되어 있으며,

상기 배기밸브는 실린더헤드에 형성된 상기 배출구멍에 설치되어 있고,

상기 흡기밸브는 피스톤의 상기 유입구멍에 설치된 것을 특징으로 하는 리니어 모타 컴프레서.
제4항에 있어서,

플랜지부를 구비하고 상기 피스톤의 외주면에 삽입 고정된 비자성체로 된 영구자석지지대를 더 포함하고,

상기 영구자석의 내주면은 상기 플랜지부의 외주면에 밀착되어 고정된 것을 특징으로 하는 리니어 모타 컴프레서.
제5항에 있어서,

일측으로 상기 실린더와 실린더헤드가 삽입되어 지지되기 위한 지지구멍이 형성된 실린더하우징과,

상기 실린더 하우징과의 사이에 상기 복수의 전자석의 코아를 지지하기 위한 하우징커버를 포함하고,

상기 공진스프링은, 일단이 상기 실린더하우징에 지지되고 타단이 상기 영구자석지지대의 일측에 지지된 제1공진스프링과, 일단이 상기 하우징커버에 지지되고 타단이 상기 영구자석지지대의 타측에 지지된 제2공진스프링을 포함하는 것을 특징 으로 하는 리니어 모타 컴프레서.
제6항에 있어서,

상기 제1코어 및 제2코어는 네개의 부분코어를 결합하여 일체로 형성되고, 상기 네개의 부분코어는 실린더 하우징과 접하는 제1외측코어와 하우징커버와 접하는 제2외측코어와, 제1코일과 제2코일 사이에 배치된 중앙코어와, 상기 외측코어 및 중앙코어를 감싸는 커버코어인 것을 특징으로 하는 리니어 모타 컴프레서.