KR100425844B1 - 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치에 관한 것으로, 본 발명은 전원에 의해 직선 왕복 구동력을 발생시키는 왕복동식 모터의 가동자와, 그 가동자와 연결됨과 아울러 가스가 압축되는 실린더에 결합되어 상기 왕복동식 모터의 구동력을 전달받아 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 가동자 및 피스톤을 탄성 지지하는 공진 스프링유닛과, 상기 피스톤과 그에 결합되는 가동자 및 공진 스프링 유닛을 체결함과 아울러 상기 가동자와 피스톤 그리고 공진 스프링유닛으로 구성되는 공진 시스템의 질량을 조절하도록 서로 질량이 다른 다수개의 질량 조절용 체결볼트 및 체결볼트를 포함하도록 구성하여 상기 왕복동식 모터의 구동력에 의해 함께 직선 왕복 운동하는 가동자와 피스톤과 스프링 지지대 그리고 그 구성부품을 체결하는 체결볼트 및 질량 조절용 체결볼트로 구성되는 무빙 매스와 그 무빙 매스를 탄성 지지하는 공진 스프링으로 구성되는 공진 시스템의 주파수를 그 구성 부품을 체결하는 질량 조절용 체결볼트로 조절 가능하게 함으로써 그 공진 시스템의 주파수와 전원 주파수를 일치하도록 하여 정확한 운전 제어를 이루게 할 뿐만 아니라 압축기 운전을 안정되게 할 수 있도록 한 것이다.

Description

왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치{APPARATUS FOR CONTROLLING FREQUENCY OF MOVING MASS IN RECIPROCATING COMPRESSOR}

본 발명은 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치에 관한 것으로, 특히 왕복동식 모터의 가동자와 그 가동자와 함께 움직이는 피스톤을 포함하여 구성되는 무빙 매스와 그 무빙 매스를 탄성 지지하는 공진 스프링들로 구성되는 공진 시스템의 공진 주파수를 설정된 주파수로 조절 가능하도록 하여 정확한 운전 주파수를 유지할 수 있도록 한 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 유체를 압축하는 기기이다. 상기 압축기는 가스를 압축하는 방식에 따라 회전식 압축기, 스크롤 압축기, 왕복동식 압축기 등 여러 종류가 있다.

도 1은 본 출원인이 연구 개발 중인 왕복동식 압축기의 일예를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 용기(10)와 그 용기(10)의 내부에 장착되어 직선 왕복 구동력을 발생시키는 왕복동식 모터(20)와, 상기 모터(20)의 양측을 각각 지지하는 후방 프레임(30) 및 중간 프레임(40)과, 상기 중간 프레임(40)에 이어 결합되는 전방 프레임(50)과, 상기 왕복동식 모터(20)와 소정의 거리를 두도록 상기 전방 프레임(50)에 고정 결합되는 실린더(60)와, 상기 왕복동식 모터(20)와 연결됨과 아울러 상기 실린더(60)에 삽입되어 그 왕복동식 모터(20)의 직선 왕복 구동력을 전달받아 상기 실린더(60) 내부에서 직선 왕복 운동하는 피스톤(70)과, 상기 실린더(60) 및 피스톤(70)에 결합되어 그 피스톤(70)의 왕복 운동에 의해 발생되는 압력 차에 의해 상기 실린더(60) 내부로 가스를 흡입시키고 토출시키는 밸브유닛(80)과, 상기 왕복동식 모터(20) 및 피스톤(70)의 직선 왕복 운동을 탄성 지지하는 공진 스프링유닛(90)을 포함하여 구성되어 있다.

상기 왕복동식 모터(20)는 원통 형태로 형성되어 후방 프레임(30) 및 중간 프레임(40)에 고정 결합되는 아우터 스테이터(21)와 상기 아우터 스테이터(21)에 일정 간격을 두고 삽입되는 이너 스테이터(22)와 상기 아우터 스테이터(21)에 결합되는 권선 코일(23)과 상기 아우터 스테이터(21)와 이너 스테이터(22)사이에 직선 왕복 운동 가능하게 삽입되는 가동자( A)를 포함하여 구성되어 있다.

상기 가동자(A)는 원통 형태로 형성되는 자석 홀더(24)와 그 자석 홀더(24)에 일정 간격을 두고 결합되는 다수개의 영구자석(25)으로 구성되며 그 자석 홀더(24)는 상기 피스톤(70)과 연결되어 있다.

상기 밸브유닛(80)은 상기 실린더(60)의 압축공간(P)을 복개하는 토출커버(81)와 그 토출커버(81)의 내부에 위치하여 상기 실린더(60)의 압축공간(P)을 개폐하는 토출밸브(82)와 상기 토출밸브(82)를 탄성 지지하는 밸브스프링(83)과 상기 피스톤(70)의 단부에 결합되어 그 피스톤(70) 내부에 형성된 흡입유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(84)를 포함하여 구성되어 있다.

상기 공진 스프링유닛(90)은 소정의 면적을 갖도록 절곡 형성되는 스프링 지지대(91)가 상기 전방 프레임(50)과 중간 프레임(40)사이에 위치하도록 상기 피스톤(70)의 일측에 결합되고 상기 전방 프레임(50)과 스프링 지지대(91)사이에 전방 스프링(92)이 삽입되고 상기 스프링 지지대(91)와 중간 프레임(40)사이에 후방 스프링(93)이 삽입되어 이루어진다.

그리고 상기 자석 홀더(24)와 상기 스프링 지지대(91) 그리고 상기 피스톤(70)이 결합되는 구조는, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 피스톤(70)의 일측에 다수개의 암나사공(71)이 형성되고 상기 자석 홀더(24)와 스프링 지지대(91)에 상기 피스톤(70)의 암나사공(71)과 상응하는 다수개의 관통공(24a)(91a)이 형성되어 그 피스톤(70)의 암나사공(71)에 자석 홀더(24)의 관통공(24a) 및 스프링 지지대(91)의 관통공(91a)이 각각 일치된 상태에서 체결볼트(100)가 체결된다. 상기 피스톤(70)과 자석 홀더(24) 그리고 스프링 지지대(91)를 체결하는 다수개의 체결볼트(100)는 각각 동일 형상과 질량을 갖도록 형성된다. 즉, 그 체결볼트(100)들은 그 볼트 머리와 볼트 길이 등이 같게 형성된다.

미설명 부호 1은 흡입관이고, 2는 토출관이다.

상기한 바와 같은 왕복동식 압축기의 작동은 먼저 상기 왕복동식 모터(20)에 전원이 공급되어 권선 코일(23)에 전류가 흐르게 되면 그 권선 코일(23)에 흐르는 전류에 의해 상기 아우터 스테이터(21)와 이너 스테이터(22)에 형성되는 플럭스와 영구자석(25)의 상호작용에 의해 그 영구자석(25)을 포함하는 가동자(A)가 직선 왕복 운동하게 된다. 상기 가동자(A)의 직선 왕복 구동력이 상기 피스톤(70)에 전달되어 그 피스톤(70)이 실린더 압축공간(P)에서 직선 왕복 운동함과 동시에 상기 밸브유닛(80)이 작동하면서 가스가 실린더 압축공간(P)으로 흡입되고 압축되어 토출되는 과정을 반복하게 된다.

그리고 상기 공진 스프링유닛(90)을 구성하는 전방 스프링(91)과 후방 스프링(92)은 상기 피스톤(70)이 직선 왕복 운동함에 따라 인장과 압축이 반복되면서 상기 왕복동식 모터(20)의 직선 왕복 운동력을 탄성에너지로 저장 방출함과 아울러 공진 운동을 유발시키게 된다.

즉, 상기 왕복동식 모터(20)의 가동자(A)와 상기 피스톤(70)과 상기 스프링 지지대(91) 그리고 그 구성부품을 체결하는 다수개의 체결볼트(100)는 직선 왕복 운동을 하는 가동부, 즉 무빙 매스(Moving Mass)를 이루게 되고 상기 공진 스프링유닛(90)을 구성하는 전방 스프링(91)과 후방 스프링(92)은 공진 스프링(K)을 이루게 되어 공진 시스템을 구성하게 되며 그 공진 시스템의 주파수는 운전 제어를 위하여 상기 왕복동식 모터(20)의 운전 주파수와 대략 일치시키게 된다.

그러나 상기한 바와 같은 왕복동식 압축기는 공진 시스템의 무빙 매스를 구성하는 왕복동식 모터(20)의 가동자(A)와 피스톤(70)과 스프링 지지대(91) 그리고 다수개의 체결볼트(100) 등의 부품들이 가공상의 오차나 재질상의 오차로 인하여 설정된 매스, 즉 질량을 이루지 못하게 될 경우 그 공진 시스템의 주파수가 전원 주파수와 일치하지 못하게 되어 운전 제어가 정확히 이루어지지 않을 뿐만 아니라 운전이 불안정하게 되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 왕복동식 모터의 가동자와 그 가동자와 함께 움직이는 피스톤을 포함하여 구성되는 무빙 매스와 그 무빙 매스를 탄성 지지하는 공진 스프링들로 구성되는 공진 시스템의 공진 주파수를 설정된 주파수로 조절 가능하도록 하여 정확한 운전 주파수를 유지할 수 있도록한 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치를 제공함에 있다.

도 1은 현재 개발진행 중인 왕복동식 압축기를 도시한 단면도,

도 2는 상기 왕복동식 압축기를 구성하는 가동부를 분해하여 도시한 단면도,

도 3은 본 발명의 왕복동식 압축기 공진 주파수 조절장치가 구비된 왕복동식 압축기의 단면도,

도 4는 본 발명의 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치를 각각 도시한 단면도,

도 5는 본 발명의 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치의 변형예를 각각 도시한 단면도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

20 ; 왕복동식 모터 60 ; 실린더

70 ; 피스톤 90 ; 공진 스프링유닛

200 ; 체결볼트 210 ; 질량 조절용 체결볼트

A ; 가동자

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전원에 의해 직선 왕복 구동력을 발생시키는 왕복동식 모터의 가동자와, 그 가동자와 연결됨과 아울러 가스가 압축되는 실린더에 결합되어 상기 왕복동식 모터의 구동력을 전달받아 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 가동자 및 피스톤을 탄성 지지하는 공진 스프링유닛과, 상기 피스톤과 그에 결합되는 가동자 및 공진 스프링 유닛을 체결함과 아울러 상기 가동자와 피스톤 그리고 공진 스프링유닛으로 구성되는 공진 시스템의 질량을 조절하도록 질량이 다른 하나 이상의 질량 조절용 체결볼트를 포함하는 다수개의 체결볼트를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치가 제공된다.

이하, 본 발명의 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치를 첨부도면에 도시한 실시례에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 3은 상기 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치의 실시예가 구비된 왕복동식 압축기를 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 먼저 상기 왕복동식 압축기는 소정의 내부 공간을 갖는 용기(10)의 내부에 직선 왕복 구동력을 발생시키는 왕복동식 모터(20)가 장착되고 그 왕복동식 모터(20)의 양측에 후방 프레임(30)과 중간 프레임(50)이 결합된다.

상기 왕복동식 모터(20)는 원통 형태로 형성되어 후방 프레임(30) 및 중간 프레임(40)에 고정 결합되는 아우터 스테이터(21)와 상기 아우터 스테이터(21)에일정 간격을 두고 삽입되는 이너 스테이터(22)와 상기 아우터 스테이터(21)에 결합되는 권선 코일(23)과 상기 아우터 스테이터(21)와 이너 스테이터(22)사이에 직선 왕복 운동 가능하게 삽입되는 가동자(A)를 포함하여 구성된다.

상기 가동자(A)는 원통 형태로 형성되는 자석 홀더(24)와 그 자석 홀더(24)에 일정 간격을 두고 결합되는 다수개의 영구자석(25)으로 구성된다.

그리고 상기 중간 프레임(40)에 이어 소정 형상으로 형성된 전방 프레임(50)이 결합되고 그 전방 프레임(50)에 관통 형성된 관통구멍에 실린더(60)가 결합되며 그 실린더(60) 내부에 피스톤(70)이 삽입되고 그 피스톤(70)은 상기 왕복동식 모터(20)를 구성하는 가동자의 자석 홀더(24)와 연결된다.

상기 피스톤(70)이 삽입되는 실린더(60)의 내부는 압축공간(P)을 형성하게 되고 상기 실린더(60)는 상기 왕복동식 모터(20)와 일정 간격을 두고 위치하게 된다.

그리고 상기 전방 프레임(50)과 중간 프레임(40)사이에 상기 왕복동식 모터(20)의 가동자(A)와 피스톤(70)의 움직임을 탄성 지지하는 공진 스프링유닛(90)이 구비된다.

상기 공진 스프링유닛(90)은 소정의 면적을 갖도록 절곡 형성되어 상기 전방 프레임(50)과 중간 프레임(40)사이에 위치하도록 그 일측이 상기 피스톤(70)에 결합되는 스프링 지지대(91)와, 상기 전방 프레임(50)과 스프링 지지대(91)사이에 위치하는 전방 스프링(94)과, 상기 전방 스프링(94)의 탄성 계수보다 큰 탄성 계수를 갖도록 형성되어 상기 스프링 지지대(91)와 중간 프레임(40)사이에 위치하는 후방스프링(95)을 포함하여 구성된다.

상기 피스톤(70)과 가동자의 자석 홀더(24)와 그리고 공진 스프링유닛(90)이 결합되는 구조는, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 피스톤(70)의 일측, 즉 피스톤(70)의 플랜지부에 다수개의 암나사공(71)이 형성되고 상기 자석 홀더(24)의 일측에 상기 피스톤(70)의 암나사공(71)과 상응하는 다수개의 관통공(24a)이 형성되며 상기 공진 스프링유닛의 스프링 지지대(91)의 일측에 상기 피스톤(70)의 암나사공(71)과 상응하는 다수개의 관통공(91a)이 형성되고 상기 피스톤(70)의 암나사공(71)에 상기 자석 홀더(24)의 관통공(24a)이 일치됨과 아울러 상기 스프링 지지대(91)의 관통공(91a)이 일치되며 그 일치된 암나사공(71)과 관통공(24a)(91a)들에 다수개의 체결볼트(200)와 그 체결볼트(200)와 질량이 다른 질량 조절용 체결볼트(210)가 체결되어 이루어진다.

즉, 상기 질량 조절용 체결볼트(210)는 하나 또는 하나 이상으로 구성되며 그 질량 조절용 체결볼트(210)는 상기 체결볼트(200)보다 길이(L)가 다르게 형성됨에 의해 그 질량 조절용 체결볼트(210)의 질량이 체결볼트(200)의 질량과 서로 다르게 된다. 만일, 상기 피스톤(70)과 자석 홀더(24) 그리고 스프링 지지대(91)를 체결하는 체결볼트(200) 및 질량 조절용 체결볼트(210)가 여섯 개가 사용된다면 그 다섯 개는 체결볼트(200)이고 나머지 하나는 질량 조절용 체결볼트(210)이다. 상기 질량 조절용 체결볼트(210)는 체결볼트(200)와 그 나사산의 치수 및 그 나사 머리의 크기는 같으나 그 길이가 다르게 형성된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예로, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 질량 조절용 체결볼트(210)는 상기 체결볼트(200)보다 볼트 머리 크기(D)가 다르게 형성됨에 의해 그 질량 조절용 체결볼트(210)의 질량이 상기 체결볼트(200)의 질량보다 다르게 된다. 만일, 상기 피스톤(70)과 자석 홀더(24) 그리고 스프링 지지대(91)를 체결하는 체결볼트(200) 및 질량 조절용 체결볼트(210)가 여섯 개가 사용된다면 그 다섯 개는 체결볼트(200)이고 나머지 하나는 질량 조절용 체결볼트(210)이다. 상기 질량 조절용 체결볼트(210)는 체결볼트(200)와 그 나사산의 치수 및 그 길이는 같으나 그 볼트 머리의 크기가 다르게 형성된다.

또한, 본 발명의 또다른 실시예로 상기 질량 조절용 체결볼트(210)는 상기 체결볼트(200)보다 그 볼트 머리 크기와 볼트 길이를 함께 다르게 하여 서로의 질량이 다르도록 형성하게 된다.

상기 왕복동식 모터 가동자(A)와 상기 피스톤(70)과 상기 공진 스프링유닛의 스프링 지지대(91) 그리고 그 부품들은 체결하는 체결볼트(200) 및 질량 조절용 체결볼트(210)가 상기 왕복동식 모터(20)의 구동력에 의해 움직이는 가동부, 즉 무빙 매스를 이루게 되고 상기 공진 스프링유닛(90)을 구성하는 전방 스프링(91)과 후방 스프링(92)은 공진 스프링을 이루게 되어 그 가동부와 공진 스프링이 공진 시스템을 구성하게 된다.

그리고 상기 피스톤(70)이 실린더(60) 내부에서 직선 왕복 운동함에 의해 발생되는 압력 차에 의해 상기 실린더(60) 내부로 가스를 흡입시키고 토출시키는 밸브유닛(80)이 상기 실린더(60)와 피스톤(70)에 결합된다.

상기 밸브유닛(80)은 상기 실린더(60)의 압축공간(P)을 복개하는토출커버(81)와 그 토출커버(81)의 내부에 위치하여 상기 실린더(60)의 압축공간(P)을 개폐하는 토출밸브(82)와 상기 토출밸브(82)를 탄성 지지하는 밸브스프링(83)과 상기 피스톤(70)의 단부에 결합되어 그 피스톤(70) 내부에 형성된 흡입유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(84)를 포함하여 구성된다.

미설명 부호 1은 흡입관이고, 2는 토출관이다.

이하, 본 발명의 왕복동식 압축기 공진 주파수 조절장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저 상기 왕복동식 압축기의 작동은 상기 왕복동식 모터(20)에 전원이 공급되어 권선 코일(33)에 전류가 흐르게 되면 그 권선 코일(33)에 흐르는 전류에 의해 상기 아우터 스테이터(31)와 이너 스테이터(32)에 형성되는 플럭스와 영구자석(35)의 상호작용에 의해 그 영구자석(35)을 포함하는 가동자(A)가 직선 왕복 운동하게 된다.

상기 가동자(A)의 직선 왕복 구동력이 상기 피스톤(70)에 전달되어 그 피스톤(70)이 실린더 압축공간(P)에서 직선 왕복 운동함과 동시에 상기 밸브유닛(80)이 작동하면서 가스가 실린더 압축공간(P)으로 흡입되고 압축되어 토출되는 과정을 반복하게 된다.

그리고 상기 공진 스프링유닛(90)을 구성하는 전방 스프링(91)과 후방 스프링(92)은 상기 피스톤(70)이 직선 왕복 운동함에 따라 인장과 압축이 반복되면서 상기 왕복동식 모터(20)의 직선 왕복 운동력을 탄성에너지로 저장 방출함과 아울러 공진 운동을 유발시키게 된다.

이때, 상기 왕복동식 모터의 가동자(A)와 피스톤(70)과 스프링 지지대(91) 그리고 체결볼트(200) 및 질량 조절용 체결볼트(210)로 구성되는 가동부와 상기 공진 스프링유닛의 전방 스프링(92)과 후방 스프링(93)으로 이루어지는 공진 스프링으로 구성되는 공진 시스템의 주파수가 설정된 왕복동식 모터(20)의 전원 주파수로 출력되지 않을 경우, 즉 전원 주파수와 공진되지 않을 경우 상기 공진 스프링을 일정한 상태로 유지시킨 상태에서 상기 무빙 매스를 구성하는 하나 또는 하나이상의 질량 조절용 체결볼트(210)를 조절함에 의해 그 무빙 매스의 질량을 조절하여 공진 시스템의 주파수를 설정된 주파수로 튜닝(Tuning)하게 된다.

즉, 체결볼트(200)와 질량 조절용 체결볼트(210)가 체결된 상태에서 그 무빙 매스의 질량이 작을 경우 그 체결된 질량 조절용 체결볼트(210) 중 한 개 또는 한 개 이상의 질량 조절용 체결볼트(210)를 질량이 더 큰 질량 조절용 체결볼트(210)로 교체함에 의해 그 무빙 매스의 질량을 조절하여 그 공진 시스템의 주파수를 운전 주파수와 공진되도록 일치시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치는 왕복동식 모터의 구동력에 의해 함께 직선 왕복 운동하는 가동자와 피스톤과 스프링 지지대 그리고 그 구성부품을 체결하는 다수개의 체결볼트 및 질량 조절용 체결볼트로 구성되는 무빙 매스와 그 무빙 매스를 탄성 지지하는 공진 스프링으로 구성되는 공진 시스템의 주파수를 그 구성 부품을 체결하는 질량 조절용 체결볼트로 조절하여 그 공진 시스템의 주파수와 전원 주파수가 일치되도록 튜닝 가능하게 됨으로써 정확한 운전 제어가 이루어질 뿐만 아니라 운전이 안정되어 압축기의 효율 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 전원에 의해 직선 왕복 구동력을 발생시키는 왕복동식 모터의 가동자와, 그 가동자와 연결됨과 아울러 가스가 압축되는 실린더에 결합되어 상기 왕복동식 모터의 구동력을 전달받아 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 가동자 및 피스톤을 탄성 지지하는 공진 스프링유닛과, 상기 피스톤과 그에 결합되는 가동자 및 공진 스프링 유닛을 체결함과 아울러 상기 가동자와 피스톤 그리고 공진 스프링유닛으로 구성되는 공진 시스템의 질량을 조절하도록 질량이 다른 하나 이상의 질량 조절용 체결볼트를 포함하는 다수개의 체결볼트를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 질량이 다른 하나 이상의 질량 조절용 체결볼트는 다른 체결볼트와 길이가 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 질량이 다른 하나 이상의 질량 조절용 체결볼트는 다른 체결볼트와 볼트 머리 크기가 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 공진 주파수 조절장치.