KR102056733B1 - 리니어 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에는, 냉매 흡입부가 구비되는 쉘; 상기 쉘의 내부에 제공되는 실린더; 상기 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤; 상기 피스톤의 운동을 위하여, 구동력을 제공하는 모터 어셈블리; 및 상기 모터 어셈블리에서 발생된 구동력을 상기 피스톤에 전달하며, 영구자석이 구비되는 마그넷 어셈블리; 및 상기 실린더에 결합되어 상기 모터 어셈블리를 지지하며, 상기 피스톤이 왕복 운동하는 과정에서 상기 영구자석에 간섭될 수 있는 접촉부를 가지는 프레임이 포함된다.

Description

리니어 압축기{A linear compressor}
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축하여 압력을 높여주는 기계장치로서, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
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 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되고 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor) 및 선회 스크롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되고 상기 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전하면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 구분될 수 있다.
최근에는 상기 왕복동식 압축기 중에서 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없이 압축효율을 향상시킬 수 있고 간단한 구조로 구성되는 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.
보통, 리니어 압축기는 밀폐된 쉘 내부에서 피스톤이 리니어 모터에 의해 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하도록 움직이면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음 토출시키도록 구성된다.
상기 리니어 모터는 이너 스테이터 및 아우터 스테이터 사이에 영구자석이 위치되도록 구성되며, 영구자석은 영구자석과 이너(또는 아우터) 스테이터 간의 상호 전자기력에 의해 직선 왕복 운동하도록 구동된다. 그리고, 상기 영구자석이 피스톤과 연결된 상태에서 구동됨에 따라, 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선운동하면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 한다.
도 1 및 도 2에는, 종래의 리니어 압축기(1)의 구조가 도시된다.
종래의 리니어 압축기(1)에는, 실린더(6)와, 상기 실린더(6)의 내부에서 왕복 직선운동하는 피스톤(7) 및 상기 피스톤(7)에 구동력을 부여하는 리니어 모터가 포함된다. 상기 실린더(6)는 프레임(5)에 의하여 고정될 수 있다. 상기 프레임(5)은 상기 실린더(6)와 일체로 구성되거나 별도의 체결부재에 의하여 체결될 수 있다.
상기 리니어 모터에는, 상기 프레임(5)에 고정되어 상기 실린더(6)를 둘러싸도록 배치되는 아우터 스테이터(2)와, 상기 아우터 스테이터(2)의 내측으로 이격되어 배치되는 이너 스테이터(3) 및 상기 아우터 스테이터(2)와 이너 스테이터(3)의 사이 공간에 위치하는 영구자석(10)이 포함된다. 상기 아우터 스테이터(2)에는, 코일(4)이 권선될 수 있다.
상기 리니어 압축기(1)에는, 마그넷 프레임(11)이 더 포함된다. 상기 마그넷 프레임은 리니어 모터의 구동력을 피스톤에 전달하며, 그 외주면에 상기 영구자석(10)이 설치될 수 있다.
상기 리니어 압축기(1)에는, 상기 피스톤(7)을 지지하는 서포터(8) 및 상기 아우터 스테이터(2)의 일측에 결합되는 모터 커버(9)가 더 포함된다.
그리고, 상기 서포터(8)와 모터 커버(9)의 사이에는 스프링(미도시)이 결합될 수 있다. 상기 스프링은, 상기 피스톤(7)이 공진 운동할 수 있도록 고유 진동수가 조절되어 구성될 수 있다.
상기 리니어 압축기(1)에는, 상기 피스토(7)의 내부로부터 외부를 향하여 연장되는 머플러(12)가 포함된다. 상기 머플러(12)는 냉매의 유동간 발생되는 소음을 저감시킬 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 상기 리니어 모터가 구동되면, 상기 마그넷 프레임(11), 영구자석(10), 피스톤(7) 및 서포터(8)의 구동 조립체가 일체로 왕복운동 하게 된다.
도 1은 피스톤(7)이 냉매를 압축하지 않는 위치, 즉 하사점(Bottom Dead Center, BDC)에 있는 상태를 보여주며, 도 2는 피스톤(7)이 냉매를 압축한 위치, 즉 상사점(Top Dead Center, TDC)에 있는 상태를 보여준다. 상기 피스톤(7)은 상기 하사점과 상사점의 사이에서 왕복 직선운동을 수행한다.
상기 구동 조립체(7,8,10,11)의 왕복운동은, 상기 리니어 모터의 전기적 제어 및 상기 스프링의 구조적인 탄성제어등에 의하여 수행될 수 있다. 특히, 상기 조립체는 왕복운동 하는 과정에서, 상기 리니어 압축기(1)의 내부에 제공되는 고정체, 일례로 프레임(5), 실린더(6) 또는 모터 커버(9)에 간섭되지 않도록 제어될 수 있다.
그러나, 리니어 압축기의 구동중에 상기 구동 조립체의 제어가 불능 또는 제한되는 비상상황이 발생될 수 있다. 상기 비상상황이 발생되면, 상기 구동 조립체와 상기 고정물의 간섭 또는 충돌이 발생될 수 있다.
이 경우, 압축기의 신뢰성을 확보하기 위하여, 상기 구동 조립체 또는 고정물의 파손이 적게 발생될 수 있는 부분이 서로 접촉 또는 충돌되도록 압축기의 구조가 설계될 수 있다.
한편, 상기 파손이 적게 발생될 수 있는 부분은, 상기 구동 조립체 중 상대적으로 질량이 큰 부분일 수 있다. 왕복운동 하는 물체의 관성력은 그 물체의 질량에 비례하는데, 상대적으로 질량이 큰 부분이 충돌되면 질량이 작은 다른 부분의 관성력은 크지 않으므로 파손될 가능성이 적어진다.
반면에, 왕복운동 하는 물체 중 상대적으로 질량이 작은 부분이 충돌되면 질량이 큰 다른 부분의 관성력이 크기 때문에 파손될 가능성이 커질 수 있다. 따라서, 비상상황시, 상기 구동 조립체 중 충돌 가능하게 설계되는 부분은 상대적으로 질량이 큰 부분으로 결정된다.
종래의 리니어 압축기(1)의 경우, 상기 영구자석(10)에는, 희토류 자석(네오디움 자석 또는 ND 자석)으로 이루어질 수 있다. 상기 ND 자석은 매우 큰 자속밀도를 가지는 반면, 비용이 매우 비싸 적은 양의 자석을 사용한다. 따라서, 상기 영구자석(10)의 질량은 크지 않게 형성된다.
반면에, 상기 구동 조립체 중 상기 피스톤(7) 또는 서포터(8)가 많은 질량을 가지도록 형성된다. 따라서, 종래의 리니어 압축기(1)는, 구동 조립체의 왕복운동 간에 충돌이 발생하는 경우 상기 피스톤(7)과 실린더(6)간에, 또는 상기 서포터(8)와 모터 커버(9) 간에 먼저 충돌이 발생될 수 있도록 설계된다.
일례로, 도 2에서, 상기 피스톤(7)이 상사점의 위치에 있을 때, 상기 피스톤(7)은 상기 실린더(7)의 단부에 접촉 또는 충돌될 수 있다. 이 상태에서, 상기 영구자석(10)은 상기 프레임(5)에 접촉 또는 충돌되지 않을 수 있다.
다른 종래기술의 예로서, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 피스톤(7)이 상사점의 위치에 있을 때, 상기 서포터(8)의 적어도 일부분이 상기 모터 커버(9)에 접촉 또는 충돌되고, 상기 영구자석(10)은 상기 프레임(5)에 접촉 또는 충돌되지 않을 수 있다.
이러한 종래기술에 의하면, 상기 ND 자석의 가격이 매우 비싸므로, 영구자석으로서 ND자석을 사용하는 경우, 리니어 압축기의 제조비용이 너무 증가되는 문제점이 있었다.
그리고, 상기 ND자석에서 누설되는 자속의 크기가 커서, 압축기의 운전효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 압축 효율을 개선하고 신뢰성이 확보된 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에는, 냉매 흡입부가 구비되는 쉘; 상기 쉘의 내부에 제공되는 실린더; 상기 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤; 상기 피스톤의 운동을 위하여, 구동력을 제공하는 모터 어셈블리; 및 상기 모터 어셈블리에서 발생된 구동력을 상기 피스톤에 전달하며, 영구자석이 구비되는 마그넷 어셈블리; 및 상기 실린더에 결합되어 상기 모터 어셈블리를 지지하며, 상기 피스톤이 왕복 운동하는 과정에서 상기 영구자석에 간섭될 수 있는 접촉부를 가지는 프레임이 포함된다.
또한, 상기 피스톤이 왕복 운동하는 과정에서, 상기 피스톤이 제 1 위치에 있을 때, 상기 영구자석의 단부는 상기 접촉부로부터 제 1 이격거리만큼 이격 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 위치는 상기 피스톤의 하사점(BDC)이며, 상기 피스톤의 하사점에서, 냉매는 상기 냉매 흡입부를 통하여 흡입되어 상기 실린더의 내부로 유동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤이 왕복 운동하는 과정에서, 상기 피스톤이 제 2 위치에 있을 때, 상기 영구자석의 단부는 상기 접촉부에 충돌 또는 접촉되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 위치는 상기 피스톤의 상사점(TDC)이며, 상기 피스톤의 상사점에서, 상기 실린더의 내부에서 압축된 냉매는 상기 실린더의 외부로 토출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마그넷 어셈블리에는, 원통 형상의 마그넷 프레임; 상기 마그넷 프레임의 일측에 결합되며, 상기 영구자석의 일측 단부에 결합되는 결합 플레이트; 및 상기 영구자석의 타측 단부에 결합되는 지지부재가 더 포함된다.
또한, 상기 지지부재는 상기 접촉부에 충돌 또는 접촉 가능한 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤의 반경 방향 외측으로 연장되는 플랜지가 더 포함되며, 상기 플랜지는, 상기 피스톤이 왕복운동 하는 과정에서, 상기 실린더의 단부를 향하여 근접하거나, 상기 실린더의 단부로부터 멀어지는 움직임을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤이 상기 제 1 위치에 있을 때, 상기 플랜지는 상기 실린더의 단부로부터 제 2 이격거리만큼 이격되며, 상기 제 1 이격거리는 상기 제 2 이격거리보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤이 상기 제 2 위치에 있을 때, 상기 플랜지는 상기 실린더의 단부로부터 제 4 이격거리만큼 이격되며, 상기 제 4 이격거리는 상기 제 2 이격거리보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤의 플랜지의 외측에 결합되어, 피스톤을 지지하는 서포터; 상기 모터 어셈블리의 일측을 지지하는 모터 커버; 및 상기 서포터와 모터 커버의 사이에 제공되는 스프링이 더 포함된다.
또한, 상기 피스톤이 제 1 위치에 있을 때, 상기 서포터의 적어도 일부분과 상기 모터 커버의 사이에는, 반경 방향으로의 제 3 이격거리가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤이 제 2 위치에 있을 때, 상기 서포터의 적어도 일부분과 상기 모터 커버의 사이에는, 반경 방향으로의 제 5 이격거리가 형성되며, 상기 제 5 이격거리는 상기 제 3 이격거리와 같거나, 상기 제 3 이격거리보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 접촉부는 상기 영구자석을 연장한 가상의 선과, 상기 프레임이 만나는 지점에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 영구자석은 페라이트 소재로 구성된다.
이러한 본 발명에 의하면, 영구자석은 페라이트 소재로 구성되어, 종래의 ND 자석에 비하여 자속밀도가 작고 이에 따라 상기 영구자석으로부터 누설되는 자속량이 적어지게 되므로 압축기의 작동효율이 개선될 수 있다. 그리고, 상기 영구자석을 저렴한 페라이트(ferrite) 소재로 구성함으로써 압축기의 제작비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 비상상황이 발생하는 경우, 왕복운동 하는 구동 조립체 중 상대적으로 질량이 큰 마그넷 어셈블리가 고정체에 접촉 또는 충돌되도록 구성되므로, 상기 구동 조립체 또는 고정체의 파손을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 실린더와 피스톤이 비자성체, 특히 알루미늄 재질로 구성되어 모터 어셈블리에서 발생된 자속이 실린더의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있으므로, 압축기의 효율을 개선할 수 있다는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 리니어 압축기의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 마그넷 어셈블리를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4의 I-I'를 따라 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 다른 구동 조립체의 구성 및 질량을 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤이 제 1 위치에 있을 때, 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤이 제 2 위치에 있을 때, 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기(100)에는, 쉘(100a)의 내부에 제공되는 실린더(120)와, 상기 실린더(120)의 내부에서 전방 및 후방으로 왕복 직선운동하는 피스톤(130) 및 상기 피스톤(130)에 구동력을 부여하는 모터 어셈블리(200)가 포함된다. 상기 쉘(100a)은 상부 쉘 및 하부 쉘이 결합되어 구성될 수 있다.
상기 실린더(120)는 비자성체인 알루미늄 소재(알루미늄 또는 알루미늄 합금)로 구성될 수 있다.
상기 실린더(120)가 알루미늄 소재로 구성됨으로써, 상기 모터 어셈블리(200)에서 발생된 자속이 상기 실린더(120)에 전달되어 상기 실린더(120)의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있다. 그리고, 상기 실린더(120)는 압출봉 가공방법에 의하여 형성될 수 있다.
상기 피스톤(130)은 비자성체인 알루미늄 소재(알루미늄 또는 알루미늄 합금)로 구성될 수 있다. 상기 피스톤(130)이 알루미늄 소재로 구성됨으로써, 모터 어셈블리(200)에서 발생된 자속이 상기 피스톤(130)에 전달되어 상기 피스톤(130)의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있다. 그리고, 상기 피스톤(130)은 단조 방법에 의하여 형성될 수 있다.
그리고, 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 소재 구성비, 즉 종류 및 성분비는 동일할 수 있다. 상기 피스톤(130)과 실린더(120)가 동일한 소재(알루미늄)로 구성됨으로써 열팽창 계수가 서로 같게 된다. 리니어 압축기(100)의 운전간, 상기 쉘(100) 내부는 고온(약 100℃)의 환경이 조성되는데, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)의 열팽창 계수가 동일하므로, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)는 동일한 양만큼 열변형 될 수 있다.
결국, 피스톤(130)과 실린더(120)가 서로 다른 크기 또는 방향으로 열변형 되어 피스톤과(130)의 운동간에 상기 실린더(120)와 간섭이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 쉘(100a)에는, 냉매가 유입되는 흡입부(101) 및 상기 실린더(120)의 내부에서 압축된 냉매가 배출되는 토출부(105)가 포함된다. 상기 흡입부(101)를 통하여 흡입된 냉매는 흡입 머플러(270)를 거쳐 상기 피스톤(130)의 내부로 유동한다.
상기 흡입부(101)를 통하여 흡입된 냉매는 흡입 머플러(270)를 거쳐 상기 피스톤(130)의 내부로 유동한다. 냉매가 상기 흡입 머플러(270)를 통과하는 과정에서, 다양한 주파수를 가지는 소음이 저감될 수 있다.
상기 실린더(120)의 내부에는, 상기 피스톤(130)에 의하여 냉매가 압축되는 압축 공간(P)이 형성된다. 그리고, 상기 피스톤(130)에는, 상기 압축 공간(P)으로 냉매를 유입시키는 흡입공(131a)이 형성되며, 상기 흡입공(131a)의 일측에는 상기 흡입공(131a)을 선택적으로 개방하는 흡입 밸브(132)가 제공된다.
상기 압축 공간(P)의 일측에는, 상기 압축 공간(P)에서 압축된 냉매를 배출시키기 위한 토출밸브 어셈블리(170,172,174)가 제공된다. 즉, 상기 압축 공간(P)은 상기 피스톤(130)의 일측 단부와 토출밸브 어셈블리(170,172,174)의 사이에 형성되는 공간으로서 이해된다.
상기 토출밸브 어셈블리(170,172,174)에는, 냉매의 토출 공간을 형성하는 토출 커버(172)와, 상기 압축 공간(P)의 압력이 토출압력 이상이 되면 개방되어 냉매를 상기 토출 공간으로 유입시키는 토출 밸브(170) 및 상기 토출 밸브(170)와 토출 커버(172)의 사이에 제공되어 축 방향으로 탄성력을 부여하는 밸브 스프링(174)이 포함된다. 여기서, 상기 "축 방향"이라 함은, 상기 피스톤(130)이 왕복운동 하는 방향, 즉 도 3에서 가로 방향으로 이해될 수 있다.
상기 흡입 밸브(132)는 상기 압축 공간(P)의 일측에 형성되고, 상기 토출 밸브(170)는 상기 압축 공간(P)의 타측, 즉 상기 흡입 밸브(132)의 반대측에 제공될 수 있다.
상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동 하는 과정에서, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력보다 낮고 흡입압력 이하가 되면 상기 흡입 밸브(132)가 개방되어 냉매는 상기 압축 공간(P)으로 흡입된다. 반면에, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 흡입압력 이상이 되면 상기 흡입 밸브(132)가 닫힌 상태에서 상기 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
한편, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력 이상이 되면, 상기 밸브 스프링(174)이 변형하여 상기 토출 밸브(170)를 개방시키고, 냉매는 상기 압축공간(P)으로부터 토출되어, 토출 커버(172)의 토출공간으로 배출된다.
그리고, 상기 토출 공간의 냉매는 상기 토출 머플러(176)를 거쳐 루프 파이프(178)로 유입된다. 상기 토출 머플러(176)는 압축된 냉매의 유동 소음을 저감시킬 수 있으며, 상기 루프 파이프(178)는 압축된 냉매를 상기 토출부(105)로 가이드 한다. 상기 루프 파이프(178)는 상기 토출 머플러(176)에 결합되어 굴곡지게 연장되며, 상기 토출부(105)에 결합된다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 프레임(110)이 더 포함된다. 상기 프레임(110)은 상기 실린더(120)를 고정시키는 구성으로서, 상기 실린더(120)와 일체로 구성되거나 별도의 체결부재에 의하여 체결될 수 있다.
상기 토출 커버(172) 및 토출 머플러(176)는 상기 프레임(110)에 결합될 수 있다. 그리고, 상기 프레임(110)은 영구자석(350)의 후방에 위치될 수 있다.
상기 모터 어셈블리(200)에는, 상기 프레임(110)에 고정 또는 지지되어 상기 실린더(120)를 둘러싸도록 배치되는 아우터 스테이터(210)와, 상기 아우터 스테이터(210)의 내측으로 이격되어 배치되는 이너 스테이터(220) 및 상기 아우터 스테이터(210)와 이너 스테이터(220)의 사이 공간에 위치하는 영구자석(350)이 포함된다.
상기 영구자석(350)은, 상기 아우터 스테이터(210) 및 이너 스테이터(220)와의 상호 전자기력에 의하여 직선 왕복 운동할 수 있다. 상기 영구자석(350)에는, 1개의 극 또는 3개의 극을 가지는 다수의 자석이 포함된다. 그리고, 상기 영구자석(350)은 상대적으로 저렴한 페라이트 소재로 구성될 수 있다.
상기 영구자석(350)은 마그넷 어셈블리(300)의 마그넷 프레임(310)의 외주면에 장착되며, 상기 영구자석(350)의 일측 단부에는 결합 플레이트(330)가 접촉된다. 그리고, 상기 영구자석(350)과 결합 플레이트(330)는 고정부재(360)에 의하여 결합될 수 있다.
상기 결합 플레이트(330)는 비자성체로 구성될 수 있다. 일례로, 상기 결합 플레이트(330)는 스테인리스 소재로 구성될 수 있다.
상기 결합 플레이트(330)는 상기 마그넷 프레임(310)의 개구된 일측 단부를 커버하며, 상기 피스톤(130)의 플랜지(134)에 결합될 수 있다. 일례로, 상기 결합 플레이트(330)와 상기 플랜지(134)는 볼트 체결될 수 있다.
상기 플랜지(134)는 상기 피스톤(130)의 단부로부터 반경 방향으로 연장되는 구성으로서 이해되며, 상기 피스톤(130)이 왕복운동 하는 과정에서 상기 실린더(120)의 단부를 향하여 근접하거나, 상기 실린더(120)의 단부로부터 멀어지는 움직임을 수행한다.
상기 영구자석(350)이 직선 이동함에 따라, 상기 피스톤(130), 마그넷 프레임(310) 및 결합 플레이트(330)는 상기 영구자석(350)과 함께 축 방향으로 직선 왕복 운동할 수 있다.
상기 아우터 스테이터(210)에는, 코일 권선체(213,215) 및 스테이터 코어(211)가 포함된다.
상기 코일 권선체(213,215)에는, 보빈(213) 및 상기 보빈(213)의 원주 방향으로 권선된 코일(215)이 포함된다. 상기 코일(215)의 단면은 다각형 형상을 가질 수 있으며, 일례로 육각형의 형상을 가질 수 있다.
상기 스테이터 코어(211)는 복수 개의 라미네이션(lamination)이 원주 방향으로 적층되어 구성되며, 상기 코일 권선체(213,215)를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 모터 어셈블리(200)에 전류가 인가되면, 상기 코일(215)에 전류가 흐르게 되고, 상기 코일(215)에 흐르는 전류에 의해 상기 코일(215) 주변에 자속(flux)이 형성되며, 상기 자속은 상기 아우터 스테이터(210) 및 이너 스테이터(220)를 따라 폐회로를 형성하면서 흐르게 된다.
상기 아우터 스테이터(210)와 이너 스테이터(220)를 따라 흐르는 자속과, 상기 영구자석(230)의 자속이 상호 작용하여, 상기 영구자석(230)을 이동시키는 힘이 발생될 수 있다.
상기 아우터 스테이터(210)의 일측에는 스테이터 커버(240)가 제공된다. 상기 아우터 스테이터(210)의 일측단은 상기 프레임(110)에 의하여 지지되며, 타측단은 상기 스테이터 커버(240)에 의하여 지지될 수 있다. 상기 스테이터 커버(240)를 "모터 커버"라 이름할 수 있다.
상기 이너 스테이터(220)는 상기 마그넷 프레임(310)의 내측에서, 상기 실린더(120)의 외주에 고정된다. 그리고, 상기 이너 스테이터(220)는 복수 개의 라미네이션이 상기 실린더(120)의 외측에서 원주 방향으로 적층되어 구성된다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 상기 피스톤(130)을 지지하는 서포터(135) 및 상기 피스톤(130)으로부터 상기 흡입부(101)를 향하여 연장되는 백 커버(115)가 더 포함된다. 상기 서포터(135)는 상기 결합 플레이트(330)의 외측에 결합된다. 그리고, 상기 백 커버(115)는 상기 흡입 머플러(140)의 적어도 일부분을 커버하도록 배치될 수 있다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 상기 피스톤(130)이 공진 운동할 수 있도록 각 고유 진동수가 조절된, 탄성부재인 복수의 스프링(151,155)이 포함된다.
상기 복수의 스프링(151,155)에는, 상기 서포터(135)와 스테이터 커버(240)의 사이에 지지되는 제 1 스프링(151) 및 상기 서포터(135)와 백 커버(115)의 사이에 지지되는 제 2 스프링(155)이 포함된다. 상기 제 1 스프링(151) 및 제 2 스프링(155)의 탄성 계수는 동일하게 형성될 수 있다.
상기 제 1 스프링(151)은 상기 실린더(120) 또는 피스톤(130)의 상측 및 하측에 복수 개가 제공될 수 있으며, 상기 제 2 스프링(155)은 상기 실린더(120) 또는 피스톤(130)의 전방으로 복수 개가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 "전방"이라 함은 상기 피스톤(130)으로부터 상기 흡입부(101)를 향하는 방향으로서 이해될 수 있다. 즉, 상기 흡입부(101)로부터 상기 토출밸브 어셈블리(170,172,174)를 향하는 방향을 "후방"이라 이해될 수 있다. 이 용어는 이하의 설명에서도 동일하게 사용될 수 있다.
상기 쉘(100a)의 내부 바닥면에는 소정의 오일이 저장될 수 있다. 그리고, 상기 쉘(100a)의 하부에는 오일을 펌핑하는 오일 공급장치(160)가 제공될 수 있다. 상기 오일 공급장치(160)는 상기 피스톤(130)이 왕복 직선운동 함에 따라 발생되는 진동에 의하여 작동되어 오일을 상방으로 펌핑할 수 있다.
상기 리니어 압축기(100)에는, 상기 오일 공급장치(160)로부터 오일의 유동을 가이드 하는 오일 공급관(165)이 더 포함된다. 상기 오일 공급관(165)은 상기 오일 공급장치(160)로부터 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 사이 공간까지 연장될 수 있다.
상기 오일 공급장치(160)로부터 펌핑된 오일은 상기 오일 공급관(165)을 거쳐 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 사이 공간으로 공급되어, 냉각 및 윤활 작용을 수행한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 마그넷 어셈블리를 보여주는 사시도이고, 도 5는 도 4의 I-I'를 따라 절개한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마그넷 어셈블리(300)에는, 대략 원통형 형상을 가지는 마그넷 프레임(310) 및 상기 마그넷 프레임(310)의 외주면에 설치되는 영구자석(350)이 포함된다.
상기 마그넷 프레임(310)의 내측에는, 상기 이너 스테이터(220), 실린더(120) 및 피스톤(130)이 배치되며, 상기 마그넷 프레임(310)의 외측에는, 상기 아우터 스테이터(210)가 배치될 수 있다 (도 3 참조).
상기 마그넷 프레임(310)의 양측 단부에는, 개방된 개구부(311,312)가 포함된다. 상기 개구부(311,312)에는, 상기 마그넷 프레임(310)의 일측 단부에 형성되는 제 1 개구부(311) 및 상기 마그넷 프레임(310)의 타측 단부에 형성되는 제 2 개구부(312)가 포함된다. 일례로, 상기 일측 단부는 "상단부"일 수 있고, 상기 타측 단부는 "하단부"일 수 있다.
상기 마그넷 프레임(310)에는, 상기 피스톤(130)의 플랜지(134)에 결합되는 결합 플레이트(330)가 결합된다. 상세히, 상기 결합 플레이트(330)는 상기 제 1 개구부(311)를 커버하도록 상기 마그넷 프레임(310)의 일측 단부에 결합될 수 있다.
상기 마그넷 프레임(310)의 외주면에는, 상기 영구자석(350)을 지지하는 지지부재(315)가 제공된다. 상기 지지부재(315)는 상기 영구자석(350)의 일측 단부에 접하도록 구성되며, 상기 제 2 개구부(312)의 외측에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 영구자석(350)의 타측 단부는 상기 결합 플레이트(330)에 접하도록 배치된다. 즉, 상기 영구자석(350)은 상기 결합 플레이트(330)와 지지부재(315)의 사이에 접촉 가능하게 배치될 수 있다.
결국, 상기 결합 플레이트(330) 및 지지부재(315)에 의하여, 상기 영구자석(350)은 상기 마그넷 프레임(310)으로부터 이탈되는 것이 방지될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구동 조립체의 구성 및 질량을 나타내는 개략도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 구동 조립체에는, 상기 마그넷 어셈블리(300)와, 피스톤 어셈블리(130,134,145,270) 및 서포터(135)가 포함된다.
상기 마그넷 어셈블리(300)에는, 마그넷 프레임(310)과, 영구자석(350) 및 결합 플레이트(330)가 포함된다. 상기 피스톤 어셈블리(130)에는, 피스톤(130), 플랜지(134), 밸런스 웨이트(145) 및 흡입 머플러(270)가 포함된다.
상기 마그넷 어셈블리(300)는 M1의 질량을 가지며, 상기 서포터(135)는 M2의 질량을 가진다. 그리고, 상기 피스톤 어셈블리(130,145,270)는 M3의 질량을 가진다.
상기 구동 조립체의 질량을 상기한 M1,M2 및 M3로 구분한 것은, 상기 구동 조립체가 전방 및 후방으로 왕복 직선운동하는 과정에서, 리니어 압축기(100) 내부의 고정체, 일례로 프레임(110), 실린더(120) 또는 스테이터 커버(240)와 충돌이 발생할 경우, 충격력을 직접적으로 받는지, 아니면 충격에 의하여 관성력이 작용하는지에 따라서 구분된다.
예를 들어, 상기 마그넷 어셈블리(300)의 일부분, 즉 영구자석(350)의 단부에 충돌이 발생할 경우, 상기 마그넷 어셈블리(300)를 구성하는 부품에 충격력이 직접적으로 전달되고, 상기 피스톤 어셈블리(130) 및 서포터(135)에 관성력이 작용할 수 있다.
반면에, 상기 피스톤 어셈블리(130,134,145,270)의 일부분, 즉 상기 플랜지(134)에 충돌이 발생할 경우, 상기 마그넷 어셈블리(300) 및 서포터(135)에 관성력이 작용할 수 있다.
그리고, 상기 서포터(135)에 충돌이 발생할 경우, 상기 마그넷 어셈블리(300) 및 피스톤 어셈블리(130,134,145,270)에 관성력이 작용할 것이다.
상기 구동 조립체의 질량 중, 상기 마그넷 어셈블리(300)의 질량(M1)이 상기 서포터(135)의 질량(M2) 및 상기 피스톤 어셈블리의 질량(M3)에 비하여 가장 크게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 M2가 상기 M3에 비하여 크게 형성될 수 있다.
따라서, 본 실시예는, 비상상황(구동 조립체의 제어가 불가하거나, 제한되는 상황) 발생시 상기 구동 조립체 중 질량이 가장 큰 마그넷 어셈블리(300)가 소정의 고정체에 충돌되도록 함으로써, 상기 서포터(135) 또는 피스톤 어셈블리(130,134,145,270)가 관성력에 의하여 분리 또는 파손됨을 방지하는 것을 목적으로 한다.
이하에서는, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 실시예에 따른 리니어 압축기에서, 상기 마그넷 어셈블리(300)가 프레임(110)에 충돌될 수 있는 구조를 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤이 제 1 위치에 있을 때, 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤이 제 2 위치에 있을 때, 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 7에는, 본 발명의 실시예에 따른 피스톤(130)이 제 1 위치에 있을 때, 상기 압축기(100) 내부의 모습이 도시된다.
여기서, 상기 "제 1 위치"라 함은, 상기 피스톤(130)의 하사점(Bottom Dead Center, BDC)으로서, 상기 피스톤(130)이 최전방으로 이동하였을 때의 위치이다. 그리고, 상기 하사점에서, 냉매는 상기 피스톤(130)의 전방에 형성된 압축공간(P)으로 흡입될 수 있다.
상기 피스톤(130)이 하사점에 위치할 때, 상기 영구자석(350)의 후방 단부, 즉 상기 지지부재(315)는 상기 프레임(110)으로부터 제 1 이격거리(W1)만큼 이격된 상태에 있게 된다. 여기서, 상기 지지 부재(315)로부터 W1만큼 이격된 프레임(110)의 일부분은 접촉부(110a)를 형성한다. 상기 접촉부(110a)는 상기 영구자석(135)을 연장한 가상의 선과, 상기 프레임(110)이 만나는 지점에 형성될 수 있다.
상기 피스톤(130)의 플랜지(134)는 상기 실린더(120)의 전방 단부로부터 제 2 이격거리(W2)만큼 이격된 상태에 있게 된다.
상기 서포터(135)의 적어도 일부분은 상기 스테이터 커버(240)의 단부를 전후방으로 연장한 가상의 선에 대하여, 제 3 이격거리(W3)만큼 이격된 상태에 있게 된다. 여기서, 상기 서포터(135)의 적어도 일부분은 전방 및 후방으로 연장된 부분을 의미한다.
즉, 상기 피스톤(130)이 하사점의 위치에 있을 때, 상기 구동 조립체(134,135,350)는 압축기 내부의 고정체, 일례로 프레임(110), 실린더(120) 또는 스테이터 커버(240)에 접촉 또는 충돌되지 않는다.
상기 W1 및 W2는 전후방으로 이격된 거리를 나타내며, 상기 W3는 반경 방향으로 이격된 거리를 나타낸다. 그리고, 상기 W1은 W2보다 작은 값을 가진다.
따라서, 상기 구동 조립체가 후방으로 이동할 때, 상기 구동 조립체의 이동거리가 상기 W1일 경우, 상기 영구자석(350)의 단부는 상기 접촉부(110a)에 접촉 또는 충돌될 수 있다. 반면에, 상기 피스톤(130)의 플랜지(134)는 상기 실린더(120)에 접촉 또는 충돌되지 않을 수 있다.
상세히, 도 8에는, 본 발명의 실시예에 따른 피스톤(130)이 제 2 위치에 있을 때, 상기 압축기(100) 내부의 모습이 도시된다.
여기서, 상기 "제 2 위치"라 함은, 상기 피스톤(130)의 상사점(Top Dead Center, TDC)으로서, 상기 피스톤(130)이 최후방으로 이동하였을 때의 위치이다. 그리고, 상기 상사점에서, 냉매는 상기 압축공간(P)으로부터 상기 토출커버(172)측으로 토출될 수 있다.
상기 피스톤(130)이 상사점에 위치할 때, 상기 영구자석(350)의 후방 단부, 즉 상기 지지부재(315)는 상기 프레임(110)의 접촉부(110a)에 충돌하게 된다. 즉, 상기 영구자석(350)의 후방 단부와 접촉부(110a)간에는 이격거리가 형성되지 않으며, 상기 영구자석(350)의 단부와 접촉부(110a)에는, 서로 접촉된 접촉점(C1)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 피스톤(130)의 플랜지(134)는 상기 실린더(120)에 접촉 또는 충돌되지 않는다. 즉, 상기 피스톤(130)의 플랜지(134)는 상기 실린더(120)의 전방 단부로부터 제 4 이격거리(W2')만큼 이격된 상태에 있게 된다. 상기 W2'는 상기 W2보다 작은 값을 가질 수 있다.
그리고, 상기 서포터(135)는 상기 스테이터 커버(240)에 접촉 또는 충돌되지 않는다. 즉, 상기 서포터(135)의 적어도 일부분은 상기 스테이터 커버(240)의 단부를 전후방으로 연장한 가상의 선에 대하여, 제 5 이격거리(W3')만큼 이격된 상태에 있게 된다. 상기 W3'는 상기 W3와 같거나, 상기 W3보다 작을 수 있다.
이와 같이, 상기 피스톤(130)이 상사점의 위치에 있을 때, 상기 구동 조립체 중 상기 영구자석(350)의 단부는 상기 프레임(110)에 충돌되며, 상기 서포터(135) 및 피스톤(130)의 플랜지(134)는 상기 스테이터 커버(240) 및 실린더(120)에 각각 접촉 또는 충돌되지 않는다.
이러한 구성에 의하면, 압축기의 제어가 불능 또는 제한되는 비상상황 발생시, 구동 조립체 중 상대적으로 질량이 큰 마그넷 어셈블리가 프레임에 접촉됨으로써, 관성력에 의한 다른 부품의 파손을 방지할 수 있게 된다.
100 : 리니어 압축기 100a : 쉘
110 : 프레임 115 : 백 커버
120 : 실린더 130 : 피스톤
134 : 플랜지 135 : 서포터
151,155 : 제 1,2 스프링 200 : 모터 어셈블리
210 : 아우터 스테이터 220 : 이너 스테이터
240 : 스테이터 커버 300 : 마그넷 어셈블리
310 : 마그넷 프레임 315 : 지지부재
330 : 결합 플레이트 350 : 영구자석

Claims (14)

  1. 냉매 흡입부가 구비되는 쉘;
    상기 쉘의 내부에 제공되는 실린더;
    상기 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤;
    상기 피스톤의 운동을 위하여, 구동력을 제공하는 모터 어셈블리; 및
    상기 모터 어셈블리에서 발생된 구동력을 상기 피스톤에 전달하며, 영구자석이 구비되는 마그넷 어셈블리;
    상기 마그넷 어셈블리에 제공되며, 상기 영구자석의 단부측을 지지하는 지지부재; 및
    상기 실린더에 결합되어 상기 모터 어셈블리를 지지하며, 상기 피스톤이 왕복 운동하는 과정에서 상기 지지부재에 접촉 또는 충돌될 수 있는 접촉부를 가지는 프레임이 포함되는 리니어 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤이 왕복 운동하는 과정에서,
    상기 피스톤이 제 1 위치에 있을 때, 상기 지지부재는 상기 접촉부로부터 제 1 이격거리만큼 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 위치는 상기 피스톤의 하사점(BDC)이며,
    상기 피스톤의 하사점에서, 냉매는 상기 냉매 흡입부를 통하여 흡입되어 상기 실린더의 내부로 유동하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 피스톤이 왕복 운동하는 과정에서,
    상기 피스톤이 제 2 위치에 있을 때, 상기 지지부재는 상기 접촉부에 접촉 또는 충돌되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 위치는 상기 피스톤의 상사점(TDC)이며,
    상기 피스톤의 상사점에서, 상기 실린더의 내부에서 압축된 냉매는 상기 실린더의 외부로 토출되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그넷 어셈블리에는,
    원통 형상의 마그넷 프레임;
    상기 마그넷 프레임의 일측에 결합되며, 상기 영구자석의 일측 단부에 결합되는 결합 플레이트가 더 포함되는 리니어 압축기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 피스톤의 반경 방향 외측으로 연장되는 플랜지가 더 포함되며,
    상기 플랜지는,
    상기 피스톤이 왕복운동 하는 과정에서, 상기 실린더의 단부를 향하여 근접하거나, 상기 실린더의 단부로부터 멀어지는 움직임을 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 피스톤이 상기 제 1 위치에 있을 때, 상기 플랜지는 상기 실린더의 단부로부터 제 2 이격거리만큼 이격되며,
    상기 제 1 이격거리는 상기 제 2 이격거리보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 피스톤이 상기 제 2 위치에 있을 때, 상기 플랜지는 상기 실린더의 단부로부터 제 4 이격거리만큼 이격되며,
    상기 제 4 이격거리는 상기 제 2 이격거리보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 피스톤의 플랜지의 외측에 결합되어, 피스톤을 지지하는 서포터;
    상기 모터 어셈블리의 일측을 지지하는 모터 커버; 및
    상기 서포터와 모터 커버의 사이에 제공되는 스프링이 더 포함되는 리니어 압축기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 피스톤이 제 1 위치에 있을 때,
    상기 서포터의 적어도 일부분과 상기 모터 커버의 사이에는, 반경 방향으로의 제 3 이격거리가 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 피스톤이 제 2 위치에 있을 때,
    상기 서포터의 적어도 일부분과 상기 모터 커버의 사이에는, 반경 방향으로의 제 5 이격거리가 형성되며,
    상기 제 5 이격거리는 상기 제 3 이격거리와 같거나, 상기 제 3 이격거리보다 작은 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉부는 상기 영구자석을 연장한 가상의 선과, 상기 프레임이 만나는 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 영구자석은 페라이트 소재로 구성되는 리니어 압축기.
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