KR20090105471A - 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기에 관한 것이다. 본 발명은 왕복동모터의 스테이터를 이루는 외측코어와 내측코어가 코일을 중심으로 어느 한 쪽이 서로 연결됨에 따라 상기 코일과 마그네트에 의해 발생되는 자속이 스테이터의 외부로 누설되는 것을 크게 줄일 수 있다. 이에 따라 상기 왕복동모터를 채용하는 왕복동식 압축기의 부품을 상대적으로 저렴한 자성체로 제작할 수 있어 그만큼 압축기의 제조비용을 절감할 수 있다. 또, 상기 마그네트의 길이를 줄일 수 있어 그만큼 마그네트에 투입되는 비용을 줄일 수 있고 이를 통해 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기의 제조비용을 절감할 수 있다.

왕복동식 압축기, 왕복동모터, 외측코어, 내측코어, 자로연결부, 공극

Description

왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기{RECEPROCATING MOTOR AND RECEPROCATING COMPRESSOR HAVING THE SAME}

본 발명은 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기에 관한 것이다.

압축기는 응축기, 팽창기, 증발기와 함께 냉동사이클을 이루는 장치이다. 상기 압축기는 상기 증발기에서 흡입되는 유체를 압축한 후 응축기로 토출을 하는 역할을 한다. 상기 압축기는 냉매와 같은 비압축성 유체를 압축하는 방삭에 따라 왕복동식, 로터리식, 스크롤식 등으로 구분할 수 있다. 상기 왕복동식 압축기는 피스톤이 실린더에서 선형운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이고, 상기 로터리식은 피스톤이 실린더에서 회전운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이며, 상기 스크롤식은 두 개의 스크롤이 맞물려 상대운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이다.

상기 왕복동식 압축기는 구동모터에 따라 연결형과 진동형으로 구분할 수 있다. 상기 연결형은 회전하는 구동모터의 크랭크축에 피스톤이 컨넥팅로드로 연결되어 상기 크랭크축의 회전운동이 상기 피스톤의 왕복운동으로 전환되는 것이고, 상기 진동형은 왕복운동을 하는 구동모터의 무버(mover)에 피스톤이 결합되어 함께 직선운동을 하는 것이다. 상기 진동형 왕복동식 압축기는 피스톤의 운동방향에 조 응하도록 스프링을 설치하여 그 스프링에 의해 피스톤이 양방향으로 공진운동을 하면서 냉매를 압축하게 된다. 이에 따라 진동형 왕복동식 압축기는 다른 종류의 압축기에 비해 효율이 높고 진동이 적어 소음이 낮은 장점이 있다.

도 1은 종래 진동형 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 진동형 왕복동식 압축기(이하, 왕복동식 압축기로 약칭함)는, 밀폐된 케이싱(10)의 내부에 프레임(20)이 탄력 설치되고, 그 프레임(20)에 무버(33)가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터(30)가 설치되며, 상기 프레임(20)에 삽입되어 실린더(41)가 고정되고, 상기 실린더(41)에 삽입되어 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 피스톤(42)이 상기 왕복동모터(30)의 무버(33)에 결합되며, 상기 피스톤(42)의 운동방향 양측에는 그 피스톤(42)의 공진운동을 유도하는 복수 개씩의 공진스프링(51)(52)이 각각 설치되어 있다.

상기 왕복동모터(30)는 다수 장의 스테이터 시트(stator sheet)(35)가 방사상으로 적층되어 원통모양으로 형성되는 외측코어(31)와, 다수 장의 스테이터 시트(36)가 방사상으로 적층되어 원통모양으로 형성되고 상기 외측코어(31)의 내측에 소정의 공극(air gap)(34)을 두고 배치되는 내측코어(32)와, 상기 외측코어(31)와 내측코어(32) 사이의 공극(34)에서 축방향으로 이동 가능하게 배치되는 무버(33)로 이루어진다.

상기 외측코어(31)는 코일(coil)(37)이 삽입되어 결합되고, 상기 코일(37)의 외주면과 축방향 양 측면에 상기 스테이터 시트(35)가 밀착되도록 적층되어 원통모양으로 형성되어 있다. 상기 내측코어(32)는 소정의 축방향 길이를 가지는 스테이 터 시트(36)가 방사상으로 적층되어 원통모양으로 형성되어 있다.

상기 무버(33)는 원통모양으로 마그네트 홀더(magnet holder)(38)가 형성되고, 상기 마그네트 홀더(38)의 외주면에 마그네트(magnet)(39)가 부착되어 이루어져 있다. 상기 마그네트 홀더(38)의 중심에는 상기 피스톤(42)이 축방향으로 결합되어 있다.

상기 외측코어(31)와 내측코어(32)는 상기 코일(37)을 중심으로 축방향 양측에 모두 공극들(34)이 형성되고, 상기 공극들(34)은 상기 외측코어(31)와 내측코어(32)를 지지하는 프레임(20)에 의해 유지되고 있다.

도면중 미설명 부호인 11은 밀폐공간, 12는 흡입관, 13은 토출관, 21은 지지플레이트, 22는 백커버, 43은 흡입밸브, 44는 토출밸브, 45는 밸브스프링, 46은 토출커버, 53은 스프링서포터, 60은 오일피더, S1은 압축공간, S2는 토출공간이다.

그러나, 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기에서는, 상기 외측코어(31)와 내측코어(32)를 지지하는 프레임(20)이나 상기 내측코어(32)에 결합되는 실린더(41)를 고가(高價)의 비자성체로 제작됨에 따라 왕복동모터와 이를 채용한 왕복동식 압축기의 제조비용이 상승하는 문제점이 있었다. 즉, 상기 프레임(20)이 자성체로 제작되는 경우에는, 그 외측코어(31)와 내측코어(32) 사이의 공극에서 형성되는 자속(magnetic flux)의 일부가 도 2에서와 같이 상기 프레임(20)이나 실린더(41)를 통해 누설되어 모터의 성능이 크게 저하될 수 있다. 이를 감안하여, 종래에는 상기 프레임(20)이나 실린더(41) 등을 비자성체로 제작하여 자속누설을 방지하는 것이나, 비자성체의 재료비용이 자성체에 비해 대체로 고가이므로 결국 모터와 압축기 의 제조비용이 상승되는 것이었다.

또, 상기 왕복동모터(30)는 마그네트(39)의 가격이 고가임에도 불구하고 그 길이를 줄이는데 한계가 있어 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기의 제조비용이 상승하게 되는 문제점도 있었다. 즉, 상기 왕복동모터(30)의 효율을 높이기 위하여는 상기 마그네트(39)가 왕복운동을 할 때 적어도 어느 한 쪽 공극에 위치하여야 하므로 도 2에서와 같이 상기 마그네트(39)의 길이(L1)는 적어도 코일(37)의 축방향 길이와 한 쪽 공극(34)의 축방향 길이를 합한 길이(L2)만큼 구비되어야 하는 구조적 제약이 있었다.

또, 이를 감안하여, 상기 외측코어(31)를 도 2와 같이 내주면이 좁은 다각형 모양으로 형성하여 마그네트(33)의 길이를 줄이는 방안이 고려되었으나, 이 경우 상기 코일(37)을 감을 때 좁아진 경사면에서 내주면쪽으로 밀려드는 현상이 발생되어 코일(37) 감는 공정이 난해하게 될 뿐만 아니라 상기 외측코어의 내주면쪽이 좁아진 면적만큼 외주면은 확대되어야 하므로 그만큼 모터의 전체 넓이 또는 높이가 증가되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 상기 왕복동모터의 외측코어와 내측코어 사이의 공극에 형성되는 자속이 누설되는 것을 최소화하면서도 가격을 크게 낮출 수 있는 왕복동모터 및 이를 적용한 왕복동식 압축기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

또, 상기 모터의 효율을 유지하면서도 상기 마그네트의 길이를 줄일 수 있도록 하여 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

또, 상기 코일의 감는 작업을 용이하게 하여 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 모터의 크기를 줄일 수 있는 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 해결하기 위하여, 외측코어와 내측코어 중에서 어느 한 쪽에 코일이 장착되는 스테이터; 및 상기 스테이터의 자기장에 의해 왕복운동을 하도록 마그네트를 갖는 무버;를 포함하고, 상기 스테이터는 코일을 중심으로 축방향 일측은 그 외측코어와 내측코어가 서로 연결되고, 상기 코일을 중심으로 축방향 타측은 그 외측코어와 내측코어가 서로 이격되어 마그네트가 왕복운동을 하도록 공극(air gap)이 형성되는 왕복동모터가 제공된다.

또, 밀폐용기의 내부에 지지되는 프레임; 상기 프레임에 고정 설치되고, 외 측코어와 내측코어의 사이에 소정의 공극(air gap)을 가지도록 형성되며, 어느 한 쪽 코어에는 자기장을 형성하도록 코일이 감기는 스테이터와, 상기 스테이터의 공극에 배치되는 마그네트를 지지하여 왕복운동을 하는 마그네트 홀더을 포함하는 왕복동모터; 상기 프레임에 지지되는 실린더; 상기 실린더에 삽입되고 상기 마그네트 홀더에 결합되어 함께 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 피스톤; 및 상기 피스톤의 전후 양측면과 이에 대응되는 프레임 사이에 배치되어 상기 피스톤을 탄력 지지하는 스프링;을 포함하고, 상기 스테이터는 그 외측코어와 내측코어가 상기 코일을 중심으로 일측은 서로 연결되어 자로를 형성하고, 타측은 서로 이격되어 공극을 형성하는 왕복동식 압축기가 제공된다.

본 발명에 의한 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기는, 왕복동모터의 스테이터를 이루는 외측코어와 내측코어가 코일을 중심으로 어느 한 쪽이 서로 연결됨에 따라 상기 코일과 마그네트에 의해 발생되는 자속이 스테이터의 외부로 누설되는 것을 크게 줄일 수 있다. 이에 따라 상기 왕복동모터를 채용하는 왕복동식 압축기의 부품을 상대적으로 저렴한 자성체로 제작할 수 있어 그만큼 압축기의 제조비용을 절감할 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기 마그네트의 길이를 줄일 수 있어 그만큼 마그네트에 투입되는 비용을 줄일 수 있고, 이를 통해 상기 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기의 제조비용을 절감할 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기 보빈이 사각형 모양으로 형성될 수 있어 코일의 권 선이 용이하게 되고 이로 인해 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기에 대한 생산성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 동일한 용량 대비 크기가 감소될 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 왕복동모터는, 원통모양으로 적층되고 코일(130)을 가지며 그 코일(130)을 중심으로 한 쪽에만 공극을 가지는 스테이터(100)와, 상기 스테이터(100)의 공극에 삽입되고 마그네트(220)가 구비되어 축방향으로 직선 운동을 하는 무버(200)로 이루어진다.

상기 스테이터(100)는 코일(130)이 장착되는 제1 자로부(101)와, 상기 제1 자로부(101)의 내측에 위치하는 제2 자로부(102)와, 상기 제1 자로부(101)와 제2 자로부(102)의 일측을 서로 연결하는 자로연결부(103)와, 상기 코일(130)을 중심으로 상기 자로연결부(104)의 타측에 형성되고 상기 제1 자로부(101)와 제2 자로부(102)의 사이에 반경방향으로 소정의 간격만큼 이격되는 공극부(104)와, 상기 공극부(104)를 이루는 제1 자로부(101)와 이에 대응되는 제2 자로부(102)의 대응단에 각각 형성되는 제1 폴부(105) 및 제2 폴부(106)로 이루어진다.

상기 제1 자로부(101)의 내주면에는 상기 코일(130)이 장착될 수 있도록 소정의 축방향 넓이와 반경방향 깊이로 코일장착홈(116)이 형성된다. 상기 코일장착홈(116)은 그 축방향 양 측면이 개구측으로 갈수록 좁아지지 않도록 대략 사각모양으로 형성되고, 상기 제1 폴부(105)와 제2 폴부(106)는 그 끝단으로 갈수록 단면적 이 넓어지도록 외측면이 경사져 대략 삼각모양 또는 쐐기모양으로 형성된다. 그리고 상기 자로연결부(103)는 상기 공극부(104)의 반경방향 범위 내에 형성되는 것이 상기 제1 자로부(101)와 제2 자로부(102)의 연결을 용이하게 할 수 있고 자로면적을 넓힐 수 있어 바람직하다.

이를 위해, 상기 스테이터(100)는 코일(130)이 구비되고 원통모양으로 형성되는 외측코어(110)와, 상기 외측코어(110)의 내측에 코일(130)을 중심으로 한쪽은 서로 연결되는 반면 다른 한 쪽은 소정의 공극을 두고 배치되는 내측코어(120)로 이루어진다.

상기 외측코어(110)는 다수 장의 스테이터 시트(stator sheet)(111)가 평행하게 적층되어 복수 개의 스테이터 블록(stator block)들(115)이 형성되고, 그 스테이터 블록들(115)이 방사상으로 적층되어 전체적으로 원통모양으로 형성된다. 상기 외측코어(110)는 각 스테이터 블록들(115)의 내주측 양 측면이 서로 접촉되는 반면 각 스테이터 블록들(115)의 외주측 양 측면은 원주방향을 따라 일정간격을 두고 서로 이격된다. 상기 외측코어(110)는 도면으로 도시하지는 않았으나, 다수 장의 스테이터시트(111)가 낱장씩 방사상 적층될 수도 있다.

그리고 상기 외측코어(110)는 그 스테이터 블록들(115)의 내주면에 상기 코일장착홈(116)이 구비되어 디귿(ㄷ)자 모양으로 상기 제1 자로부(101)가 형성되고, 상기 코일장착홈(116)을 중심으로 제1 자로부(101)의 일측 끝단은 제2 자로부(102)와 연결되도록 수직한 일(l)자 모양의 자로연결부(103)가 일체로 형성되며, 상기 제1 자로부(101)의 타측 끝단은 그 끝단에 대응하는 제2 자로부(102)의 끝단과 함 께 공극부(104)를 이루도록 바깥쪽으로 연장되는 제1 폴부(105)가 일체로 형성된다.

상기 내측코어(120)는 다수 장의 스테이터 시트(121)가 낱장씩 방사상으로 적층되어 원통모양으로 형성된다. 상기 내측코어(120)는 그 내주측 양 측면이 서로 접촉되는 반면 그 외주측 양 측면은 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 서로 이격된다.

그리고 상기 내측코어(120)는 수평한 일(ㅡ)자 모양으로 형성되고, 그 축방향 일측 끝단은 상기 자로연결부(103)에 의해 상기 외측코어(110)와 연결되며, 그 축방향 타측 끝단은 상기 외측코어(110)와의 사이에 공극부(104)를 두고 이격되도록 형성된다. 상기 공극부(104)를 이루는 내측코어(120)의 축방향 끝단은 상기 외측코어(110)의 제1 폴부(105)와 대응하도록 바깥쪽으로 연장되는 제2 폴부(106)가 일체로 형성된다.

상기 외측코어(110)와 내측코어(120)는 상기 스테이터(100)의 내주면에서 방사상으로 1/2 범위내, 보다 정확하게는 공극부(104)의 범위내에서 서로 연결되어 조립되는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 상기 외측코어(110)와 내측코어(120)는 각각 다수 장의 스테이터 시트(111)(121)를 적층하여 형성함에 따라 상기 외측코어(110)와 내측코어(120)의 연결점이 반경방향으로 1/2 이상이 되면 상기 내측코어(120)를 이루는 스테이터 시트(121) 사이의 간격이 멀어져 외측코어(110)를 이루는 스테이터 시트(111)와의 연결이 난해하게 될 뿐만 아니라 간격만큼 자로면적이 감소할 수 있다. 따라서, 상기 외측코어(110)와 내측코어(120)의 연결점(W)은 반경방향으로 1/2이내, 보다 바람직하게는 공극부(104) 범위내에서 연결되는 것이 바람직할 수 있다.

그리고 상기 외측코어(110)와 내측코어(120)는 그 끝단이 맞은편 코어에 용접되어 결합될 수도 있고, 또는 단차지게 형성하여 서로 맞물려 결합되도록 할 수도 있다. 예컨대, 도 5에서와 같이 용접 결합되는 경우에는 상기 내측코어(120)의 연결측 외주면에 상기 외측코어(110)의 연결측 내주면을 접촉시키고, 그 접촉된 부위의 외측면에서 원주방향을 따라 용접(W)하여 상기 외측코어(110)와 내측코어(120)를 연결할 수 있다.

반면, 도 6에서와 같이 단차를 이용하여 맞물려 결합하는 경우에는, 상기 외측코어(110)와 내측코어(120)의 연결측 끝단에 서로 맞물리도록 축방향 단차부(115)(125)를 각각 형성하고, 그 양측 단차부(115)125)가 서로 밀착되도록 한다. 그리고 상기 외측코어(110)와 내측코어(120)의 축방향 양측면에 각각 원판형 프레임 또는 환형 프레임과 같은 지지부재(141)(142)를 대고 그 양쪽 지지부재(141)(142)를 관통하는 긴 볼트(143)와 그 볼트(143)에 체결되는 너트(144)를 이용하여 양측 지지부재(141)(142)를 조여줌으로써 상기 외측코어(110)와 내측코어(120)의 단차부(115)(125)가 축방향으로 밀착되어 연결되도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 양쪽 지지부재(141)(142)는 비자성체로 형성할 수도 있으나, 상기 외측코어(110)와 내측코어(120), 즉 제1 자로부(101)와 제2 자로부(102)가 자로연결부(103)에 의해 서로 연결됨에 따라 자속이 상기 자로연결부(103)를 따라 제1 자로부(101)에서 제2 자로부(102)로 대부분 이동하게 되므로 적어도 어느 한 쪽 지지부 재(141)(142)는 자성체로 형성하더라도 자속누설이 거의 발생하지 않으면서 비용을 줄일 수 있어 바람직할 수 있다.

상기 코일(130)은 보빈(131)에 감겨 상기 외측코어(110)의 코일장착홈(116)에 삽입된다. 상기 보빈(131)은 플라스틱재질과 같이 절연재를 이용하여 전체적으로는 환형이고 미음(ㅁ)자 단면모양으로 형성된다.

상기 무버(200)는 원통모양으로 형성되는 마그네트 홀더(210)와, 그 마그네트 홀더(210)의 외주면에 부착되어 상기 코일(130)과 함께 자속을 형성하는 마그네트(220)로 이루어진다.

상기 마그네트 홀더(210)는 비자성체로 형성되는 것이 자속누설을 방지하는데 바람직하나, 굳이 비자성체로 한정할 필요는 없다.

상기 마그네트(220)는 한 개의 원통모양으로 형성되어 상기 마그네트 홀더(210)에 삽입되어 부착될 수도 있고, 복수 개의 원호모양으로 형성되어상기 마그네트 홀더(210)의 외주면에 낱개씩 부착될 수도 있다. 그리고 상기 마그네트(220)가 낱개씩 부착될 경우 그 마그네트(220)의 외주면에는 별도의 고정링과 같은 지지부재(미도시)가 더 구비될 수 있다.

상기 마그네트(220)는 도 7에서와 같이, 그 축방향 길이(L3)가 공극부(104)의 축방향 길이(L4)보다는 작지 않게, 보다 정확하게는 상기 공극부(104)의 축방향 길이(L4)보다는 크게 형성되고, 초기위치 또는 운전시 적어도 축방향의 한 쪽 끝단이 상기 공극부(104)의 내부에 위치하도록 배치되는 것이 안정적인 왕복운동을 위해 바람직할 수 있다.

그리고 상기 마그네트(220)는 도 3 내지 도 7에서와 같이 축방향으로 한 개씩만 배치될 수도 있으나, 경우에 따라서는 도 8에서와 같이 축방향을 따라 복수 개씩 배치될 수도 있고 이 경우에는 상기 복수 개의 마그네트(221)(222)는 그 극성이 서로 반대가 되도록 형성되는 것이 자력을 높이는데 바람직하다. 즉, 상기 마그네트(22)가 축방향을 따라 한 개씩만 배치될 경우에 그 마그네트의 외주면이 S극, 내주면은 N극으로 형성되면, 복수 개씩 배치될 경우에는 제1 열은 마그네트(221)의 외주면이 S극이고 내주면이 N극이면, 제2 열은 마그네트(222)의 외주면이 N극이고 내주면이 S극으로 형성된다.

상기와 같은 본 발명에 의한 왕복동모터는 다음과 같이 작동된다.

즉, 상기 코일(130)로 전원이 인가되면, 상기 코일(130)의 주변에 자속(magnetic flux)이 형성되고, 상기 자속은 스테이터의 외측코어(110)와 내측코어(120)를 따라 폐루프(closed loop)를 형성하며, 상기 외측코어(110)와 내측코어(120) 사이에 형성되는 자속과 상기 마그네트(220)의 의해 형성되는 자속의 상호 작용에 의해 상기 마그네트(220)가 마그네트 홀더(210)와 함께 축방향으로 직선 이동하게 된다. 그리고, 상기 코일(130)에 인가되는 전류의 방향을 번갈아 바꾸면 상기 코일(130)의 자속방향이 바뀌면서 마그네트(220)가 직선으로 왕복 운동을 하게 된다.

이때, 도 9에서와 같이 상기 외측코어(110)와 내측코어(120)는 그 일측이 서로 연결됨에 따라 상기 외측코어(110)와 내측코어(120) 사이에 형성되는 대부분의 자속이 스테이터(100)의 외부로 누설되지 않고 양측 코어 사이에서 폐루프를 형성 하게 된다. 따라서, 상기 스테이터(100)의 양 측면을 자성체로 지지하더라도 그 자성체로 자속이 누설되지 않음에 따라 왕복동모터의 비용이 상승하지 않으면서 효율은 유지할 수 있다.

이에 대한 실험표가 도 10에 도시되어 있다. 이 실험은 상기 스테이터를 종래와 같이 코일의 양측에 각각 공극을 두는 경우와 본 발명과 같이 코일의 한 쪽에만 공극을 두는 경우에 대한 철손을 비교한 것이다. 이에 따르면, 상기 스테이터를 지지하는 지지부재의 재료를 비자성체인 알루미늄(Al)으로 하였을 경우에는 철손이 각각 15Ω으로 동일하게 나타났다. 하지만, 상기 지지부재를 모두 자성체인 스틸(Steel)로 하였을 경우에는 종래는 철손이 47Ω으로 크게 증가하는 반면 본 발명에서는 철손이 증가하지 않았음을 알 수 있다. 즉, 본 발명과 같이 상기 코일의 일측을 서로 연결하는 경우 자속이 지지부재로 누설되지 않고 강자성체인 스테이터 내부에서만 주로 흐르게 되고 이로 인해 모터의 손실이 크게 개선될 수 있슴을 알 수 있다.

한편, 상기와 같은 왕복동모터를 진동형 왕복동식 압축기에 적용한 경우는 다음과 같다. 상기 왕복동모터는 그 구성에 대해 앞서 설명하였으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 여기서는 상기 왕복동모터를 진동형 왕복동식 압축기에 적용함에 따른 특징들에 대해서만 살펴본다.

도 11에 도시된 바와 같이 본 발명의 왕복동식 압축기는, 밀폐용기(1100)와, 상기 밀폐용기(1100)의 내부에 배치되어 왕복 운동력을 발생시키는 왕복동모터(1200)와, 상기 왕복동모터(1200)에서 발생되는 왕복 운동력을 전달받아 냉매의 압축 작용을 하는 압축부(1300)와, 상기 왕복동모터(1200)와 압축부(1300)의 각 윤활부위에 오일을 펌핑하여 공급하는 오일피더(미도시)를 포함한다.

상기 밀폐용기(1100)는 그 내부에 밀폐공간(1101)이 형성되고, 상기 밀폐공간(1101)의 일측에는 상기 냉동사이클로부터 냉매가 상기 밀폐공간(1101)으로 흡입되도록 안내하는 흡입관(1102)이 연결되며, 상기 밀폐공간(1101)의 타측에는 상기 압축부(1300)에서 압축된 냉매가 상기 냉동사이클로 토출되도록 안내하는 토출관(1103)이 연결된다. 그리고 상기 밀폐용기(1100)의 하반부에는 상기 오일피더(1500)에 의해 펌핑되어 상기 압축부(1300)로 공급되어 그 압축부(1300)를 윤활하도록 소정량의 오일이 저장된다.

상기 왕복동모터(1200)는 전술한 바와 같이 코일(1213)을 포함하고 그 코일(1213)을 중심으로 축방향 한 쪽은 공극부(1201)를 이루도록 상기 외측코어(1211)와 내측코어(1212)가 서로 이격되는 반면 다른 한 쪽은 외측코어(1211)와 내측코어(1212)가 서로 연결되어 자로연결부(1202)를 형성하는 스테이터(1210)와, 상기 코일(1213)과 함께 상호 작용을 하여 상기 스테이터(1210)의 공극(1201)에서 직선으로 왕복운동을 하는 무버(1220)로 이루어진다.

상기 스테이터(1210)는 외측코어(1211)와 내측코어(1212)의 축방향 양 측면이 각각 제1 프레임(1214)과 제2 프레임(1215)으로 지지되고, 상기 제1 프레임(1214)과 제2 프레임(1215)은 상기 밀폐용기(1100)의 저면, 즉 밀폐공간(1101)의 저면에 복수 개의 지지스프링(1216)에 의해 탄력적으로 지지된다.

그리고 상기 제1 프레임(1214)과 제2 프레임(1215)은 상기 외측코어(1211)를 관통하는 볼트(1217)와 그 볼트(1217)에 체결되는 너트(1218)에 의해 조여져 결합되고, 상기 제2 프레임(1215)의 일측면에는 후술할 공진스프링(1410)(1420)을 지지하는 백커버(1219)가 용접으로 결합된다. 물론, 상기 제2 프레임(1215)과 백커버(1219)는 용접 외에 압입이나 체결 등 다른 조립방식으로 결합될 수도 있다.

그리고 상기 제1 프레임(1214)과 제2 프레임(1215), 또는 백커버(1219) 등은 비자성체로 형성될 수 있으나, 앞서 언급한 바와 같이 상기 왕복동모터(1200)에서의 자속누설이 현저하게 감소함에 따라 고가의 자성체를 대신하여 저가의 비자성체를 사용하는 것이 압축기의 비용을 줄이는데 바람직하다.

여기서, 상기 내측코어(1212)는 후술할 실린더(1320)의 외주면에 삽입되어 고정될 수도 있으나, 경우에 따라서는 도 12에서와 같이 상기 제1 프레임(1214)의 일측면으로 환형돌부(1214a)가 형성되고, 그 환형돌부(1214a)의 내부에는 상기 실린더(1320)가 삽입되어 고정되는 반면 상기 환형돌부(1214a)의 외주면에는 상기 내측코어(1212)가 삽입되어 고정될 수도 있다. 이 경우 상기 환형돌부(1214a)의 후방면에 후술할 제1 공진스프링(1410)이 지지될 수도 있다.

상기 무버(1220)는 원통형의 마그네트 홀더(1221)와, 그 마그네트 홀더(1221)의 외주면에 결합되는 마그네트(1222)로 이루어진다. 이에 대한 구체적인 설명은 전술한 왕복동모터에서와 동일하므로 생략한다.

상기 압축부(1300)는 상기 마그네트 홀더(1221)와 연결되어 직선으로 왕복운동하는 피스톤(1310)과, 상기 피스톤(1310)이 슬라이딩 가능하게 삽입되어 일정 압축공간(S1)을 형성하는 실린더(1320)와, 상기 피스톤(1310)의 전방에 장착되어 상 기 피스톤(1310)에 형성된 흡입유로(1311)를 개폐하면서 냉매의 흡입을 제어하는 흡입밸브(1330)와, 상기 실린더(1320)의 전방에 착탈 가능하게 장착되어 냉매의 토출을 제어하는 토출밸브(1340)와, 상기 토출밸브(1340)를 지지하는 밸브스프링(1350)과, 상기 토출밸브(1340)와 밸브스프링(1350)을 수용하여 토출공간(S2)을 형성하는 토출커버(1360)를 포함한다. 그리고 상기 피스톤(1310)의 전후 양측에는 그 피스톤(1310)의 왕복운동을 공진시키는 제1 공진스프링(1410)과 제2 공진스프링(1420)을 더 포함한다.

상기 피스톤(1310)은 물론 상기 실린더(1320)는 상기 내측코어(1212)에 직접 접촉되더라도 자성체로 형성할 수 있다. 즉, 상기 스테이터(1210)는 외측코어(1211)와 내측코어(1212)가 서로 연결됨에 따라 자속누설이 크게 감소되어 상기 내측코어(1212)에 직접 접촉되는 실린더(1320)는 전술한 제1 프레임(1214)과 마찬가지로 저가의 자성체를 사용하더라도 모터의 효율을 유지할 수 있다. 아울러, 상기 실린더(1320)는 저렴하면서도 내마모성이 우수한 주철을 사용할 수 있어 상기 피스톤(1310)과의 마찰로 인한 마모를 줄일 수 있다.

상기 흡입밸브(1330)와 토출밸브(1340)도 자성체 재질로 형성할 수 있다. 물론, 상기 흡입밸브(1330)의 경우는 얇은 판체로 형성됨에 따라 금속재질을 사용하고 있으나, 상기 토출밸브(1340)의 경우는 밸브의 개폐시 발생되는 소음을 감쇄할 수 있으면 저렴한 자성체 금속을 사용하더라도 자속누설에 의한 압축기 성능의 저하는 방지할 수 있다. 그리고 상기 토출밸브(1340)를 지지하는 밸브스프링(1350)이나 그 밸브스프링(1350)을 지지하면서 수용하는 토출커버(1360) 역시 자성체로 제 작할 수 있어 압축기의 비용을 더욱 절감할 수 있다.

상기 제1 공진스프링(1410)과 제2 공진스프링(1420)은 각각 압축코일스프링으로 이루어진다. 그리고 상기 제1 공진스프링(1410)과 제2 공진스프링(1420)은 도 11 및 도 12에서와 같이 각각 복수 개씩 구비되어 상기 피스톤(1310)의 전후 양측에 각각 배치된다. 이를 위해, 상기 피스톤(1310)에는 스프링서포터(1430)가 결합되고, 상기 스프링서포터(1430)의 전후 양 측면에는 상기 제1 공진스프링(1410)과 제2 공진스프링(1420)의 대응단이 각각 고정된다. 이 경우, 상기 제1 공진스프링(1410)의 전방단과 제2 공진스프링(1420)의 후방단은 각각 제2 프레임(1215)과 백커버(1219)의 내측면에 고정된다.

여기서, 상기 제1 공진스프링(1410)과 제2 공진스프링(1420)은 도 13에서와 같이 한 개씩만 구비되어 상기 피스톤(1310)에 각각 지지될 수도 있다. 예컨대, 상기 제1 공진스프링(1410)은 그 일단이 상기 피스톤(1310)의 플랜지부(미부호) 전방면에 지지되는 반면 그 타단은 상기 실린더(1320)의 후방면에 지지된다. 상기 제2 공진스프링(1420)은 그 일단이 상기 피스톤(1310)의 플랜지부 후방면에 지지되는 반면 그 타단은 상기 백커버(1219)의 내측면에 지지된다.

상기와 같은 왕복동식 압축기의 작용은 다음과 같다.

즉, 앞서 왕복동모터에서와 같이 상기 마그네트 홀더(1221)가 마그네트(1222)와 함께 왕복운동을 하게 되면, 상기 마그네트(1222)의 운동이 마그네트 홀더(1221)에 의해 상기 압축부(1300)의 피스톤(1310)으로 전달되고, 상기 피스톤(1310)이 상기 실린더(1320)의 내부에서 직선 왕복 이동되면서 냉매의 압축 작용 을 한다.

예컨대, 상기 피스톤(1310)이 후퇴하면 상기 피스톤(1310)에 형성된 흡입유로(1311)를 통해 밀폐용기(1100)의 냉매가 압축공간(S1)으로 흡입되고, 상기 피스톤(1310)이 전진하면 상기 흡입밸브(1330)에 의해 상기 흡입유로(1311)가 폐쇄되면서 상기 압축공간(S1) 내부의 냉매가 압축되며, 상기 압축된 냉매는 상기 토출관(1103)을 통해 외부의 냉동사이클로 토출된다. 이러한 압축 작용 중 상기 밀폐용기(1100)에 채워진 오일은 상기 오일피더(미도시)의 작동에 의해 펌핑되어 상기 피스톤(1310)과 실린더(1320) 사이의 마찰 부위로 공급되어 윤활 작용을 수행하게 된다.

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

즉, 전술한 실시예에서는 상기 실린더가 상기 왕복동모터의 축방향 내부에 배치되도록 상기 왕복동모터의 내측코어가 실린더의 외주면에 삽입되어 고정되거나 또는 실린더가 삽입된 제1 프레임의 환형돌부에 삽입되어 고정되는 것이었으나, 본 실시예는 상기 실린더가 상기 왕복동모터의 축방향 외부에 배치되는 것이다.

예컨대, 도 14에서와 같이 상기 제1 프레임(2214)에 실린더(2320)가 삽입되어 결합되고, 상기 실린더(2320)에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 피스톤(2310)에 상기 마그네트 홀더(2221)가 결합된다. 하지만, 상기 마그네트 홀더(2221)는 상기 피스톤(2310)의 후방측으로 결합되어 그 외주면에 상기 마그네트(2222)가 결합되고, 상기 마그네트(2222)의 외측과 내측에는 각각 원통형의 외측코어(2211)와 내측코 어(2212)가 배치되며, 상기 외측코어(2211)와 내측코어(2212)의 일측은 전술한 왕복동모터(1200)에서와 같이 서로 연결되어 형성된다. 그리고 상기 피스톤(2310)에는 스프링서포터(2430)가 결합되고, 그 스프링서포터(2430)의 전후 양측에 각각 복수 개씩의 제1 공진스프링(2410)과 제2 공진스프링(2420)이 배치된다. 여기서, 상기 제1 공진스프링(2410)과 제2 공진스프링(2420)은 도 13에서와 같이 각각 한 개씩 배치될 수도 있고, 이 경우에는 상기 스프링서포터(2430)를 설치하지 않고 상기 피스톤(2310)에 고정할 수도 있다.

상기 왕복동모터(2200)를 비롯하여 압축부(2300) 등은 전술한 실시예와 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 상기 왕복동모터(2200)의 스테이터(2210)를 이루는 외측코어(2211)와 내측코어(2212)는 코일(2213)을 중심으로 한 쪽이 이격된 공극부(2201)를 형성하는 반면 다른 한 쪽은 서로 연결되어 자로연결부(2202)가 형성된다. 그리고 상기 공극부(2201)를 이루는 쪽은 제2 프레임(2215)으로 지지되고, 상기 자로연결부(2202)를 이루는 쪽은 백커버(2219)로 지지된다. 상기 제2 프레임(2215)과 백커버(2219)는 자성체로 형성될 수 있고, 상기 제2 프레임(2215)과 접촉되는 제1 프레임(2214)과 그 제1 프레임(2214)에 삽입되어 결합되는 실린더(2320) 역시 자성체로 형성될 수 있다.

도면중 설명되지 않은 도면부호 중에서 전술한 실시예와 동일한 부위에 대한 도면부호는 그 도면부호만 상이할 뿐 기능이나 형상이 전술한 실시예와 동일하다.

이렇게, 본 발명은 상기 왕복동모터의 스테이터를 이루는 외측코어와 내측코어가 코일을 중심으로 어느 한 쪽이 서로 연결됨에 따라 상기 코일과 마그네트에 의해 발생되는 자속이 스테이터의 외부로 누설되는 것을 크게 줄일 수 있다. 이에 따라 상기 외측코어와 내측코어를 지지하는 프레임이나 그 프레임 또는 내측코어에 결합되는 실린더 등을 자성체로 제작하더라도 자속이 프레임이나 실린더 등으로 누설되지 않아 모터의 효율이 저하되지 않게 된다. 따라서 상기 왕복동모터를 채용하는 왕복동식 압축기의 부품을 상대적으로 저렴한 자성체로 제작할 수 있어 그만큼 압축기의 제조비용을 절감할 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기 마그네트의 길이를 줄일 수 있어 그만큼 마그네트에 투입되는 비용을 줄일 수 있고, 이를 통해 상기 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기의 제조비용을 절감할 수 있다. 즉, 상기 마그네트의 길이는 적어도 공극부의 축방향 길이와 같거나 길게 형성되어야 한다. 하지만, 종래와 같이 상기 코일을 중심으로 양측에 각각 공극부가 형성되는 경우에는 그 공극부를 지나는 자속에 마그네트가 영향을 받기 위하여는 상기 마그네트의 길이가 왕복운동시 한 쪽 공극부에 속할 수 있는 길이, 즉 한 쪽 공극부의 축방향 길이와 코일의 축방향 길이를 합한 길이가 되어야 한다. 이에 반해 본 발명과 같이 상기 공극부가 코일의 한 쪽에만 형성되는 경우에는 상기 마그네트가 왕복운동시 한 쪽 공극부에 속할 수 있는 길이, 즉 상기 공극부의 길이보다 짧지 않으면 되므로 그만큼 마그네트의 필요길이가 짧아지게 되는 것이다.

본 발명에 의한 왕복동모터 및 이를 채용한 왕복동식 압축기는 냉장고 또는 에어콘과 같은 가전용 냉동기기에 고르게 적용할 수 있다. 가전용 뿐만 아니라 냉 동사이클을 이용하는 산업용 기기에도 적용할 수 있다.

도 1은 종래 왕복동식 압축기의 일실시예를 보인 종단면도,

도 2는 도 1에 따른 왕복동모터에서 자력분포를 개략적으로 보인 종단면도,

도 3은 본 발명 왕복동모터의 일례를 보인 분해사시도,

도 4는 도 3에 따른 왕복동모터의 종단면도,

도 5 및 도 6은 도 3에 따른 왕복동모터에서 외측코어와 내측코어의 연결방법을 각각 보인 개략도,

도 7은 도 3에 따른 왕복동모터에서 공극과 마그네트의 관계를 보인 개략도,

도 8은 도 3에 따른 왕복동모터에서 마그네트의 다른 실시예를 보인 개략도,

도 9는 도 3에 따른 왕복동모터에서 자력분포를 개략적으로 보인 종단면도,

도 10은 도 3에 따른 왕복동모터를 도 2에 따른 왕복동모터와 철손을 비교하여 보인 실험표,

도 11은 도 3에 따른 왕복동모터가 적용된 왕복동식 압축기의 일실시예를 보인 종단면도,

도 12는 도 3에 따른 왕복동모터가 적용된 왕복동식 압축기에서 왕복동모터의 조립방식에 대한 다른 실시예를 보인 종단면도,

도 13은 도 11 및 도 12에 따른 왕복동식 압축기에서 공진스프링의 다른 실시예를 보인 종단면도,

도 14는 도 3에 따른 왕복동모터가 적용된 왕복동식 압축기에 대한 다른 실시예를 보인 종단면도.

** 도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100 : 스테이터 101 : 제1 자로부

102 : 제2 자로부 103 : 자로연결부

104 : 공극부 105,106 : 폴부

110 : 외측코어 111 : 스테이터 시트

115 : 스테이터 블록 116 : 코일장착홈

120 : 내측코어 121 : 스테이터 시트

125 : 단차부 130 : 코일

131 : 보빈 141,142 : 지지부재

200 : 무버 210 : 마그네트 홀더

220 : 마그네트 1100 : 케이싱

1200 : 왕복동모터 1201 : 공극부

1202 : 자로연결부 1210 : 스테이터

1211 : 외측코어 1212 : 내측코어

1213 : 코일 1214,1215 : 프레임

1300 : 압축부 1410,1420 : 공진스프링

Claims (27)

1. 외측코어와 내측코어 중에서 어느 한 쪽에 코일이 장착되는 스테이터; 및

   상기 스테이터의 자기장에 의해 왕복운동을 하도록 마그네트를 갖는 무버;를 포함하고,

   상기 스테이터는 코일을 중심으로 축방향 일측은 그 외측코어와 내측코어가 서로 연결되고, 상기 코일을 중심으로 축방향 타측은 그 외측코어와 내측코어가 서로 이격되어 마그네트가 왕복운동을 하도록 공극(air gap)이 형성되는 왕복동모터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 코일은 외측코어에 장착되는 왕복동모터.
3. 제2항에 있어서,

   상기 외측코어와 내측코어가 서로 조립되어 형성되는 왕복동모터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 외측코어와 내측코어는 상기 공극의 범위내에서 결합되는 왕복동모터.
5. 제3항에 있어서,

   상기 외측코어와 내측코어는 용접 결합되는 왕복동모터.
6. 제1항에 있어서,

   상기 외측코어와 내측코어는 축방향으로 그 양측에 각각 지지부재가 배치되고, 상기 양측 지지부재가 상기 스테이터의 축방향을 관통하는 체결부재에 의해 결합되어 상기 외측코어와 내측코어를 지지하는 왕복동모터.
7. 제6항에 있어서,

   상기 외측코어와 내측코어는 서로 대응하도록 단차지게 형성되어 결합되는 왕복동모터.
8. 제6항에 있어서,

   상기 양측 지지부재는 적어도 어느 한 쪽이 자성체로 형성되는 왕복동모터.
9. 제1항에 있어서,

   상기 외측코어는 다수 장의 스테이터시트가 평행하게 적층된 수개의 블록이 방사상으로 배열되고, 상기 내측코어는 다수 장의 스테이터시트가 낱장씩 방사상으로 적층되는 왕복동모터.
10. 제1항에 있어서,

    상기 외측코어와 내측코어는 각각 다수 장의 스테이터시트가 방사상으로 적 층되고, 상기 외측코어와 내측코어는 각각 그 내주면을 이루는 다수 장의 스테이터가 서로 접촉되도록 적층되는 왕복동모터.
11. 제1항에 있어서,

    상기 마그네트는 초기위치 또는 운전시 적어도 한 쪽 끝단이 공극의 내부에 위치하도록 배치되는 왕복동모터.
12. 제1항에 있어서,

    상기 마그네트는 공극의 축방향 길이보다는 작지 않게 형성되는 왕복동모터.
13. 제1항에 있어서,

    상기 마그네트는 그 마그네트의 운동방향으로 적어도 한 개 이상이 배치되는 왕복동모터.
14. 제1항에 있어서,

    상기 마그네트는 그 마그네트의 운동방향으로 복수 개가 배치되고, 상기 복수 개의 마그네트는 그 극성이 서로 반대가 되도록 형성되는 왕복동모터.
15. 제1항에 있어서,

    상기 스테이터는 코일이 장착되도록 코일장착홈이 형성되는 제1 자로부와, 상기 제1 자로부의 내측에 위치하는 제2 자로부와, 상기 코일장착홈을 중심으로 그 일측에서 상기 제1 자로부와 제2 자로부를 서로 연결하는 자로연결부와, 상기 코일장착홈을 중심으로 상기 자로연결부의 타측에 형성되고 상기 제1 자로부와 제2 자로부의 사이에 반경방향으로 소정의 간격만큼 이격되는 공극부와, 상기 공극부를 이루는 제1 자로부와 이에 대응되는 제2 자로부의 대응단에 각각 형성되는 폴부로 이루어지는 왕복동모터.
16. 제15항에 있어서,

    상기 코일장착홈은 그 축방향 양측면이 개구측으로 갈수록 좁아지지 않도록 형성되고, 상기 폴부는 그 끝단으로 갈수록 단면적이 넓어지도록 외측면이 경사지게 형성되는 왕복동모터.
17. 제15항에 있어서,

    상기 자로연결부는 상기 공극부의 반경방향 범위 내에 형성되는 왕복동모터.
18. 밀폐용기의 내부에 지지되는 프레임;

    상기 프레임에 고정 설치되고, 외측코어와 내측코어의 사이에 소정의 공극(air gap)을 가지도록 형성되며, 어느 한 쪽 코어에는 자기장을 형성하도록 코일이 감기는 스테이터와, 상기 스테이터의 공극에 배치되는 마그네트를 지지하여 왕복운동을 하는 마그네트 홀더을 포함하는 왕복동모터;

    상기 프레임에 지지되는 실린더;

    상기 실린더에 삽입되고 상기 마그네트 홀더에 결합되어 함께 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 피스톤; 및

    상기 피스톤의 전후 양측면과 이에 대응되는 프레임 사이에 배치되어 상기 피스톤을 탄력 지지하는 스프링;을 포함하고,

    상기 스테이터는 그 외측코어와 내측코어가 상기 코일을 중심으로 일측은 서로 연결되어 자로를 형성하고, 타측은 서로 이격되어 상기 공극을 형성하는 왕복동식 압축기.
19. 제18항에 있어서,

    상기 스테이터와 접촉되는 부재중에서 적어도 어느 한 개의 부재는 자성체로 형성되는 왕복동식 압축기.
20. 제18항에 있어서,

    상기 프레임, 마그네트 홀더, 실린더, 피스톤 및 스프링 중에서 적어도 어느 한 개의 부재는 자성체로 형성되는 왕복동식 압축기.
21. 제18항에 있어서,

    상기 스테이터는 그 내주면이 상기 스테이터의 양측 면을 지지하는 프레임중에서 어느 한 개의 프레임에 삽입되어 고정되는 왕복동식 압축기.
22. 제18항에 있어서,

    상기 실린더는 어느 한 개의 프레임에 삽입되어 고정되고, 상기 스테이터는 상기 실린더에 삽입되어 고정되는 왕복동식 압축기.
23. 제21항 또는 제22항에 있어서,

    상기 실린더는 상기 스테이터의 축방향 내부에 배치되는 왕복동식 압축기.
24. 제21항 또는 제22항에 있어서,

    상기 실린더는 상기 스테이터의 축방향 외부에 배치되는 왕복동식 압축기.
25. 제18항에 있어서,

    상기 마그네트 홀더와 피스톤에는 스프링서포터가 결합되고, 상기 스프링서포터의 양측에 각각 복수 개씩의 스프링이 설치되는 왕복동식 압축기.
26. 제25항에 있어서,

    상기 스프링서포터는 자성체로 형성되는 왕복동식 압축기.
27. 제18항에 있어서,

    상기 스프링은 상기 피스톤의 전후 양측에 각각 한 개씩 배치되는 왕복동식 압축기.

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