KR100556816B1 - 왕복동식 압축기 및 그 제조 방법 - Google Patents

왕복동식 압축기 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 케이싱의 내부에 설치하는 프레임과, 권선코일을 구비하여 상기 프레임에 고정하는 외측고정자와, 분말금속을 소결하여 통체로 형성하여 상기 외측고정자의 안쪽에 소정의 공극을 두고 배치하는 내측고정자와, 외측고정자와 내측고정자 사이에 마그네트를 구비하여 직선으로 왕복운동을 하는 가동자와, 소정 형상의 금형에 내측고정자를 넣고 금속용융액을 주입하여 인서트몰딩공법으로 상기한 내측고정자의 내주면에 일체로 성형하는 실린더와, 실린더의 내주면에 미끄러지게 삽입하여 왕복운동을 하면서 냉매가스를 흡입 압축하는 피스톤과, 피스톤과 가동자의 연결부를 탄력 지지하여 상기 피스톤의 공진운동을 유도하는 복수 개의 공진스프링을 포함함으로써, 내측고정자을 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라 내측고정자와 실린더의 조립을 용이하게 하여 실린더의 변형과 이로 인한 피스톤과의 마모를 막아 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

왕복동식 압축기 및 그 제조 방법{RECIPROCATING COMPRESSOR METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
도 1은 종래 왕복동식 압축기의 일례를 보인 단면도,
도 2 및 도 3은 종래 왕복동모터의 내측고정자에 대한 일례들을 각각 보인 사시도와 정면도,
도 4는 본 발명 왕복동식 압축기의 내측고정자와 실린더를 분해하여 보인 사시도,
도 5는 본 발명 왕복동식 압축기의 내측고정자와 실린더를 인서트몰딩 성형한 상태를 보인 단면도,
도 6은 본 발명 왕복동식 압축기에서 내측고정자와 실린더(프레임)를 제작하는 과정을 보인 블록도.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
100 : 내측고정자 200 : 실린더
210 : 전방프레임 220 : 내마모코팅층
본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로서, 특히 내측고정자를 소결성형한 후 실린더를 인서트몰딩하여 제작하는 왕복동식 압축기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤이 실린더의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하면서 가스를 흡입 압축하여 토출하는 것으로, 도 1은 종래 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도이다.
이에 도시한 바와 같이 종래의 왕복동식 압축기는, 가스흡입관(SP) 및 가스토출관(DP)을 각각 설치하는 케이싱(10)과, 케이싱(10)의 내부에 탄력 지지하여 설치하는 프레임유니트(20)와, 프레임유니트(20)에 지지하여 케이싱(10)의 내부에 고정하는 왕복동모터(30)와, 왕복동모터(30)의 가동자(33)에 피스톤(42)을 연결하여 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매가스를 흡입 압축하는 압축유니트(40)와, 왕복동모터(30)를 탄력 지지하여 공진을 유도하는 공진스프링유니트(50)를 포함하고 있다.
프레임유니트(20)는 왕복동모터(30)의 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 일 측을 지지함과 동시에 압축유니트(40)의 실린더(41)와 피스톤(42)을 함께 지지하는 전방프레임(21)과, 왕복동모터(30)를 사이에 두고 전방프레임(21)에 결합하여 상기한 왕복동모터(30)의 외측고정자(31)를 지지하는 중간프레임(22)과, 중간프레임(22)에 결합하여 공진스프링유니트(50)를 지지하는 후방프레임(23)으로 이루어져 있다.
왕복동모터(30)는 권선코일을 구비하여 전방프레임(21)과 중간프레임(22) 사 이에 고정하는 외측고정자(31)와, 외측고정자(31)의 안쪽에 위치하여 후술할 압축유니트(40)의 실린더(41)에 고정하는 내측고정자(32)와, 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에 개재하여 플럭스의 방향에 따라 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(33)로 이루어져 있다.
외측고정자(31)는 다수 장의 스테이터코어를 낱장씩 방사상 적층하하여 형성하거나, 또는 여러 장의 스테이터코어를 "기억자"와 "역기억자" 형상으로 겹치도록 쌓아 수 개의 코어블록을 형성하여 권선코일(31a)의 양측에서 서로 마주보도록 삽입 결합하고 있다.
내측고정자(32)는 도 2에서와 같이 얇은 스테이터코어(32a)를 직사각판 형상으로 제작하여 방사상으로 적층 형성하거나, 또는 도 3에서와 같이 점적률을 최대로 넓히기 위하여 얇은 스테이터코어(32b)(32c)를 "기억자"와 "역기억자" 형상으로 제작하여 서로 대칭되게 방사상으로 적층하고 있다.
가동자(33)는 원통모양으로 형성하여 피스톤(42)의 후방단에 체결하는 마그네트프레임(33a)과, 마그네트프레임(33a)의 외주면에 고정하여 상기한 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에 개재하는 마그네트(33b)로 이루어져 있다.
압축유니트(40)는 전방프레임(21)에 삽입 결합하는 실린더(41)와, 왕복동모터(30)의 가동자(33)에 결합하여 실린더의 내부에서 왕복운동을 하면서 가스유로(F)를 통해 냉매가스를 흡입 압축하는 피스톤(42)과, 피스톤(42)의 선단면에 장착하여 가스유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(43)와, 실린더(41)의 선단면에 착탈 가능하게 설치하여 압축가스의 토출을 제한하는 토출밸브(44)와, 토출밸브(44)를 탄력적 으로 지지하는 밸브스프링(45)과, 토출밸브(44)와 밸브스프링(45)을 수용하여 상기한 실린더(41)와 함께 전방프레임(21)에 고정하는 토출커버(46)로 이루어져 있다.
공진스프링유니트(50)는 가동자(33)와 피스톤(42)의 연결부에 결합하는 스프링지지대(51)와, 스프링지지대(51)를 중심으로 전방측을 지지하는 복수 개의 전방측 공진스프링(52)과, 스프링지지대(51)의 후방측을 지지하는 복수 개의 후방측 공진스프링(53)으로 이루어져 있다.
도면중 미설명 부호인 32d는 고정링, P는 압축실이다.
상기와 같은 종래 왕복동식 압축기는 다음과 같이 동작한다.
즉, 왕복동모터(30)의 외측고정자(31)에 전원을 인가하면, 그 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에 플럭스(flux)가 형성되어 가동자(33)와 피스톤(42)이 함께 플럭스의 방향에 따라 움직이고, 이와 동시에 피스톤(42)이 스프링유니트(50)에 의해 실린더(41)의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하면서 그 실린더(41)의 압축실(P)에 압력차를 발생시킴으로써 냉매가스를 상기한 압축실(P)로 흡입하여 일정 압력까지 압축하였다가 토출시키는 일련의 과정을 반복하는 것이었다.
그러나, 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기의 내측고정자에 있어서는, 교류자속에 의한 철손을 감소시키고 자속이 통과하는 자로면적을 넓히기 위하여 얇은 스테이터코어(32a)을 낱개씩 방사상으로 적층하거나 두 개의 스테이터코어(32b)(32c)를 한 쌍씩 방사상으로 적층하는 것이었으나, 이는 얇은 스테이터코어(32a)((32b)(32c))를 방사상으로 적층하는 것 자체가 난해하여 생산비용이 과중되는 문제점이 있었다.
또, 각 스테이터코어를 낱장으로 제작하여 조립함에 따라 치수관리가 난해하게 되고 이로 인해 외주면이 불규칙한 경우 외측고정자(31)와의 공극이 넓어지는 반면 내주면이 불규칙한 경우 이를 압입하는 실린더(41)의 변형을 초래하는 문제점도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 내측고정자를 용이하게 제작할 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.
또, 외주면과 내주면의 치수관리를 정밀하게 할 수 있어 외측고정자와의 공극이 넓어지거나 실린더가 변형되는 것을 미연에 방지할 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 케이싱의 내부에 설치하는 프레임과, 권선코일을 구비하여 상기 프레임에 고정하는 외측고정자와, 분말금속을 소결하여 원통체로 형성하여 상기 외측고정자의 안쪽에 소정의 공극을 두고 배치하는 내측고정자와, 외측고정자와 내측고정자 사이에 마그네트를 구비하여 직선으로 왕복운동을 하는 가동자와, 소정 형상의 금형에 내측고정자를 ??고 금속용융액을 주입하여 상기한 내측고정자의 내주면에 일체로 성형하는 실린더와, 실린더의 내주면에 미끄러지게 삽입하여 왕복운동을 하면서 냉매가스를 흡입 압축하는 피스톤과, 피스톤과 가동자의 연결부를 탄력 지지하여 상기 피스톤의 공진운동을 유도하는 복수 개의 공진스프링을 포함한 왕복동식 압축기를 제공한다.
또, 소정의 금형에 분말금속을 넣고 소정의 온도에서 가압하는 분말야금공법으로 내측고정자를 형성하는 단계와, 소정의 금형에 내측고정자를 넣고 알루미늄 용탕을 주입한 후 경화시키는 인서트몰딩공법으로 상기한 내측고정자의 내주면에 실린더를 일체로 성형하는 단계와, 금형을 분리하여 실린더의 내주면에 내마모코팅층을 형성하는 단계로 수행하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 제조 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명 왕복동식 압축기의 내측고정자와 실린더를 분해하여 보인 사시도이고, 도 5는 본 발명 왕복동식 압축기의 내측고정자와 실린더를 인서트몰딩 성형한 상태를 보인 단면도이며, 도 6은 본 발명 왕복동식 압축기에서 내측고정자와 실린더(프레임)를 제작하는 과정을 보인 블록도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 왕복동식 압축기는, 가스흡입관(SP) 및 가스토출관(DP)을 각각 설치하는 케이싱(10)과, 케이싱(10)의 내부에 탄력 지지하여 설치하는 프레임유니트(20)와, 프레임유니트(20)에 지지하여 케이싱(10)의 내부에 고정하는 왕복동모터(30)와, 왕복동모터(30)의 가동자(33)에 연결하여 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매가스를 흡입 압축하는 압축유니트(40)와, 왕복동모터(30)를 탄력 지지하여 공진을 유도하는 공진스프링유니트(50)를 포함한다.
프레임유니트(20)는 왕복동모터(30)의 외측고정자(31) 일 측을 지지하는 전 방프레임(21)과, 왕복동모터(30)를 사이에 두고 전방프레임(21)에 결합하여 상기한 왕복동모터(30)의 외측고정자(31)를 지지하는 중간프레임(22)과, 중간프레임(22)에 결합하여 공진스프링유니트(50)를 지지하는 후방프레임(23)으로 이루어진다.
전방프레임은 별도로 제작하여 상기한 실린더를 삽입 결합할 수 있으나, 도 4 및 도 5에서와 같이 실린더(200)를 성형할 때 함께 전방프레임(210)을 성형하는 것이 가공비용과 조립비용을 절감할 수 있어 보다 바람직하다.
왕복동모터(30)는 권선코일(31a)을 구비하여 전방프레임(21)과 중간프레임(22) 사이에 고정하는 외측고정자(31)와, 외측고정자(31)의 안쪽에 위치하도록 압축유니트(40)의 실린더(200)에 삽입 고정하여 플럭스의 방향에 따라 직선으로 왕복운동을 하는 내측고정자(32)와, 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에 개재하여 두 고정자(31)(32) 사이의 플럭스 방향을 따라 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(33)로 이루어진다.
외측고정자(31)는 다수 장의 스테이터코어를 낱장씩 방사상 적층하하여 형성하거나, 또는 여러 장의 스테이터코어를 "기억자"와 "역기억자" 형상으로 겹치도록 쌓아 수 개의 코어블록을 형성하여 권선코일(31a)의 양측에서 서로 마주보도록 삽입 결합한다.
내측고정자(100)는 도 4 및 도 5에서와 같이 일체형의 원통모양으로 형성하되, 그 재질은 분말금속(powder metal)의 일종으로 모터 등의 전자기 시스템에 응용하기 위해 전기적 자기적 특성을 향상시켜 절연코팅재를 입힌 연질자성분말(Soft Magnetic Composite)을 분말야금공법으로 형성한다.
압축유니트(40)는 내측고정자(100)에 인서트몰딩공법으로 성형하는 실린더(200)와, 실린더(200)의 내부에 미끄러지게 삽입하여 그 내부의 가스유로(F)를 통해 냉매가스를 흡입 압축하는 피스톤(42)과, 피스톤(42)의 선단면에 장착하여 가스유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(43)와, 실린더(200)의 선단면에 착탈 가능하게 설치하여 압축가스의 토출을 제한하는 토출밸브(44)와, 토출밸브(44)의 압축배면을 탄력적으로 지지하도록 압축코일스프링으로 된 밸브스프링(45)과, 토출밸브(44)와 밸브스프링(45)을 수용하여 상기한 실린더(200)의 토출단에 고정하는 토출커버(46)로 이루어진다.
실린더(200)는 알루미늄을 인서트몰딩 다이캐스팅 하여 형성하는 것으로 상기 전방프레임(210)을 함께 성형하거나 또는 독립적으로 성형하여 상기한 전방프레임(210)을 후조립할 수도 있다.
또, 실린더(200)의 내주면에는 피스톤(42)의 외주면과 미끄럼 접촉하는 점을 고려하여 무전해 니켈 도금과 같은 내마모 특성을 가진 내마모코팅층(220)을 형성하는 것이 바람직하다.
공진스프링유니트(50)는 가동자와 피스톤의 연결부에 결합하는 스프링지지대(51)와, 스프링지지대(51)의 전방면과 중간프레임(22)에 각각 고정하여 지지하는 복수 개의 전방측 공진스프링(52)과, 스프링지지대(51)의 후방면과 후방프레임(23)의 내측면에 각각 고정하여 지지하는 복수 개의 후방측 공진스프링(53)으로 이루어진다.
도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.
도면중 미설명 부호인 P는 압축실이다.
상기와 같은 본 발명 왕복동식 압축기는 다음과 같은 작용 효과가 있다.
즉, 왕복동모터(30)의 외측고정자(31)에 구비한 권선코일에 전원을 인가하면, 그 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에 플럭스(flux)가 형성되어 가동자가 피스톤과 함께 플럭스의 방향에 따라 움직이고, 이와 동시에 피스톤(42)이 공진스프링유니트(50)에 의해 직선으로 왕복운동을 하면서 실린더(200)의 압축실(P)에 압력차를 발생시킴으로써 냉매가스를 상기한 압축실(P)로 흡입하여 일정 압력까지 압축하였다가 토출시키는 일련의 과정을 반복한다.
여기서, 왕복동식 압축기의 일부, 즉 내측고정자(100)와 실린더(200) 그리고 전방프레임(210)을 제작하는 과정을 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, SMC와 같은 분말금속을 금형에 넣고 일정 온도로 가열하면서 가압하여 원통체의 내측고정자(100)를 소결 성형한다. 이때, 내측고정자(100)를 이루는 SMC가 고온(400℃이상)으로 가열될 경우 분말입자의 내측에 코팅한 유기물, 즉 전기는 통하지 않고 자기장만 통하는 성질이 산화되어 그 기능을 상실할 우려가 있으므로 대략 400℃이내의 온도로 가열하여 소결하는 것이 바람직하다.
다음, 이 내측고정자(100)를 다른 금형에 배열한 상태에서 주입구를 통해 알루미늄 용탕을 주입하여 상기한 내측고정자(100)의 내측에 실린더(200) 또는 내측고정자(100)의 전방측에 전방프레임(210)이 실린더(200)와 함께 일체로 성형되도록 한다.
다음, 금형을 분리하여 실린더(200)와 전방프레임(210)이 일체로 인서트 몰 딩 다이캐스팅된 내측고정자(100)를 금형에서 빼낸 후 상기 실린더(200)의 내주면에는 무전해 니켈 도금과 같은 내마모 코팅층(220)을 형성하여 내측고정자(100)와 실린더(200)의 제작을 완성한다.
이렇게 하여, 내측고정자는 수 백장의 얇은 스테이터코어를 방사상으로 적층하는 것에 비해 조립시 제작공정이 간소하게 되어 왕복동모터의 생산비용을 크게 절감할 수 있다.
또, 내측고정자를 실린더와 일체로 성형함에 따라 내측고정자에 의해 실린더가 변형되는 것을 막을 수 있고 이를 통해 실린더와 피스톤 사이의 마모를 미연에 방지하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.
본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 내측고정자를 분말야금공법으로 제작한 후 이를 금형에서 실린더와 프레임을 일체로 성형함으로써, 내측고정자을 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라 내측고정자와 실린더의 조립을 용이하게 하여 실린더의 변형과 이로 인한 피스톤과의 마모를 막아 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (5)

  1. 케이싱의 내부에 설치하는 프레임과,
    권선코일을 구비하여 상기 프레임에 고정하는 외측고정자와,
    분말금속을 소결하여 통체로 형성하여 상기 외측고정자의 안쪽에 소정의 공극을 두고 배치하는 내측고정자와,
    외측고정자와 내측고정자 사이에 마그네트를 구비하여 직선으로 왕복운동을 하는 가동자와,
    소정 형상의 금형에 내측고정자를 넣고 금속용융액을 주입하여 상기한 내측고정자의 내주면에 일체로 성형하는 실린더와,
    실린더의 내주면에 미끄러지게 삽입하여 왕복운동을 하면서 냉매가스를 흡입 압축하는 피스톤과,
    피스톤과 가동자의 연결부를 탄력 지지하여 상기 피스톤의 공진운동을 유도하는 복수 개의 공진스프링을 포함한 왕복동식 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    실린더의 내주면은 내마모 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    내측고정자는 연질자성분말로 형성하고, 실린더는 알류미늄으로 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    내측고정자를 지지하는 프레임을 실린더와 함께 일체로 성형하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.
  5. 소정의 금형에 분말금속을 넣고 소정의 온도에서 가압하는 분말야금공법으로 내측고정자를 형성하는 단계와,
    소정의 금형에 내측고정자를 넣고 알루미늄 용탕을 주입한 후 경화시키는 인서트몰딩공법으로 상기한 내측고정자의 내주면에 실린더를 일체로 성형하는 단계와,
    금형을 분리하여 실린더의 내주면에 내마모코팅층을 형성하는 단계로 수행하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기의 제조 방법.
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