KR100529937B1 - 리니어 압축기 및 그 동작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리니어 압축기의 초기 구동시 모터의 코일에 발생하는 과도한 스트로크(stroke)를 감소시키기 위하여 전원이 공급되지 않는 코일을 자동단락시키도록 하는 리니어 압축기 및 그 동작방법에 관한 것으로서, 실린더 내부에 설치되고 왕복 직선운동을 통해 냉매를 흡입 또는 토출시키는 피스톤과 상기 피스톤이 왕복 직선운동을 하도록 동력을 공급하는 리니어 모터와 상기 리니어 모터에 전원을 공급하고 상기 리니어 모터의 초기 동작시 발생하는 과도한 스트로크를 방지하기 위한 자동단락기능을 수행하는 전원부를 포함하여 이루어져, 초기 기동시 발생하는 과도한 스트로크에 의해 발생하는 기동소음을 감소시켜 상기 리니어 압축기의 효율성 및 편의성을 증대시키는 효과가 있다.

Description

리니어 압축기 및 그 동작방법 { Linear compressor and its method for the same}

본 발명은 리니어 압축기 및 그 동작방법에 관한 것으로써, 특히 상기 리니어 압축기의 초기 구동시 모터의 코일에 발생하는 과도한 스트로크를 감소시키기 위하여 전원이 공급되지 않는 코일을 자동단락시키도록 하는 리니어 압축기 및 그 동작방법에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 공기나 냉매가스 등의 유체를 압축시키는 기계로써, 그 중 리니어 압축기(linear compressor)는 모터의 직선 구동력이 피스톤에 전달되어 상기 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선운동을 함에 따라 상기 냉매가스가 흡입 압축되도록 하는 장치이며, 크게 냉매가스를 압축시키는 압축부와 상기 압축부를 구동하는 구동력을 공급하는 구동부로 구성된다.

첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 구성 및 문제점을 설명하자면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 리니어 압축기는 전원을 공급하는 전원부(미도시)와, 냉매가 흡입되는 흡입관(미도시)이 일측에 연결된 밀폐용기(1)와, 상기 밀폐용기(1) 내부에 고정되며, 상기 냉매의 압축공간이 형성된 실린더(2)와, 상기 실린더(2) 내부에서 왕복 직선운동이 가능하도록 설치되어 상기 압축공간으로 냉매를 흡입하여 압축시키는 피스톤(3)과, 상기 피스톤(3)의 선단과 연결되어 상기 피스톤(3)이 왕복 직선운동을 하도록 구동력을 공급하는 리니어 모터(6)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 리니어 압축기는 상기 피스톤(3)의 후단에 설치되어 상기 실린더(2)와 피스톤(3) 사이에 형성된 압축공간으로 냉매가 유입되도록 하는 흡입밸브(4)와, 상기 실린더의 후단에 설치되어 상기 압축공간 내의 냉매가 외부로 토출되도록 하는 토출밸브 어셈블리를 더 포함하여 구성된다.

이때, 상기 리니어 모터(6)는 고정부와, 가동부로 구성되며, 상기 고정부는 원통형으로 이루어진 아우터 코어(6a)와, 상기 아우터 코어(6a) 내부에 일정 공극을 갖도록 삽입되는 원통형의 이너 코어(6b)와, 상기 아우터 코어(6a) 및 이너 코어(6b)사이에 장착되는 코일 어셈블리(6c)를 포함하여 구성된다.

상기 가동부는 직선운동이 가능하도록 상기 이너 코어(6b) 및 코일 어셉블리(6c) 사이에 장착된 마그네트(6d)와, 상기 마그네트(6d)의 왕복 직선운동이 상기 피스톤(3)으로 전달되도록 상기 마그네트(6d)와 피스톤(3)을 서로 연결 및 고정시키는 마그네트 프레임(6e)를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 종래 기술에 따른 리니어 압축기는 상기 전원부로부터 전원이 인가되면, 상기 코일 어셈블리(6c)의 코일에 전류가 흐르게 된다. 상기 코일에 전류가 흐르면 상기 코일 어셈블리(6c) 주변에 자기장이 형성되며, 상기 자기장이 상기 마그네트(6d)와 상호작용을 하여 상기 마그네트(6d)가 왕복 직선운동을 하게 된다.

이때, 상기 마그네트 프레임(6e)이 상기 마그네트(6d)와 함께 왕복 직선운동을 하게 되면서 상기 피스톤(3)이 상기 실린더(2)의 내부에서 왕복 직선운동을 하게 된다.

상기 피스톤(3)이 상기 실린더(2)의 내부에서 왕복 직선운동을 하는 것과 동시에 상기 토출밸브(5)와 흡입밸브(4)의 작동에 따라 상기 밀폐용기(1) 내로 냉매가스가 유입되며, 유입된 상기 냉매가스는 상기 이너코어(6b)의 내부 관통구멍과 상기 피스톤(3)의 냉매 관통로를 통해 상기 실린더(2) 내로 흡입 및 압축된 후 토출되며, 토출된 고온 고압상태의 가스는 토출관(미도시)을 통해 밀폐용기(1) 외부로 토출된다.

그러나, 상기와 같이 구성 및 동작하는 리니어 압축기는 초기 기동시, 갑작스런 전류가 인가되면 이때에는 부하가 거의 없으므로 상기 피스톤의 스트로크가 크게 증가하여 상기 토출밸브와 충돌하게 되는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 상기와 같은 문제점을 방지하기 위하여 상기 모터에 인가되는 전류량을 조절할 수 있는 드라이브(drive)를 설치하여 상기 리니어 압축기의 초기 구동시 인가되는 전류량을 적게 조절할 수 있으나, 이는 추가적인 부품을 요구하게 되므로 생산비용이 증가하게 되는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 리니어 압축기의 초기 구동시, 전원부와 연결되지 않는 일부코일을 자동단락하고 일정 시간이 경과되면 상기 단락된 코일의 연결을 해제하여 상기 리니어 압축기의 초기 구동시 발생하는 과도한 스트로크의 발생을 억제하도록 하는 리니어 압축기 및 그 동작방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 리니어 압축기는 실린더 내부에 설치되고, 왕복 직선운동을 통해 냉매를 흡입 또는 토출시키는 피스톤과, 상기 피스톤이 왕복 직선운동을 하도록 동력을 공급하는 리니어 모터와, 상기 리니어 모터에 전원을 공급하고 상기 리니어 모터의 초기 동작시 발생하는 과도한 스트로크를 방지하기 위한 자동단락기능을 수행하는 전원부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 초기구동시 전원부와 코일의 구성을 도시한 도이며, 도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 정상운전시 전원부와 코일의 구성을 도시한 도이다.

본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 1을 참조로 한 종래 발명의 구성과 유사하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 도 2를 참조하여 본 발명의 리니어 압축기를 설명하면, 상기 리니어 압축기는 리니어 모터(60)에 전원을 공급하고 상기 리니어 모터의 초기 동작시 발생하는 스트로크 오동작을 방지하기 위한 자동단락 기능을 수행하는 전원부(50)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 리니어 압축기를, 도 2 및 도 3을 참조하여, 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 리니어 모터(60)을 구성하는 코일(90)은 입력모드에 따라 상기 코일(90)에 형성되는 자기장의 세기가 단계적으로 변화되도록 일정 길이별로 상기 코일(90)이 구분되는 단자부를 포함하여 구성된다.

상기 단자부는 일정 길이별로 접지단자(91d), 제1, 제2 및 제3 단자부(91a 내지 91c)를 포함하여 구성되며, 부하 또는 인가전압에 따라 상기 모터에 인가되는 전류를 변경하여 줌으로써 상기 리니어 압축기의 피스톤의 스트로크를 조절할 수 있게 된다.

이를 보다 상세하게 설명하자면, 상기 리니어 모터(60)는 상기 코일(90)의 권선수가 증가할수록 스트로크는 감소하고, 상기 코일(90)의 권선수가 감소하면 스트로크가 증가하므로, 벽전원이 약 220V로 인가되면 중간모드(normal mode)로 동작하며, 약 205V 이하로 인가되면 크게 감소하는 스트로크를 보상하기 위하여 로우모드(low mode)로 구동되고, 반대로 약 235V이상으로 인가되면 크게 증가한 스트로크를 억제하기 위하여 하이모드(high mode)로 동작하게 된다.

한편, 상기 전원부(50)는 교류전압을 공급하는 교류전원부(70)와, 상기 교류전원부(70)로부터 출력된 전원을 상기 코일(90)로 전달하고, 상기 리니어 모터(60)의 초기동작시 발생하는 과도한 스트로크를 감소시키기 위하여 상기 교류전원부(70)와 연결되지 않은 단자부를 서로 단락시키는 스트로크 제어부(80)를 포함하여 구성된다.

상기 스트로크 제어부(80)는 입력전원에 따라 상기 단자부(91a 내지 91c)와 각각 연결되는 적어도 하나 이상의 릴레이(81)와, 상기 릴레이(81)와 연결되며 상기 코일(90)에 유도전류를 형성시키기 위하여 상기 릴레이(81)와 연결되지 않은 단자부를 자동 단락시키는 자동 단락부(82)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 자동 단락부(82)는 상기 릴레이(81)가 상기 코일의 어느 하나의 단자부와 연결되는 경우 상기 릴레이와 연결되지 않은 단자부를 서로 연결하여 자동단락함으로써 초기구동시 급격한 전류에 의해 과도하게 발생하는 스트로크를 감소시키게 된다.

이를 보다 상세하게 설명하자면, 초기 기동시 사용되지 않는 코일의 단자부끼리 단락을 시켜 폐회로를 구성하게 되면 상기 폐회로에서 발생하는 유도전류가 상기 코일(90)과 연결된 마그네트(미도시)의 움직임을 방해하는 방향으로 힘을 가하게 되어 상기 피스톤의 스트로크가 감소하게 된다.

여기서, 상기의 유도전류에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

일반적으로, 코일을 고정시키고 상기 코일의 주변에 위치한 자석을 움직이거나, 상기 자석을 고정시키고 상기 코일을 움직이면 상기 코일에 전류가 발생하게 된다. 또한 상기 자석이 코일에 근접 및 후퇴할 때 또는 상기 자석의 극이 가변하게 되면 상기 코일에 발생하는 전류의 방향이 달라진다.

이와 같이, 코일과 자석 사이의 상대적인 운동으로 전류가 유도되는 현상을 전자기 유도(electromagnetic induction)라 하며 상기 코일의 양단에 발생된 기전력을 유도 기전력이라 하는데, 이때 상기 유도 기전력에 의해 상기 코일에 흐르게 되는 전류를 유도전류라고 한다.

상기 유도전류는 전원과 코일을 연결한 폐회로에 전류계를 연결하면 상기 전류계의 눈금은 즉시 일정한 값을 가리키지 않고 서서히 증가하여 일정한 값에 이르게 되는 것을 볼 수 있으며, 상기 유도전류의 세기가 변하면 상기 코일주변에 형성되는 자기장도 가변하게 된다.

즉, 코일을 흐르는 전류의 세기가 가변하면 코일을 지나는 자기력선속이 변하게 되어 유도 기전력이 발생하게 되는데, 이와 같이 코일에 흐르는 전류의 변화에 의해서 그 코일 자체에 유도 기전력이 생기고, 동시에 유도 전류가 흐르는 현상을 자체유도(self induction)라고 하며 이때 발생되는 유도 기전력은 다음의 식에 따른다.

V= -L TIMES { DELTA I } over {DELTA t }

이때, 비례상수 L을 자체 유도 계수(self inductance)라 하며 이것은 코일 내부 철심의 투자율 및 코일에 권선된 수와 코일의 단면적에 비례하며, 코일의 길이에 반비례한다.

따라서, 상기의 수학식 1에서 본 바와 같이 폐회로 구성시 발생하는 유도전류는 전원이 인가된 코일에 흐르는 전류의 방향과 반대방향으로 생성되어 초기에 발생할 수 있는 과도한 스트로크를 억제하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 본 발명에 따른 리니어 압축기의 동작을 설명하면 다음과 같다.

상기 리니어 압축기에 전원이 연결되는 초기 동작시 로우모드 또는 중간모드로 상기 스트로크 제어부의 릴레이가 연결된 상태에서 상기 리니어 압축기를 구동시키기 위하여 상기 전원부에 전류를 공급하게 되면, 공급된 전류에 의해 스트로크가 과도하게 발생하게 된다.

따라서, 과도한 스트로크를 억제하기 위하여 상기 자동단락부에서 자동으로 상기 전원부와 연결되지 않은 나머지 단자부를 서로 단락시켜 폐회로를 형성하도록 한다.

보다 상세하게 설명하자면, 로우모드로 상기 릴레이가 연결된 상태에서 상기 리니어 압축기가 구동되면, 상기 제 1단자부(91a) 및 제 3단자부(91c)를 단락시킴으로서 폐회로를 형성하며, 중간모드로 상기 릴레이가 연결된 상태로 상기 리니어 압축기가 구동되면, 상기 제 1단자부(91a) 및 제 2단자부(91b)를 단락시켜 폐회로를 형성하도록 한다.

또한, 상기 리니어 압축기가 구동되는 상태에서 일정시간이 경과하면 상기 리니어 압축기의 흡입측과 토출측의 압력차에 의하여 부하가 형성되므로 이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 단락된 상기 단자부의 연결이 해제되도록 하여 정상 운전이 가능하게 된다.

이와 같이 상기 자동단락부는 전원 인가시 상기 코일로 흐르는 전류의 양이 급격하게 변화됨에 따라 상기 피스톤에서 발생하는 과도한 스트로크를 억제하기 위하여 미사용 코일을 서로 단락시킴으로써 상기 리니어 압축기의 초기 구동시 급격한 전류의 인가로 인해 발생되는 과도한 스트로크를 방지하게 된다.

이상과 같이 본 발명에 의한 리니어 압축기를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 유도전류 형성을 방지하기 위해 상기 전원부와 폐회로를 구성하지 않는 나머지 코일을 단락시키는 기술사상은 당업자에 의해 응용될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 리니어 압축기는 상기 리니어 모터에 전원을 공급함과 동시에 상기 리니어 압축기의 초기 기동시 연결되지 않는 코일을 자동으로 단락시키고 일정시간이 지나면 자동단락을 해제하는 전원부를 포함하여 구성됨으로써, 초기 기동시 발생하는 과도한 스트로크(stroke)에 의해 발생하는 기동소음을 감소시켜 상기 리니어 압축기의 효율성 및 편의성을 증대시키는 효과가 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 리니어 압축기가 도시된 단면도,

도 2 는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 초기구동시 전원부와 코일의 구성을 도시한 도,

도 3 는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 정상운전시 전원부와 코일의 구성을 도시한 도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

50: 전원부 51: 릴레이

60: 리니어 모터 70: 자동단락부

Claims (6)

1. 실린더 내부에 설치되고, 왕복 직선운동을 통해 냉매를 흡입 또는 토출시키는 피스톤과; 상기 피스톤이 왕복 직선운동을 하도록 동력을 공급하는 리니어 모터와; 상기 리니어 모터에 전원을 공급하고, 상기 리니어 모터의 초기 동작시 발생하는 과도한 스트로크를 방지하기 위한 자동단락기능을 수행하는 전원부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 리니어 모터는 입력모드에 따라 인가된 전류에 의해 일정크기의 자기장이 주위에 형성되는 코일과; 상기 피스톤과 연결되어 상기 코일에 형성된 자기장에 의해 왕복 직선운동을 하는 마그네트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 코일은 입력모드에 따라 상기 코일에 형성되는 자기장의 세기가 단계적으로 변화되도록 일정 길이별로 상기 코일이 구분되는 적어도 하나 이상의 단자부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 전원부는 상용 교류전압을 공급하는 교류전원부와; 입력모드에 따라 상기 교류전원부로부터 출력된 전원을 상기 코일로 전달하고, 상기 리니어 모터의 초기동작시 발생하는 과도한 스트로크를 감소시키기 위하여 상기 교류전원부와 연결되지 않은 단자부를 서로 단락시키는 스트로크 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 스트로크 제어부는 입력모드에 따라 상기 단자부와 각각 연결되는 적어도 하나이상의 릴레이와; 상기 릴레이와 연결되며, 상기 코일에 유도전류를 형성시키기 위하여 상기 릴레이와 연결되지 않은 단자부를 자동단락시키는 자동단락부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 자동단락부는 상기 릴레이가 상기 코일의 어느 하나의 단자부와 연결되는 경우, 상기 릴레이와 연결되지 않은 단자부를 서로 연결하여 자동단락하고, 일정시간이 경과되면 자동단락상태를 자동해제하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.