KR100531898B1 - 압축 코일 스프링 및 이를 구비한 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축 코일 스프링 및 이를 구비한 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 본 발명은 이웃하는 선재에 대향하는 최외곽 선재의 외주면에 소정의 높이로 돌출부를 형성하여 코일 스프링을 구성함으로써, 코일 스프링의 회전 모멘트를 줄일 수 있고 이를 통해 코일 스프링과 이를 지지하는 지지면 사이의 마모를 효과적으로 줄일 수 있다. 또, 이 코일 스프링을 왕복동식 압축기의 가동자와 피스톤의 연결부를 지지하는 공진스프링으로 이용함으로써, 압축기의 구동시 가동자와 피스톤의 연결부가 공진스프링에 의해 파손되는 것을 방지하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

압축 코일 스프링 및 이를 구비한 왕복동식 압축기{COMPRESSION COIL SPRING AND RECIPROCATING COMPRESSOR WITH THIS}

본 발명은 압축 코일 스프링에 관한 것으로, 특히 선재와 선재 사이에 틈새를 유지시켜 회전 모멘트의 전달경로를 차단할 수 있는 압축형 코일 스프링과 이 압축 코일 스프링을 구비한 왕복동식 압축기에 관한 것이다.

스프링은 넓은 의미에서 탄성을 이용하는 것을 주된 목적으로 하는 기계요소로서, 그 형상에 따라 코일 스프링, 겹판스프링, 토오션 바아 등으로 구분할 수 있다.

코일 스프링은 제작비가 비교적 저렴하고 특히 전용성형기를 사용하면 가격을 더욱 낮출 수 있으며 동작의 신뢰성이 높고 소형 경량화가 가능하여 각종 기계에 널리 사용되고 있다.

또, 코일 스프링은 직선기에 원형 또는 사각형 선재(線材)를 통과시켜 직선화한 후 서보모터 또는 캠에 의해 위치 결정되는 포밍툴을 이용하여 미리 설정된 벤딩 각도로 포밍하면서 원하는 턴수로 제조하고 있다.

이러한 코일 스프링은 나선형으로 감아 포밍함에 따라 특히 압축 코일 스프링의 경우에는 압축시 최외곽 선재와 이에 접하는 두 번째 선재가 끝단에서 감긴 궤적을 따라가면서 접촉함에 따라 하중에 대한 반발력이 시계방향 또는 반시계방향으로 연속해서 일어나는 소위 회전 모멘트를 동반하고 있다.

즉, 도 1 내지 도 3에서와 같이 종래의 압축 코일 스프링은, 동일한 선경을 가지는 선재(1)를 동일한 직경을 가지도록 나선형으로 감아 코일 스프링(C)을 형성하고 있다.

여기서, 최외곽 선재(N1)의 축방향 바깥면은 코일 스프링(C)을 지지면에 대해 수직으로 배치하도록 절삭하여 편평면(1a)을 형성하고, 축방향 안쪽면은 선재의 감긴 경사각(α)을 따라 경사면(1b)으로 형성하고 있다.

이와 같은 종래의 압축 코일 스프링은 전술한 바와 같이 선재(1)를 나선형으로 감아 포밍함에 따라 압축시 최외곽 선재(N1)와 이에 접하는 두 번째 선재(N2)가 끝단에서 감긴 궤적을 따라가면서 도 2 및 도 3에서와 같이 연속으로 접촉(①→②→③→④→⑤→..ⓝ)함에 따라 하중에 대한 반발력으로 인해 회전 모멘트를 발생하고 이 회전 모멘트에 의해 코일 스프링(C)이 지지면에 대해 회전하면서 그 지지면을 마모시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 압축 코일 스프링이 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 압축시 발생하는 회전 모멘트를 최소화 할 수 있는 압축 코일 스프링 및 이 압축 코일 스프링을 구비한 왕복동식 압축기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 압축형 코일 스프링에 있어서, 이웃하는 선재에 대향하는 최외곽 선재의 외주면에 그 최외곽 선재의 끝단에서 일정 구간까지는 피치각을 따라 경사지게 돌출하여 이웃하는 선재와 접하도록 형성하는 접촉면과 이 접촉면의 끝단에서 최외곽 선재의 외주면으로 낮아져 상기한 이웃하는 선재와 항상 이격하도록 형성하는 이격면으로 된 돌출부를 일체로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축형 코일 스프링을 제공한다.

또, 프레임에 지지하여 가동자가 직선 왕복운동을 하는 왕복동식 모터와, 프레임에 고정하는 실린더와, 왕복동식 모터의 가동자에 연결하여 실린더에서 직선 왕복운동을 하는 피스톤과, 피스톤의 선단면에 고정하여 그 피스톤의 흡입유로를 개폐하는 흡입밸브와, 흡입밸브에 대향하여 압축공간을 형성하도록 실린더의 선단면에 착탈 가능하게 배치하는 토출밸브와, 왕복동식 모터의 가동자와 피스톤을 공진운동시키도록 탄력 지지하는 공진스프링을 포함한 왕복동식 압축기에 있어서, 공진스프링은 강성의 선재를 나선형으로 감되 양측 최외곽 선재의 외주면에 소정의 높이로 돌출부를 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 압축 코일 스프링을 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명 코일 스프링의 일례를 보인 정면도이고, 도 5는 도 4의 "Ⅰ-Ⅰ"선단면도이며, 도 6는 본 발명 코일 스프링의 압축시 비틀림 차단 현상을 정면에서 보인 개략도이고, 도 7은 도 6의 "A"부를 보인 상세도이며, 도 8은 본 발명 코일 스프링의 압축시 비틀림 차단 현상을 저면에서 보인 개략도이고, 도 9는 본 발명 코일 스프링을 적용한 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 압축 코일 스프링(C)은, 동일한 선경을 가지는 선재(100)를 동일한 직경을 가지도록 나선형으로 감되 양측 최외곽 선재(N1)의 축방향 안쪽 외주면에는 소정의 높이로 돌출부(110)를 형성하여 이루어진다.

돌출부(110)는 도 7에서와 같이 최외곽 선재(N1)의 끝단에서 피치각을 따라 경사지게 돌출하여 이웃하는 선재(N2)와 접하는 접촉면(111)과, 이 접촉면(111)의 끝단에서 최외곽 선재(N1)의 외주면으로 낮아지게 형성하여 상기한 이웃하는 선재(N2)와 항상 이격하는 이격면(112)으로 이루어진다.

또, 돌출부(110)는 접촉면(111)이 이웃하는 선재(N2)와 압축시 끝단에서부터 연속으로 접하도록 일정 간격을 두고 형성하거나 또는 접촉면(111)이 이웃하는 선재(N2)와 항상 접하도록 형성한다.

또, 돌출부(110)는 도 5에서와 같이 선재(100)의 곡률과 동일하게 형성하여 이 돌출부(110)를 가지는 부위의 선재는 유사 타원형 모양의 장방형 단면으로 형성하는 것이 바람직하다.

또, 돌출부(110)의 접촉면(111)과 이격면(112)의 연결면(113)은 도 7에서와 같이 소정의 곡률로 곡면지게 형성하는 것이 스프링의 제작시 또는 동작시 크랙을 방지하는데 바람직하다.

또, 돌출부(110)는 접촉면(111)과 이격면(112) 사이의 연결면(113)은 선재의 끝단을 기준으로 할 때 그 선재의 감긴 방향으로 약 360°이내에 위치하도록 형성하되, 대략 90°부근에 최정점(O)이 위치하도록 형성하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명 코일 스프링은 다음과 같은 작용 효과를 가진다.

즉, 코일 스프링(C)의 상하 양단을 구조물(미도시)로 지지한 후 이 구조물을 눌러 상기한 코일 스프링(C)을 압축하는 경우에 이 코일 스프링(C)은 전술한 바와 같이 선재(100)를 나선형으로 감아 포밍함에 따라 압축시 최외곽 선재(N1)와 이에 접하는 두 번째 선재(N2)가 끝단에서 감긴 궤적을 따라 연속으로 접촉하면서 구조물을 누르는 하중에 대한 반발력으로 회전 모멘트를 발생하여 이 회전 모멘트에 의해 코일 스프링(C)이 지지면에 대해 회전하려고 하나, 본 발명의 코일 스프링(C)은 도 4 및 도 5에서와 같이 최외곽 선재(N1)의 안쪽 외주면에 각각 소정의 높이로 돌출부(110)를 구비함에 따라 이 돌출부(110)의 접촉면이 이웃하는 선재(N2)의 외주면과 도 8에서와 같이 연속으로 접촉(①→②→③)하다가 임계점(O), 즉 돌출부(110)의 접촉면(111)과 이격면(112)이 만나는 연결면(113)에 이르러서는 도 6 및 도 7에서와 같이 더 이상 최외곽 선재(N1)와 다음 선재(N2)가 접촉하지 않음에 따라 구조물의 하중이 선재(100)의 감긴 방향을 따라 연속으로 전달되는 것을 차단하여 상기한 코일 스프링(C)의 회전 모멘트를 줄일 수 있다.

이렇게 하여, 코일 스프링의 양단을 압축할 때 이 코일 스프링이 압축과 신장을 반복하는 중에 회전하려고 하는 회전 모멘트를 줄여 상기한 코일 스프링이 지지면에 대해 회전하면서 두 접촉면 사이의 마모를 미연에 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 코일 스프링을 왕복동식 압축기에 적용하는 경우는 다음과 같다.

도 9는 본 발명 코일 스프링을 적용한 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 10은 본 발명 코일 스프링의 동작 상태를 상세히 보인 개략도이다.

즉, 본 발명의 코일 스프링을 공진스프링에 적용한 왕복동식 압축기는, 가스흡입관(SP)과 가스토출관(DP)을 연통하는 케이싱(10)과, 케이싱(10)의 내부에 탄력 지지하여 설치하는 프레임유니트(20)와, 프레임유니트(20)에 지지하여 가동자(33)가 직선 왕복운동을 하는 왕복동모터(30)와, 왕복동모터(30)의 가동자(33)에 피스톤(42)을 연결하여 함께 직선 왕복운동하면서 냉매가스를 압축하는 압축유니트(40)와, 왕복동모터(30)의 가동자(33)와 압축유니트(40)의 피스톤(42)을 탄력 지지하여 공진운동을 유도하도록 복수 개의 공진스프링(51)(52)을 구비하는 공진스프링유니트(50)를 포함한다.

왕복동모터(30)는 다수 장의 라미네이션 시트를 환형의 전원 공급용 코일에 장착하여 원통모양으로 적층하는 외측 고정자(31)와, 이 외측 고정자(31)의 안쪽에 삽입하여 플럭스를 형성하도록 역시 다수 장의 라미네이션 시트를 원통모양으로 적층하는 내측 고정자(32)와, 외측 고정자(31)와 내측 고정자(32) 사이에 배치하고 다수 개의 마그네트를 구비하여 상기한 두 고정자(31)(32)의 플럭스 방향에 따라 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(33)로 이루어진다.

압축유니트(40)는 왕복동모터(30)의 고정자(31)(32)와 함께 프레임 유니트(20)에 고정하는 실린더(41)와, 왕복동모터(30)의 가동자(33)에 결합하여 실린더(41)에서 직선으로 왕복운동을 하는 피스톤(42)과, 피스톤(42)의 흡입유로(42a)를 개폐하도록 결합하는 흡입밸브(43)와, 실린더(41)의 토출측에 배치하여 압축가스의 토출을 제한하는 토출밸브 조립체(44)로 이루어진다.

공진스프링유니트(50)는 상기한 가동자(33)와 피스톤(42)의 연결부 양측에 탄력 배치하여 상기한 피스톤(42)의 공진운동을 유도하는 전방측 공진스프링(51)과 후방측 공진스프링(52)으로 이루어진다.

전방측 공진스프링(51)은 그 일단은 상기한 연결부의 전방면에 고정하는 반면 타단은 이에 대응하는 전방프레임(21)의 후방면에 고정한다. 또, 후방측 공진스프링(52)은 그 일단은 연결부의 후방면에 고정하는 반면 타단은 이에 대응하는 후방프레임(23)에 고정한다.

이러한 전방측 공진스프링(51)과 후방측 공진스프링(52)은 모두 강성의 스프링 선재를 나선형으로 감은 압축 코일 스프링으로서, 양측 최외곽 선재(N1)의 외주면에 압축시 다음 선재(N2)와의 접촉을 제한하는 돌출부(51a)(52a)를 소정의 높이로 형성한다.

도면중 미설명 부호인 22는 중간프레임이다.

상기와 같은 본 발명의 공진스프링을 구비한 왕복동식 압축기의 작용 효과는 다음과 같다.

즉, 왕복동모터(30)의 외측 고정자(31)에 전원을 인가하면, 그 외측 고정자(31)와 내측 고정자(32) 사이에 플럭스가 형성되어 가동자(33)와 피스톤(42)이 함께 플럭스의 방향에 따라 좌우로 움직이면서 공진스프링 유니트(50)에 의해 직선으로 왕복운동을 하고, 이와 함께 피스톤(42)이 실린더(41)의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하면서 실린더(41)의 압축공간(P)에 압력차를 발생시킴으로써 냉매가스를 흡입하여 일정 압력까지 압축하였다가 토출시키는 일련의 과정을 반복한다.

여기서, 공진스프링 유니트(50)를 이루는 전방측 공진스프링(51)과 후방측 공진스프링(52)이 번갈아 압축과 팽창을 반복하면서 가동자(33)와 피스톤(42)을 공진운동시키게 되는데, 이때 두 공진스프링(51)(52)의 최외곽 선재(N1)에 전술한 바와 같은 돌출부(51a)(52a)를 형성하여 각 공진스프링(51)(52)의 회전을 방지함에 따라 상기한 가동자(33)와 피스톤(42)의 연결부가 두 공진스프링(51)(52)에 의해 마모되는 것을 미연에 방지하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명에 의한 코일 스프링 및 이를 구비한 왕복동식 압축기는, 코일 스프링의 최외곽 선재의 안쪽 외주면에 돌출부를 형성하여 하중에 대한 반발력이 이웃하는 선재에 연속으로 전달되는 것을 차단함으로써, 코일 스프링의 회전 모멘트를 줄일 수 있고 이를 통해 코일 스프링과 이를 지지하는 지지면 사이의 마모를 효과적으로 줄일 수 있다.

또, 이 코일 스프링을 왕복동식 압축기의 가동자와 피스톤의 연결부를 지지하는 공진스프링으로 이용함으로써, 압축기의 구동시 가동자와 피스톤의 연결부가 공진스프링에 의해 파손되는 것을 방지하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 종래 코일 스프링의 일례를 보인 정면도,

도 2 및 도 3은 종래 코일 스프링의 압축시 비틀림 현상을 보인 개략도,

도 4는 본 발명 코일 스프링의 일례를 보인 정면도,

도 5는 도 4의 "Ⅰ-Ⅰ"선단면도,

도 6은 본 발명 코일 스프링의 압축시 비틀림 차단 현상을 정면에서 보인 개략도,

도 7은 도 6의 "A"부를 보인 상세도,

도 8은 본 발명 코일 스프링의 압축시 비틀림 차단 현상을 저면에서 보인 개략도,

도 9는 본 발명 코일 스프링을 적용한 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도,

도 10은 본 발명 코일 스프링의 동작 상태를 상세히 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

20 : 프레임 유니트 30 : 왕복동모터

33 : 가동자 40 : 압축 유니트

42 : 피스톤 50 : 공진스프링 유니트

51 : 전방측 공진스프링 52 : 후방측 공진스프링

51a,52a : 돌출부 100 : 코일스프링

110 : 돌출부 111 : 접촉면

112 : 이격면 113 : 연결면

N1 : 최외곽 선재 N2 : 두 번째 선재

Claims (6)

1. 삭제
2. 압축형 코일 스프링에 있어서,

   이웃하는 선재에 대향하는 최외곽 선재의 외주면에 그 최외곽 선재의 끝단에서 일정 구간까지는 피치각을 따라 경사지게 돌출하여 이웃하는 선재와 접하도록 형성하는 접촉면과 이 접촉면의 끝단에서 최외곽 선재의 외주면으로 낮아져 상기한 이웃하는 선재와 항상 이격하도록 형성하는 이격면으로 된 돌출부를 일체로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축형 코일 스프링.
3. 제2항에 있어서,

   접촉면과 이격면의 연결면은 소정의 곡률로 곡면지게 형성하는 것을 특징으로 하는 압축형 코일 스프링.
4. 제2항에 있어서,

   돌출부는 접촉면이 이웃하는 선재와 압축시 끝단에서부터 연속으로 접하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 압축형 코일 스프링.
5. 제2항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서,

   돌출부는 그 정점이 최외곽 선재의 끝단을 기준으로 할 때 선재의 감긴 방향으로 360°이내에 위치하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 압축형 코일 스프링.
6. 프레임에 지지하여 가동자가 직선 왕복운동을 하는 왕복동식 모터와, 프레임에 고정하는 실린더와, 왕복동식 모터의 가동자에 연결하여 실린더에서 직선 왕복운동을 하는 피스톤과, 피스톤의 선단면에 고정하여 그 피스톤의 흡입유로를 개폐하는 흡입밸브와, 흡입밸브에 대향하여 압축공간을 형성하도록 실린더의 선단면에 착탈 가능하게 배치하는 토출밸브와, 왕복동식 모터의 가동자와 피스톤을 공진운동시키도록 탄력 지지하는 공진스프링을 포함한 왕복동식 압축기에 있어서,

   공진스프링은 강성의 선재를 나선형으로 감되 양측 최외곽 선재의 외주면에 소정의 높이로 돌출부를 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.