KR101681588B1

KR101681588B1 - 왕복동식 압축기

Info

Publication number: KR101681588B1
Application number: KR1020100066543A
Authority: KR
Inventors: 기성현; 이혁; 홍언표
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2016-12-01
Also published as: CN102985694B; WO2012005530A3; CN102985694A; WO2012005530A2; US20130115116A1; US9004885B2; KR20120005860A

Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것이다. 본 발명은, 압축부의 실린더를 상기 밀폐용기에 밀착시켜 고정하고 상기 왕복동모터의 고정자를 판스프링으로 된 지지스프링으로 밀폐용기에 고정함으로써 상기 압축기본체와 밀폐용기 사이의 간격을 줄여 압축기의 크기를 축소할 수 있다. 또, 상기 왕복동모터와 압축부를 이루는 부재들의 질량과 이를 지지하는 스프링의 탄성을 적절히 조정하여 밀폐용기에 가해지는 힘을 상쇄시킴으로써 밀폐용기의 진동을 최소화할 수 있다. 또, 상기 왕복동모터의 상대 속도를 압축부의 상대 속도보다 더 크게 하여 모터의 효율을 상승시킬 수 있다.

Description

왕복동식 압축기{LINEAR COMPRESSOR}

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 진동을 이용한 왕복동식 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤이 실린더의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입 압축하여 토출하는 방식이다. 상기 왕복동식 압축기는 피스톤의 구동방식에 따라 연결형과 진동형으로 구분할 수 있다.

상기 연결형 왕복동식 압축기는 상기 피스톤이 회전모터의 회전축에 컨넥팅 로드로 연결되어 실린더에서 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이다. 반면, 상기 진동형 왕복동식 압축기는 피스톤이 왕복운동을 하는 왕복동모터의 가동자에 연결되어 함께 진동하면서 실린더에서 왕복운동을 하여 냉매를 압축하는 방식이다. 본 발명은 진동형 왕복동식 압축기에 관한 것으로 이하에서는 진동형 왕복동식 압축기를 왕복동식 압축기라고 약칭한다.

상기 왕복동식 압축기는 왕복동모터의 자속(magnet flux) 방향을 따라 상기 피스톤과 실린더가 상대 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입, 압축하여 토출하는 일련의 과정을 반복하게 된다.

그러나, 종래의 왕복동식 압축기는, 왕복동모터와 압축부로 된 압축기본체가 코일스프링으로 된 지지스프링으로 밀폐용기의 내부공간에 지지되어 횡방향으로 진동 가능하게 설치됨에 따라 상기 밀폐용기와 압축기본체 사이에는 지지스프링으로 지지되는 만큼의 일정한 간격이 필요하게 되고 이로 인해 압축기의 크기가 커지는 문제점이 있었다.

또, 종래의 왕복동식 압축기는, 상기 지지스프링이 왕복동모터의 고정자와 압축부의 실린더에 연결되어 밀폐용기에 고정됨에 따라 상기 왕복동모터의 진동과 압축부의 진동이 밀폐용기로 그대로 전달되어 압축기 진동이 증가하는 문제점도 있었다.

또, 종래의 왕복동식 압축기는, 상기 왕복동모터의 고정자가 압축부의 실린더에 일체로 결합되거나 또는 공진스프링에 의해 연결되고 상기 왕복동모터의 가동자는 압축부의 피스톤과 일체로 연결됨에 따라 상기 왕복동모터의 속도와 압축부의 상대 속도가 동일하게 된다. 이로 인해 상기 왕복동모터의 상대 속도를 높이는데 한계가 있어 압축기 효율이 저하되는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은, 압축기본체와 밀폐용기 사이의 간격을 줄여 소형화된 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 왕복동모터의 진동과 압축부의 진동을 상쇄시켜 압축기 진동을 감쇄시킬 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 왕복동모터의 상대 속도와 압축부의 상대 속도를 다르게 제어하여 왕복동모터의 속도를 향상시키고 이를 통해 압축기의 효율을 높일 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 밀폐용기; 상기 밀폐용기의 내부에 고정자가 결합되고, 그 고정자의 공극에서 가동자가 왕복운동을 하는 왕복동모터; 상기 가동자에 결합되어 왕복운동을 하는 피스톤; 및 상기 피스톤이 삽입되어 압축공간을 형성하도록 상기 왕복동모터와 일정 간격을 두고 상기 밀폐용기의 내부에 결합되는 실린더;를 포함하고, 상기 왕복동모터의 고정자 또는 실린더 중에서 어느 한 쪽은 상기 밀폐용기의 내주면에 고정 결합되는 반면, 다른 한 쪽은 상기 밀폐용기에 스프링으로 지지되어 결합되는 왕복동식 압축기가 제공된다.

본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 상기 압축부의 실린더를 상기 밀폐용기에 밀착시켜 고정하고 상기 왕복동모터의 고정자를 판스프링으로 된 지지스프링으로 밀폐용기에 고정함으로써 상기 압축기본체와 밀폐용기 사이의 간격을 줄여 압축기의 크기를 축소할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 압축부의 실린더가 밀폐용기에 밀착되어 있기 때문에 루프파이프와 같은 별도의 파이프를 구성할 필요가 없어 제조비용을 절감할 수 있다.

또, 상기 왕복동모터의 고정자 질량과 지지스프링의 강성, 그리고 왕복동모터의 가동자 질량 및 압축부의 피스톤 질량과 공진스프링의 강성을 적절히 조정하면 상기 밀폐용기에 가해지는 힘을 서로 상쇄시킬 수 있고 이를 통해 밀폐용기의 진동을 최소화할 수 있다.

또, 상기 왕복동모터의 상대 속도를 압축부의 상대 속도보다 더 크게 할 수 있고, 이를 통해 모터의 효율을 상승시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도,
도 2는 도 1에 따른 왕복동식 압축기의 구조를 설명하기 위해 보인 개요도,
도 3은 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 다른 예를 보인 종단면도,
도 4는 도 3에 따른 왕복동식 압축기의 구조를 설명하기 위해 보인 개요도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 다른 예에 대한 구조를 설명하기 위해 보인 개요도.

이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기를 첨부도면에 도시된 왕복동식 압축기를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 2는 도 1에 따른 왕복동식 압축기의 구조를 설명하기 위해 보인 개요도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 밀폐용기(100)의 양단에 각각 가스흡입관(110)과 가스토출관(120)이 연통되고, 상기 밀폐용기(100)의 내부에는 가동자(230)가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터(200)가 설치되며, 상기 왕복동모터(200)의 가동자(230)와 연결되는 피스톤(320)이 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 압축부(300)가 상기 왕복동모터(200)와 일정 간격을 두고 밀폐용기(100)의 내부에 설치된다.

상기 밀폐용기(100)는 양측에 가스흡입관(110)과 가스토출관(120)이 관통되어 각각 연결된다. 상기 가스흡입관(110)은 그 끝단이 상기 밀폐용기(100)의 내부공간(130)에 연통되도록 연결되는 반면 상기 가스토출관(120)은 그 끝단이 후술할 토출커버(360)에 직접 연결된다.

상기 왕복동모터(200)는 코일(C)이 구비되어 상기 밀폐용기(100)에 진동 가능하게 결합되는 외측고정자(210)와, 상기 외측고정자(210)의 안쪽에 소정 간격을 갖는 공극(air gap)을 두고 설치되어 상기 외측고정자(210)와 함께 밀폐용기(100)에 진동 가능하게 결합되는 내측고정자(220)와, 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220) 사이에서 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(230)로 이루어진다.

상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220)는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 낱장씩 원통형으로 적층하거나 또는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 블록모양으로 적층하여 방사상으로 배열하여 이루어진다.

그리고 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220)는 상기 밀폐용기(100)에 진동 가능하게 결합되는 프레임(240)에 지지되어 후술할 지지스프링(250)에 결합된다.

상기 프레임(240)의 다른 일측에는 상기 왕복동모터(200)의 고정자(210)를 밀폐용기(100)에 결합하기 위한 지지스프링(250)이 결합된다. 상기 지지스프링(250)은 그 외주면이 상기 밀폐용기(100)에 고정되는 동시에 그 중앙부에 상기 프레임(240)이 결합되는 판스프링으로 이루어진다.

상기 가동자(230)는 원통모양으로 마그네트 홀더(260)가 형성되고, 상기 마그네트 홀더(260)의 외주면에는 복수 개의 마그네트(M)가 고정 결합된다. 그리고 상기 마그네트 홀더(260)의 일측 끝단에는 상기 피스톤(320)이 볼트에 의해 일체로 결합된다.

상기 압축부(300)는 상기 밀폐용기(100)의 내주면에 고정 결합되는 실린더(310)와, 상기 왕복동모터(200)의 가동자(230)에 결합되어 상기 실린더(310)의 압축공간(P)에서 왕복운동을 하는 피스톤(320)과, 상기 피스톤(320)의 선단에 장착되어 상기 압축공간(P)의 흡입측을 개폐하는 흡입밸브(330)와, 상기 실린더(310)에 착탈 가능하게 설치되어 상기 압축공간(P)의 토출측을 개폐하는 토출밸브(340)와, 상기 토출밸브(340)를 탄력적으로 지지하는 밸브스프링(350)과, 상기 토출밸브(340)와 밸브스프링(350)을 수용하도록 상기 실린더(310)의 토출측에 고정되는 토출커버(360)로 이루어진다.

상기 실린더(310)는 그 외주면이 상기 밀폐용기(100)의 내주면에 밀착되도록 고정된다. 상기 실린더(310)는 그 중앙부에 상기 압축공간(P)이 구비되도록 환형으로 형성된다.

상기 피스톤(320)은 그 내부에 흡입유로(321)가 구비되도록 원통모양으로 형성된다. 상기 흡입유로(321)의 출구단에는 복수 개 흡입통공(미부호)이 연통되도록 형성될 수 있다.

상기 흡입밸브(330)는 상기 피스톤(320)의 흡입유로(321)를 개폐할 수 있도록 상기 피스톤(320)의 선단면에 설치된다. 그리고 상기 마그네트 홀더(260)와 결합되는 피스톤(320)의 연결부 일측과 상기 실린더(310)의 사이에는 상기 피스톤(320)의 공진운동을 유도하는 공진스프링(370)이 설치된다. 상기 공진스프링(370)은 소정의 탄성계수를 갖는 압축 코일스프링으로 이루어진다.

상기와 같은 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 왕복동모터(200)의 코일(C)에 전원이 인가되어 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220)의 사이에 자속이 형성되면, 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220) 사이의 공극에 놓인 상기 가동자(230)가 자속의 방향을 따라 움직이면서 상기 공진스프링(370)에 의해 지속적으로 왕복운동을 하게 된다.

그러면 상기 가동자(230)에 결합된 피스톤(320)이 상기 실린더(310)의 압축공간(P)에서 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입, 압축하여 상기 토출밸브(340)를 통해 토출커버(360)로 토출하고, 이 토출된 냉매는 가스토출관(120)을 통해 냉동사이클 시스템으로 토출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

여기서, 상기 왕복동모터(200)가 구동하게 되면, 상기 왕복동모터(200)의 고정자들(210)(220)과 가동자(230)에 힘이 발생하고, 상기 고정자들(210)(220)에 발생하는 힘은 지지스프링(250)을 통하여 상기 밀폐용기(100)에 전달되는 반면 상기 가동자(230)에 작용하는 힘은 상기 압축부(300)의 피스톤(320)에 전달된다. 이때, 상기 피스톤(320)으로 전달되는 힘은 냉매를 압축하는데 사용되는 한편 상기 공진스프링(370)을 통해 압축부의 실린더(310)에 작용하여 밀폐용기(100)에 전달된다. 따라서, 상기 왕복동모터(200)의 고정자 질량과 지지스프링(250)의 강성, 그리고 왕복동모터(200)의 가동자 질량 및 압축부(300)의 피스톤 질량과 공진스프링(370)의 강성을 적절히 조정하면 상기 밀폐용기(100)에 가해지는 힘을 서로 상쇄시킬 수 있고 이를 통해 밀폐용기(100)의 진동을 최소화할 수 있다.

예를 들어, 도 2를 참조하여 상기와 같은 왕복동식 압축기에 대한 진동모델을 구성하면 다음과 같다.

여기서, 상기 밀폐용기(100)의 진동인 Xs는 Mm×Ks=Mp×Km를 만족하면 영(zero)이 된다. 따라서, 상기 밀폐용기(100)의 진동이 영이 되는 지점을 찾아 상기 변수를 적절히 조절함으로써 압축기 진동을 크게 줄일 수 있다.

또, 상기 왕복동모터(200)의 고정자(210)(220)가 변위를 갖기 때문에 상기 왕복동모터(200)의 가동자(230)와 고정자(210)(220)의 상대 변위와 상기 압축부(300)의 피스톤(320)과 실린더(310)의 상대 변위가 달라진다. 이러한 특성을 이용하여 상기 왕복동모터(200)의 상대 속도(Xm-Xp)를 압축부(300)의 상대 속도(Xs-Xp)보다 더 크게 할 수 있고, 이러한 특성은 모터의 효율을 상승시키는 요인이 된다.

또, 상기 압축부(300)의 실린더(310)를 상기 밀폐용기(100)에 밀착시켜 고정하고 상기 왕복동모터(200)의 고정자(210)(220)를 판스프링으로 된 지지스프링(250)으로 밀폐용기(100)에 고정함으로써 상기 압축기본체와 밀폐용기 사이의 간격을 줄여 압축기의 크기를 축소할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 압축부(300)의 실린더(310)가 밀폐용기(100)에 밀착되어 있기 때문에 압축된 냉매를 사이클로 보내기 위해 탄성을 갖는 루프파이프와 같은 별도의 파이프를 구성할 필요가 없어 제조비용을 절감할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 왕복동모터의 고정자를 판스프링으로 지지하여 밀폐용기에 고정하는 반면 상기 실린더는 밀폐용기에 직접 고정하는 것이었으나, 본 실시예는 도 3에서와 같이 상기 고정자(210)(220)를 지지하는 프레임(240)을 밀폐용기(100)에 직접 고정하는 반면 상기 실린더(310)는 판스프링으로된 지지스프링(380)으로 지지하여 그 지지스프링(380)을 밀폐용기(100)에 고정하는 것이다.

이 경우에도 왕복동식 압축기의 기본적이 구성과 작용효과는 전술한 실시예와 대동소이하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예는 상기 압축부(300)의 피스톤(320)과 실린더(310) 사이에 제1 공진스프링(371)을, 상기 왕복동모터(200)의 외측고정자(21)와 가동자(23) 사이에 제2 공진스프링(372)을 각각 설치하여 상기 가동자(230)와 피스톤(320)이 공진운동을 하도록 유도하는 것이 바람직하다.

그리고 이 경우 도 4를 참조한 진동모델은 다음과 같다.

즉, 상기와 같은 진동모델에서 진동인 Xs를 최소화하는 M과 K를 선정할 수 있고, 이를 이용하여 왕복동모터(200)의 상대 속도와 압축부(300)의 상대 속도가 다르고 상기 왕복동모터(200)의 상대 속도가 큰 영역을 선정하면 모터의 효율을 높일 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기의 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예들에서는 상기 왕복동모터의 가동자와 압축부의 피스톤을 일체로 결합하는 것이었으나, 본 실시예들은 도 5및 도 6에서와 같이 전술한 실시예들에서 상기 가동자(230)와 피스톤(320)을 스프링(미도시)으로 결합하는 것이다.

이 경우, 왕복동식 압축기의 기본적이 구성과 작용효과는 전술한 실시예들과 각각 대동소이하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예는 상기 왕복동모터(200)의 가동자(230)와 압축부(300)의 피스톤(320) 사이를 압축코일스프링과 같은 스프링으로 결합함에 따라 상기 왕복동모터(200)의 상대 속도와 압축부(300)의 상대 속도를 더욱 확실하게 구현할 수 있어 모터의 효율을 더욱 높일 수 있다.

100 : 밀폐용기 200 : 왕복동모터
210,220 : 고정자 230 : 가동자
240 : 프레임 250 : 지지스프링(판스프링)
300 : 압축부 310 : 실린더
320 : 피스톤 370 : 공진스프링

Claims

밀폐용기;
상기 밀폐용기의 내부에 고정자가 결합되고, 그 고정자의 공극에서 가동자가 왕복운동을 하는 왕복동모터;
상기 가동자에 결합되어 왕복운동을 하는 피스톤; 및
상기 피스톤이 삽입되어 압축공간을 형성하도록 상기 왕복동모터와 일정 간격을 두고 상기 밀폐용기의 내부에 결합되는 실린더;를 포함하고,
상기 왕복동모터의 고정자 또는 실린더 중에서 어느 한 쪽은 상기 밀폐용기의 내주면에 고정 결합되는 반면, 다른 한 쪽은 상기 밀폐용기에 스프링으로 지지되어 결합되는 왕복동식 압축기.
제1항에 있어서,
상기 실린더는 그 외주면이 상기 밀폐용기의 내주면에 밀착되어 고정되고, 상기 왕복동모터의 고정자는 상기 밀폐용기에 고정되는 스프링에 결합되는 왕복동식 압축기.
제2항에 있어서,
상기 고정자와 밀폐용기 사이를 결합하는 스프링은 상기 고정자를 피스톤의 운동방향과 반경방향에 대해 탄력 지지하도록 판스프링으로 이루어지는 왕복동식 압축기.
제2항에 있어서,
상기 피스톤과 실린더 사이에는 상기 피스톤의 왕복운동을 유도하도록 스프링이 개재되는 왕복동식 압축기.
제2항에 있어서,
상기 실린더의 토출측에는 토출밸브가 수용되는 토출커버가 결합되고, 상기 토출커버에는 상기 밀폐용기를 관통하는 토출관이 직접 연결되는 왕복동식 압축기.
제1항에 있어서,
상기 왕복동모터의 고정자는 그 외주면이 상기 밀폐용기의 내주면에 밀착되어 고정되고, 상기 실린더는 상기 밀폐용기에 고정되는 스프링에 결합되는 왕복동식 압축기.
제6항에 있어서,
상기 실린더와 밀폐용기 사이를 결합하는 스프링은 상기 실린더를 피스톤의 운동방향과 반경방향에 대해 탄력 지지하도록 판스프링으로 이루어지는 왕복동식 압축기.
제6항에 있어서,
상기 왕복동모터의 고정자와 가동자 사이에는 상기 가동자의 왕복운동을 유도하도록 스프링이 개재되는 왕복동식 압축기.
제6항에 있어서,
상기 피스톤과 실린더 사이에는 상기 피스톤의 왕복운동을 유도하도록 스프링이 개재되는 왕복동식 압축기.
제1항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서,
상기 가동자와 피스톤은 기구적으로 결합하는 왕복동식 압축기.
제1항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서,
상기 가동자와 피스톤은 스프링을 이용하여 탄력적으로 결합하는 왕복동식 압축기.
제1항에 있어서,
상기 밀폐용기의 내부공간은 흡입관이 연통되고, 상기 피스톤에는 밀폐용기의 내부공간과 상기 실린더의 압축공간이 연통되도록 흡입유로가 관통 형성되며, 상기 피스톤의 끝단에는 상기 흡입유로를 개폐하는 흡입밸브가 설치되고, 상기 실린더의 압축공간 출구측에는 그 압축공간을 개폐하는 토출밸브가 설치되는 왕복동식 압축기.