KR100498317B1 - 왕복동식 압축기의 사체적 방지 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치에 관한 것으로, 본 발명은 프레임에 고정 설치하고 가동자가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동식 모터와, 왕복동식 모터의 가동자에 결합하고 공진스프링으로 탄력 지지하여 함께 왕복운동을 하는 피스톤과, 프레임의 실린더구멍에 피스톤운동방향으로 미끄러지게 삽입 결합하고 그 내부에 상기한 피스톤이 미끄러지도록 삽입하여 압축실을 형성하는 실린더와, 피스톤의 선단면에 설치하여 냉매가스의 흡입을 제한하는 흡입밸브와, 실린더의 선단면에 배치하여 냉매가스의 토출을 제한하는 토출밸브와, 토출밸브를 수용하여 실린더의 토출측을 복개하는 토출커버와, 토출밸브와 토출커버 사이에 설치하여 상기한 토출밸브를 탄력적으로 지지하는 밸브스프링과, 프레임과 실린더 사이에 설치하여 전원 인가시 자력을 발생하여 실린더의 초기위치를 피스톤의 스트로크 거리에 따라 피스톤운동방향으로 가변시키는 실린더위치가변수단을 포함함으로써, 실린더의 초기위치를 압축기의 용량과 이에 따른 피스톤의 스트로크 거리에 대응하도록 조절하여 피스톤이 항상 실린더의 상사점까지 균일하게 전진운동을 하도록 하여 피스톤과 토출밸브 사이에 발생할 수 있는 사체적을 효과적으로 방지하고 이를 통해 모터에 인가하는 입력전압 대비 모터효율을 높일 수 있다.

Description

왕복동식 압축기의 사체적 방지 구조{STRUCTURE FOR PROTECTING DEAD VOLUM OF RECIPROCATING COMPRESSOR}

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 실린더를 피스톤의 스트로크에 따라 피스톤방향으로 이동시켜 사체적을 방지하도록 하는 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치에 관한 것이다.

일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤이 선형으로 움직이면서 가스를 흡입 압축하는 것으로, 이러한 왕복동식 압축기는 크게 구동모터의 회전운동을 피스톤의 왕복운동으로 전환시켜 가스를 흡입 압축하는 방식과 구동모터가 직선으로 왕복운동을 하면서 피스톤을 왕복운동시켜 가스를 흡입 압축하는 방식이 있다.

도 1은 후자에 속하는 종래 왕복동식 압축기의 일례를 보인 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이 종래의 왕복동식 압축기는 가스흡입관(SP) 및 가스토출관(DP)을 연통 설치하는 케이싱(10)과, 케이싱(10)의 내부에 탄력적으로 설치하는 프레임 유니트(20)와, 프레임 유니트(20)에 고정하여 가동자(33)가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동식 모터(30)와, 왕복동식 모터(30)의 가동자(33)에 결합하여 상기한 프레임 유니트(20)로 지지하는 압축 유니트(40)와, 왕복동식 모터(30)의 가동자(33)를 운동방향으로 탄력 지지하여 공진운동을 유도하는 공진스프링 유니트(50)로 구성하고 있다.

프레임 유니트(20)는 압축 유니트(40)를 지지하는 전방프레임(21)과, 전방프레임(21)에 결합하여 왕복동식 모터(30)의 전방측을 지지하는 중간프레임(22)과, 중간프레임(22)에 결합하여 왕복동식 모터(30)의 후방측을 지지하는 후방프레임(23)으로 이루어져 있다.

왕복동식 모터(30)는 중간프레임(22)과 후방프레임(23) 사이에 설치하는 외측고정자(31)와, 외측고정자(31)와 일정 간격을 두고 결합하여 후방프레임(21)에 삽입 고정하는 내측고정자(32)와, 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에 설치하여 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(33)로 이루어져 있다.

압축 유니트(40)는 전방프레임(21)의 실린더구멍(21a)에 압입하는 실린더(41)와, 왕복동식 모터(30)의 가동자(33)에 결합하여 실린더(41)의 압축공간(P)에서 왕복운동을 하는 피스톤(42)과, 피스톤(42)의 선단에 장착하여 그 피스톤(42)의 흡입유로(F)를 개폐하면서 냉매가스의 흡입을 제한하는 흡입밸브조립체(43)와, 실린더(41)의 토출측에 장착하여 압축공간(P)을 개폐하면서 압축가스의 토출을 제한하는 토출밸브 조립체(44)로 이루어져 있다.

공진스프링 유니트(50)는 가동자(33)와 피스톤(42)의 연결부에 결합하는 스프링 지지대(51)와, 스프링 지지대(51)를 중심으로 그 전방측을 지지하는 전방측 공진스프링(52)과, 스프링 지지대(51)의 후방측을 지지하는 후방측 공진스프링(53)으로 이루어져 있다.

도면중 미설명 부호인 44A는 토출커버, 44B는 토출밸브, 44C는 밸브스프링이다.

상기와 같은 종래 왕복동식 압축기는 다음과 같이 동작한다.

즉, 왕복동식 모터(30)에 전원을 인가하여 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에 플럭스(flux)를 형성하면, 그 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이의 공극에 놓인 가동자(33)가 플럭스의 방향에 따라 움직이면서 공진스프링 유니트(50)에 의해 지속적으로 왕복운동을 하고, 이와 함께 피스톤(42)이 실린더(41)의 내부에서 왕복운동을 하면서 압축공간(P)의 체적이 변화하여 냉매가스를 압축공간으로 흡입 압축하였다가 토출하는 일련의 과정을 반복한다.

이때, 진동체인 피스톤(42)이 상기한 공진스프링 유니트(50)에 의해 전후방향으로 지지되어 구동시 부하의 크기에 따라 입력전압을 가감하여 스트로크를 가변함으로써 불필요한 소비전력을 낮추고자 하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기에 있어서는, 실린더(41)를 전방프레임(21)에 고정 설치함에 따라 피스톤(42)의 스트로크를 줄이는 경우 압축공간(P)에 사체적이 발생하는 문제점이 있었다. 예컨대, 도 2에서와 같이 정상스트로크 거리(L1)를 왕복하는 경우에는 피스톤(42)이 실린더(41)의 상사점까지 전진함에 따라 이 피스톤(42)의 선단면(보다, 정확하게는 흡입밸브)과 토출밸브(44B) 사이에 사체적이 거의 발생하지 않게 되나, 도 3에서와 같이 스트로크 거리(L2)를 줄이는 저용량운전일 경우에는 피스톤(42)이 실린더(41)의 상사점까지 전진하지 않아 사체적(A)이 발생함에 따라 입력 대비 모터효율의 저하를 야기하는 것이었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 피스톤이 상사점까지 전진하지 않는 저용량 운전의 경우에도 사체적이 발생하는 않도록 하는 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 프레임에 고정 설치하고 가동자가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동식 모터와, 왕복동식 모터의 가동자에 결합하고 공진스프링으로 탄력 지지하여 함께 왕복운동을 하는 피스톤과, 프레임의 실린더구멍에 피스톤운동방향으로 미끄러지게 삽입 결합하고 그 내부에 상기한 피스톤이 미끄러지도록 삽입하여 압축실을 형성하는 실린더와, 피스톤의 선단면에 설치하여 냉매가스의 흡입을 제한하는 흡입밸브와, 실린더의 선단면에 배치하여 냉매가스의 토출을 제한하는 토출밸브와, 토출밸브를 수용하여 실린더의 토출측을 복개하는 토출커버와, 토출밸브와 토출커버 사이에 설치하여 상기한 토출밸브를 탄력적으로 지지하는 밸브스프링과, 프레임과 실린더 사이에 설치하여 전원 인가시 자력을 발생하여 실린더의 초기위치를 피스톤의 스트로크 거리에 따라 피스톤운동방향으로 가변시키는 실린더위치가변수단을 포함한 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명 왕복동식 압축기의 일례를 보인 단면도이고, 도 5는 본 발명 왕복동식 압축기의 압축기구부를 분해하여 보인 사시도이며, 도 6 및 도 7은 본 발명 왕복동식 압축기에서 스트로크의 변화에 따른 실린더와 피스톤 사이의 이론적 상관관계를 보인 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 케이싱(10)의 내부에 탄력 설치하는 프레임 유니트(20)와, 이 프레임 유니트(20)에 고정하는 왕복동식 모터(30)와, 이 왕복동식 모터(30)와 함께 왕복운동을 하면서 냉매가스를 압축하는 압축 유니트(40)와, 이 압축 유니트(40)의 공진운동을 유지하는 공진스프링 유니트(50)와, 압축 유니트(40)의 실린더 초기위치를 피스톤(42)의 스트로크 거리에 따라 가변하는 실린더위치 가변유니트(100)를 포함한다.

프레임 유니트(20)는 압축 유니트(40)를 지지하는 전방프레임(21)과, 왕복동식 모터(30)를 사이에 두고 그 양측에 결합하는 중간프레임(22) 및 후방프레임(23)으로 이루어진다.

왕복동식 모터(30)는 중간프레임(22)과 후방프레임(23) 사이에 설치하는 외측고정자(31)와, 외측고정자(31)와 일정 간격을 두고 결합하여 후방프레임(23)에 삽입 고정하는 내측고정자(32)와, 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에 설치하여 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(33)로 이루어진다.

압축 유니트(40)는 전방프레임(21)의 실린더구멍(21a)에 피스톤운동방향으로 미끄러지게 삽입하는 실린더(41)와, 왕복동식 모터(30)의 가동자(33)에 결합하여 실린더(41)의 압축공간(P)에서 왕복운동을 하는 피스톤(42)과, 피스톤(42)의 선단에 장착하여 그 피스톤(42)의 흡입유로(F)를 개폐하면서 냉매가스의 흡입을 제한하는 흡입밸브(43)와, 실린더(41)의 토출측에 장착하여 압축공간(P)을 개폐하면서 압축가스의 토출을 제한하는 토출밸브 조립체(44)로 이루어진다.

토출밸브조립체(44)는 실린더(41)의 토출측을 복개하는 토출커버(44A)와, 이 토출커버(44A)의 내부에 수용하여 상기한 실린더(41)의 토출측에 착탈 가능하게 배치하는 토출밸브(44B)와, 토출밸브(44B)의 압축배면을 지지하여 토출커버(44A)에 고정하는 밸브스프링(44C)으로 이루어진다.

공진스프링 유니트(50)는 가동자(33)와 피스톤(42)의 연결부에 결합하는 스프링 지지대(51)와, 스프링 지지대(51)를 중심으로 그 전방측을 지지하는 전방측 공진스프링(52)과, 스프링 지지대(51)의 후방측을 지지하는 후방측 공진스프링(53)으로 이루어진다.

실린더위치 가변유니트(100)는 전방프레임(21)의 선단면에 설치하여 일정한 극성을 가지는 전자석(110)과, 이 전자석(110)과 동일 극성을 가지고 상기한 전방프레임(21)의 선단면에 안착하는 실린더(41)의 플랜지(41a) 후방면에 결합하는 영구자석(120)과, 영구자석(120)의 맞은편인 실린더(41)의 플랜지 전방면와 토출커버(44A) 사이에 개재하여 상기한 실린더(41)를 탄력적으로 지지하는 실린더지지용 스프링(130)과, 전방프레임(21)의 실린더구멍(21a) 내주면에 압입하여 실린더(41)의 외주면에 미끄러지게 결합하는 보조프레임(140)으로 이루어진다.

전자석(110)은 환형 또는 원호형으로 형성하여 전방프레임(21)의 선단면에 설치하되 경우에 따라서는 보조프레임(140)의 선단면에 설치할 수도 있다.

또, 전자석(110)에 인가하는 전원은 왕복동식 모터(30)에 인가하는 전원의 일부를 공유하도록 하거나 또는 별도의 전원공급부(미도시)를 부가하여 상호 독립적으로 전원을 공급하도록 할 수도 있다.

영구자석(120)은 전자석(110)에 전원을 인가할 때 척력을 발생하도록 상기한 전자석(110)의 극성과 같은 극성을 가지는 것이 바람직하다. 이 영구자석(120) 역시 환형 또는 원호형으로 형성하여 실린더(41)의 플랜지(41a) 후방면에 설치한다.

여기서, 전자석(110)과 영구자석(120)의 위치를 서로 바꿔 설치할 수도 있다.

또, 도면으로 도시하지는 않았으나 영구자석(120)을 대신하여 상기한 전방프레임(21)에 제1 전자석을 설치하고, 이에 대향하는 실린더에는 상기 제1 전자석과 동일 극성을 가지는 제2 전자석을 설치할 수도 있다.

실린더지지용 스프링(130)은 원추형인 밸브스프링(44C)과는 달리 원통형 압축코일스프링으로 형성하여 상기 밸브스프링(44C)의 바깥쪽에 위치하는 것이 바람직하다. 또, 이를 위하여는 토출커버(44A)의 토출공간(D) 중간에 단차진 스프링지지부(44a)를 형성하여 상기한 밸브스프링(44C)과 별도로 지지하는 것이 바람직하다.

보조프레임(140)은 일종의 슬리브 역할을 하는 것으로 대략 전방프레임(21)의 실린더구멍(21a)에 압입하여 고정하는 것이 바람직하다. 또, 왕복동식 모터(30)의 플럭스 누설이나 전자석(110) 또는 영구자석(120)에 의해 자화되는 것을 방지하도록 비자성이고 비전도성인 것이 바람직하며 그 내주면에 실린더(41)가 원활하게 미끄러지도록 자기윤활성질을 가지는 재질로 형성하는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 왕복동식 모터(30)에 전원을 인가하여 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에 플럭스(flux)를 형성하면, 가동자(33)가 플럭스의 방향에 따라 움직이면서 공진스프링 유니트(50)에 의해 지속적으로 왕복운동을 하고, 이와 함께 피스톤(42)이 실린더(41)의 내부에서 왕복운동을 하면서 냉매가스를 압축공간(P)으로 흡입 압축하였다가 토출한다.

여기서, 냉동시스템의 필요에 따라 피스톤(42)의 스트로크 거리를 조절하여 압축기를 용량을 가변하게 된다.

먼저, 도 6에서와 같이 피스톤(42)의 스트로크 거리(L3)를 실린더의 최초위치로 고정한 정상운전인 경우에는 전자석(110)으로 인가되는 전원을 단선시켜 실린더(41)가 실린더지지용 스프링(130)에 밀려 전방프레임(21)의 선단면(보다 정확하게는, 전자석이 영구자석)에 밀착하도록 한다. 이와 동시에 왕복동식 모터(30)에 가하는 입력전압을 조절하여 피스톤(42)이 실린더(41)의 상사점까지 전진하도록 함으로써 피스톤(42)의 선단면(흡입밸브조립체의 선단면)과 토출밸브(44B) 사이의 압축공간이 실체적이 되도록 하고 이를 통해 모터에 공급하는 입력전압 대비 모터효율을 높일 수 있다.

반면, 도 7에서와 같이 피스톤(42)의 스트로크 거리(L3)를 전자석(110)과 영구자석(120) 사이의 간격(t)만큼 늘리는 고용량운전인 경우에는 전자석(110)에 전원을 인가하여 전자석(110)이 영구자석(120)과 동일한 극성을 띠도록 함으로써 전자석(110)과 영구자석(120) 사이에 척력이 발생하도록 한다. 이로 인해 실린더(41)가 상기한 전자석(110)과 영구자석(120) 사이의 척력에 의해 실린더지지용 스프링(130)의 탄성을 이기면서 일정 간격(t)만큼 토출커버(44A)쪽으로 밀려난다. 이와 동시에 왕복동식 모터(30)에 가하는 입력전압을 높여 피스톤(42)이 실린더(41)의 상사점까지 전진하도록 한다. 이 경우에도 피스톤(42)의 선단면(흡입밸브조립체의 선단면)과 토출밸브(44B) 사이의 압축공간이 실체적이 되어 모터에 공급하는 입력전압의 효율을 높일 수 있다.

이렇게, 실린더의 초기위치를 압축기의 용량과 이에 따른 피스톤의 스트로크 거리에 대응하도록 조절함으로써 피스톤이 항상 실린더의 상사점까지 일정하게 전진운동을 하도록 하여 피스톤과 토출밸브 사이에 사체적이 발생하지 않도록 하는 것이다.

본 발명에 의한 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치는, 실린더를 프레임에 이동 가능하게 결합하고, 실린더와 프레임 사이에 전자석과 영구자석을 대응 구비함으로써, 실린더의 초기위치를 압축기의 용량과 이에 따른 피스톤의 스트로크 거리에 대응하도록 조절하여 피스톤이 항상 실린더의 상사점까지 균일하게 전진운동을 하도록 하여 피스톤과 토출밸브 사이에 발생할 수 있는 사체적을 효과적으로 방지하고 이를 통해 모터에 인가하는 입력전압 대비 모터효율을 높일 수 있다.

도 1은 종래 왕복동식 압축기의 일례를 보인 단면도,

도 2 및 도 3은 종래 왕복동식 압축기에서 스트로크의 변화에 따른 실린더와 피스톤 사이의 이론적 상관관계를 보인 단면도,

도 4는 본 발명 왕복동식 압축기의 일례를 보인 단면도,

도 5는 본 발명 왕복동식 압축기의 압축기구부를 분해하여 보인 사시도,

도 6 및 도 7은 본 발명 왕복동식 압축기에서 스트로크의 변화에 따른 실린더와 피스톤 사이의 이론적 상관관계를 보인 단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 케이싱 20 : 프레임 유니트

21 : 전방프레임 21a : 실린더장착구멍

30 : 왕복동식 모터 40 : 압축 유니트

41 : 실린더 41a : 플랜지

42 : 피스톤 44 : 토출밸브조립체

44A : 토출커버 44a : 스프링지지부

44B : 토출밸브 44C : 밸브스프링

50 : 공진스프링 유니트 110 : 전자석

120 : 영구자석 130 : 실린더지지용 스프링

140 : 보조프레임

Claims (6)

1. 프레임에 고정 설치하고 가동자가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동식 모터와,

   왕복동식 모터의 가동자에 결합하고 공진스프링으로 탄력 지지하여 함께 왕복운동을 하는 피스톤과,

   프레임의 실린더구멍에 피스톤운동방향으로 미끄러지게 삽입 결합하고 그 내부에 상기한 피스톤이 미끄러지도록 삽입하여 압축실을 형성하는 실린더와,

   피스톤의 선단면에 설치하여 냉매가스의 흡입을 제한하는 흡입밸브와,

   실린더의 선단면에 배치하여 냉매가스의 토출을 제한하는 토출밸브와,

   토출밸브를 수용하여 실린더의 토출측을 복개하는 토출커버와,

   토출밸브와 토출커버 사이에 설치하여 상기한 토출밸브를 탄력적으로 지지하는 밸브스프링과,

   프레임과 실린더 사이에 설치하여 전원 인가시 자력을 발생하여 실린더의 초기위치를 피스톤의 스트로크 거리에 따라 피스톤운동방향으로 가변시키는 실린더위치가변수단을 포함한 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치.
2. 제1항에 있어서,

   실린더위치가변수단은 프레임과 실린더 사이의 대향면 중에서 어느 한 쪽에는 일정한 극성을 가지는 전자석을 설치하는 반면 다른 쪽에는 그와 같은 극성을 가지는 영구자석을 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치.
3. 제1항에 있어서,

   실린더위치가변수단은 프레임과 실린더 사이의 대향면에 서로 같은 극성을 가지는 전자석을 각각 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치.
4. 제2항 또는 제3항의 어느 한 항에 있어서,

   실린더의 선단면과 이에 대응하는 토출커버의 사이에는 전원 비인가시 실린더를 프레임의 선단면쪽으로 복귀시키는 실린더지지용 스프링을 설치하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치.
5. 제2항 또는 제3항의 어느 한 항에 있어서,

   실린더의 선단면과 이에 대응하는 토출커버의 사이에는 전원 비인가시 실린더를 프레임의 선단면쪽으로 복귀시키는 실린더복귀용 스프링을 설치하되, 토출커버의 내주면에는 밸브스프링과 실린더지지용 스프링을 별개로 지지하는 스프링지지부를 단차지게 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치.
6. 제1항에 있어서,

   프레임의 실린더구멍 내주면에는 비전도성이고 비자기성이며 자기윤활성을 가지는 보조프레임을 실린더의 외주면이 미끄러지도록 하여 고정 결합하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 사체적 방지 장치.