KR100657486B1

KR100657486B1 - 리니어 압축기

Info

Publication number: KR100657486B1
Application number: KR1020050107695A
Authority: KR
Inventors: 박홍희; 황선웅; 최기철
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2006-12-14

Abstract

본 발명은 리니어 모터의 왕복 구동력에 의해 피스톤이 왕복 운동되면서 실린더의 압축실 내 작동유체를 압축시키는 리니어 압축기에 관한 것으로서, 작동유체를 압축하여 토출하는 다수개의 압축부가 작동유체를 다단 압축할 수 있도록 서로 연결되고, 상기 압축부에서 압축부로 송출되는 작동유체가 냉각될 수 있도록 인터 쿨러를 포함함으로써, 작동유체의 최종 토출 압력 대비 최종 토출 온도가 효과적으로 낮아질 수 있다.

리니어 압축기, 쉘, 압축부, 인터 쿨러

Description

리니어 압축기{Linear Compressor}

도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기를 나타낸 단면도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기 적용시 열교환 사이클을 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기를 나타낸 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기 적용시 열교환 사이클을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

50 : 쉘 52,52' : 유체 흡입 파이프

54,54' : 유체 토출파이프 60, 60' : 실린더 블록

62,62' : 백 커버 70, 70' : 실린더

71,71' : 압축실 75,75' : 토출밸브 어셈블리

76,76' : 토출 밸브 커버 77,77' : 토출 밸브 바디

78,78' : 토출 밸브 스프링 80,80' : 피스톤

81,81' : 유체 관통로 82,82' : 흡입 밸브

84,84' : 머플러 90,90' : 리니어 모터

92,92' : 마그네트 94,94' : 마그네트 프레임

95,95' : 아우터 스테이터 96,96' : 코일

97,97' : 이너 스테이터 100,100' : 제1공진 스프링

102,102' : 제2공진 스프링 110 : 인터 쿨러

P,P' : 압축부

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 다수개의 압축부를 이용하여 작동유체를 다단 압축하되, 작동유체의 최종 토출 압력 대비 최종 토출 온도가 최소화될 수 있는 리니어 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 리니어 압축기는 리니어 모터의 왕복 구동력에 의해 실린더 내 피스톤이 왕복동되면서 상기 실린더 내 냉매 등의 작동 유체가 압축되게 하는 기기로서, 열교환 사이클을 이용하는 공조기, 냉장고, 냉동기, 열 펌프 등에 주로 이용된다.

도 1에 도시된 종래 기술에 따른 리니어 압축기는, 작동유체가 흡입, 토출될 수 있는 쉘(2)과, 상기 쉘(2) 내부에 구비되어 상기 쉘(2) 내부에 흡입된 작동유체를 압축하여 토출하는 압축부로 이루어진다.

상기 쉘(2)에는 외부의 작동 유체가 상기 압축부로 흡입되게 하는 유체 흡입파이프(4)와, 상기 압축부(10)에서 압축된 작동 유체가 상기 밀폐 용기(2) 외부로 토출되게 하는 유체 토출파이프(6)가 구비된다.

상기 압축부는 상기 쉘(2) 내부에 고정되어 상기 유체 흡입파이프(4)를 통한 작동 유체가 흡입되는 실린더(10)와, 상기 실린더(10)의 내부에 왕복 운동 가능토록 구비되어 상기 실린더(10)에 흡입된 작동 유체를 소정 압력비로 압축하는 피스톤(20)과, 상기 피스톤(20)이 왕복 운동되게 하는 리니어 모터(30)를 포함한다.

상기 실린더(10)에는 상기 실린더(10)에서 압축된 작동 유체가 상기 유체 토출파이프(6)로 토출되게 하는 토출 밸브 어셈블리(12)가 구비된다.

상기 피스톤(20)에는 상기 유체 흡입파이프(4)를 통해 흡입된 작동 유체가 상기 실린더(10)로 통과할 수 있도록 유체 관통로(21)가 구비되고, 아울러 상기 피스톤(20)의 유체 관통로(21)의 작동 유체가 선택적으로 상기 실린더(10)로 흡입될 수 있도록 흡입밸브(22)가 구비된다.

상기 리니어 모터(30)는 크게 고정자(32)와, 상기 피스톤(20)과 연결되고 상기 고정자(32)와의 전자기적 상호 작용에 의해 왕복 운동되는 가동자(34)로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 작용을 살펴보면, 다음과 같다.

상기 리니어 모터(30)가 구동되면, 상기 리니어 모터(30)의 왕복 구동력에 의해 상기 피스톤(20)이 상기 실린더(10) 내에서 왕복 운동된다. 그리고, 상기 피스톤(20)의 왕복 운동과 연동되어 상기 토출 밸브 어셈블리(12)와 흡입밸브(22)가 반복적으로 개폐 작용을 행한다.

그러면, 상기 쉘(2) 외부 작동 유체가 상기 유체 흡입파이프(4)와 유체 관통로(21)를 통해 상기 실린더(10) 내로 흡입되고, 상기 실린더(10)에 흡입된 작동 유체가 상기 피스톤(20)에 의해 고압으로 압축되며, 상기 실린더(10)에서 압축된 작동 유체가 상기 토출 밸브 어셈블리(12)와 유체 토출파이프(6)를 통해 상기 쉘(2) 외부로 토출된다.

상기와 같이 이루어지는 작동 유체의 흡입, 압축, 토출과정은 상기 리니어 모터(30)가 작동되는 동안 순서대로 연속 반복된다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래 기술에 따른 리니어 압축기는, 작동유체가 압축되어 토출될 때까지 1단 압축만 가능하도록 구성되어 있어 압축비가 높다보니, 작동유체의 토출 온도가 너무 높아서 상기 토출 밸브 어셈블리(12) 및 그 주변 부품의 열화 및 작동유체, 상기 쉘(2) 내 오일 탄화 등 신뢰성 측면에서 불리하고, 압축 효율에 악영향을 미치는 문제점이 있다.

특히, 최근에는 열교환 시스템(또는 냉동 시스템)의 효율을 향상시키기 위한 목적으로 열교환 시스템에서 내부 열교환기 또는 흡입 라인 열교환기(Suction Line Heat Exchanger)가 이용됨에 따라 열교환력(또는 냉력) 증가와 더불어 작동유체의 흡입 온도가 상승하게 되어, 작동유체의 토출 온도가 더더욱 높아지고 있다.

즉, 도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기가 적용된 P-E선도로서, 작동유체 및 실험 환경 등 동일한 조건 하에서 열교환력이 증가되면 A 열교환 사이클에서 B 열교환 사이클로 바뀌게 되는데, 이 때 압축 토출 온도가 도 2에 도시된 'X' 구간만큼 상승된 것을 알 수 있다.

아울러, 최근에는 작동유체로서 환경 친화적인 이산화탄소 냉매가 많이 이용되고 있는데, 이산화탄소 냉매의 임계점이 낮아서 이산화탄소 냉매를 이용한 열교환 사이클이 초월 임계 사이클을 이루다보니, 작동유체의 토출 온도가 매우 높다.

하여, 기존 리니어 압축기로는 최근 기술 개발 동향에 적합하지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 작동유체를 압축하여 토출하는 압축부가 작동유체의 다단 압축이 가능토록 다수개로 구비되고, 상기 작동유체의 다단 압축 과정에서 상기 압축부에서 압축부로 송출되는 작동유체가 그 압력을 유지한 상태로 냉각될 수 있도록 인터 쿨러가 구비됨으로써, 작동유체의 최종 토출 압력 대비 최종 토출 온도가 최소화될 수 있는 리니어 압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 리니어 압축기는 작동유체를 압축하여 토출하는 다수개의 압축부가 작동유체를 다단 압축할 수 있도록 서로 연결되고, 상기 압축부에서 압축부로 송출되는 작동유체가 냉각될 수 있도록 인터 쿨러를 포함한다.

상기 다수개의 압축부는 적어도 2 개의 압축부가 한 쌍을 이루고, 상기 한 쌍을 이룬 2개의 압축부는 서로 대향되도록 일렬로 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 다수개의 압축부는 하나의 쉘 내부에 함께 구비되고, 상기 쉘 내 분리판에 의해 상호 분리된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기를 나타낸 단면도이다.

본 발명에 따른 리니어 압축기는, 작동유체가 흡입, 토출될 수 있는 적어도 하나 이상의 쉘(50)과, 상기 쉘(50) 내부에 흡입된 작동유체를 압축하여 토출하되, 작동유체가 다단으로 압축될 수 있도록 상호 연결된 다수개의 압축부(P)(P')로 구성된다.

상기 쉘(50)에는 하나의 쉘(50)에 하나의 압축부(P)(P')가 설치되거나, 하나의 쉘(50)에는 둘 이상의 압축부(P)(P')가 설치될 수 있는데, 본 실시 예에서는 다수개의 압축부(P)(P')가 하나의 쉘(50)에 함께 설치되는 것으로 한정하여 설명한다.

상기 다수개의 압축부(P)가 함께 설치된 쉘(50)에는 내부에 각각의 압축부 (P)가 설치되는 공간이 구획될 수 있도록 분리판(51)이 설치될 수 있다.

이러한 다수개의 압축부(P)(P')가 함께 설치된 쉘(50)에는 작동유체가 각각의 압축부(P)(P')로 흡입될 수 있도록 다수개의 유체 흡입 파이프(52)(52')가 설치되고, 상기 각각의 압축부(P)(P')에서 압축된 작동유체가 토출될 수 있도록 다수개의 유체 토출 파이프(54)(54')가 설치된다.

또한 상기 쉘(50) 내부에는 각각의 압축부(P)(P')를 지지토록 실린더 블록(60)(60')과, 백 커버(62)(62')가 설치된다.

상기 각각의 압축부(P)(P')는 상기 실린더 블록(60)(60')에 고정되고 내부에 작동유체가 압축되는 압축실(71)(71')이 구비된 실린더(70)(70')와, 상기 실린더(70)(70') 내부에서 왕복 운동되면서 상기 실리더(70)(70')의 압축실(71)(71') 내작동 유체가 소정 압력비로 압축되게 하는 피스톤(80)(80')과, 상기 피스톤(80)(80')과 연동되도록 연결되어 상기 피스톤(80)(80')이 왕복 운동되게 하는 리니어 모터(90)(90')로 이루어진다.

상기 실린더(70)(70')는 입구를 통해 상기 피스톤(80)이 삽입되고 출구를 통해 상기 실린더(70)(70')에서 압축된 작동유체가 토출되도록 양단이 개구된 원통구조로 이루어진다.

상기 실린더(70)(70')에는 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71')의 토출 측에, 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71')에서 압축된 작동 유체가 상기 유체 토출 파이프(54)(54')로 토출되게 하는 토출 밸브 어셈블리(75)(75')가 구비된다.

상기 토출 밸브 어셈블리(75)(75')는 상기 실린더(70)(70')의 압축실 (71)(71')의 토출 측을 덮고 상기 유체 토출 파이프(54)(54')가 결합된 토출 밸브 커버(76)(76')와, 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71')의 토출 측을 개폐할 수 있는 토출 밸브 바디(77)(77')와, 상기 토출 밸브 바디(77)(77')를 지지하는 토출 밸브 스프링(78)(78')으로 이루어진다.

상기 피스톤(80)(80')은 내부에 상기 유체 흡입 파이프(52)(52')를 통과한 작동유체가 흡입될 수 있는 유체 관통로(81)(81')가 형성된다.

상기 피스톤(80)(80')의 유체 관통로(81)(81')에는 작동유체의 토출 방향 측에, 상기 피스톤(80)(80')의 유체 관통로(81)(81') 내 작동유체가 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71')로 흡입되게 하는 흡입 밸브(82)(82')가 설치된다.

또한 상기 피스톤(80)(80')의 유체 관통로(81)(81')에는 작동유체의 유동 소음을 저감시키기 위한 머플러(84)(84')가 연결된다.

상기 리니어 모터(90)(90')는 상기 실린더(70)(70')의 외측 둘레에 위치되고, 상기 실린더 블록(60)(60') 및 상기 실린더(70)(70')의 길이방향으로 상기 실린더 블록(60)(60')과 이격된 리니어 모터 커버(91)(91')에 의해 지지된다.

이러한 리니어 모터(90)(90')는 크게 상기 피스톤(80)(80')과 연동되도록 연결된 가동자와, 상기 가동자가 왕복동될 수 있도록 상기 가동자와 전자기적으로 상호 작용되는 고정자로 이루어진다.

상기 가동자는 상기 고정자 내부에 왕복동 가능토록 설치된 마그네트(92)(92')와, 상기 마그네트(92)(92')가 고정되고 상기 피스톤(80)(80')과 연동되도록 연결되어 상기 피스톤(80)(80')에 상기 리니어 모터(90)(90')의 왕복동 구동 력을 전달하는 마그네트 프레임(94)(94')으로 이루어진다.

상기 고정자는 상기 가동자의 외측 둘레에 위치된 아우터 스테이터(95)(95')와, 상기 아우터 스테이터(95)(95')에 구비되어 자장을 형성하는 코일(96)(96')과, 상기 가동자의 내측 둘레에 위치된 이너 스테이터(97)(97')로 이루어진다.

한편, 상기 각각의 압축부(P)(P')는 상기 피스톤(80)(80')이 왕복 운동력이 가진될 수 있도록, 상기 피스톤(80)(80')의 왕복 운동방향으로 탄성력을 부여하는 제1,2 공진 스프링(100)(102)(100')(102')이 더 포함될 수 있다.

상기 제1,2공진 스프링(100)(102)(100')(102')은 상기 피스톤(80)(80')에 결합된 공진 스프링 리테이너(104)(104')에 의해 지지된다.

즉, 상기 제1공진 스프링(100)(100')은 상기 공진 스프링 리테이너(104)(104')와 리니어 모터 커버(91)(91') 사이에 설치된다. 상기 제2공진 스프링(102)(102')은 상기 공진 스프링 리테이너(104)(104')와 백 커버(62)(62') 사이에 설치된다.

이러한 제1,2공진 스프링(100)(100')은 각각 다수 개로 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성된 각각의 압축부(P)(P')는 상기 피스톤(80)(80')의 왕복 운동으로 인한 진동이 상쇄될 수 있도록, 2개가 한 쌍을 이루어 상기 피스톤(80)(80')의 왕복 운동방향으로 일렬로 배치되되, 상기 쉘(50) 내 분리판(51)을 중심으로 대향되게 배치될 수 있다.

여기서 상기 하나의 쉘(50)에는 적어도 한 쌍 이상의 압축부(P)(P')가 설치되거나, 적어도 한 쌍 이상의 압축부(P)(P')와 쌍을 이루지 않는 압축부가 함께 설 치 가능한데, 본 실시 예에서는 한 쌍의 압축부(P)(P')가 설치된 것으로 한정하여 설명한다.

상기와 같이 대향 배치되는 한 쌍의 압축부(P)(P')는 크기 및 형상 등 전체적으로 동일한 구조로 구비됨이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 작동유체의 압축 순서대로 첫 번째 압축부(P)를 통과한 작동유체가 두 번째 압축부(P')로 송출되는 과정에서, 작동유체가 압력을 유지한 상태로 온도만 낮아질 수 있도록 냉각 작용을 행할 수 있는 인터 쿨러(INTER COOLER : 110)가 더 포함될 수 있다.

상기 인터 쿨러(110)는 상기 한 쌍의 압축부(P)(P')에서 압축되는 작동유체가 열교환 사이클에 이용되는 여러 종류의 작동유체 중 상대적으로 임계점이 낮은 이산화탄소 냉매인 경우, 작동유체의 토출 온도 저감을 위해 더더욱 필요한다.

이러한 인터 쿨러(110)는 열교환기 등 다양한 방식으로 구현될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 리니어 압축기의 작용을 살펴보면, 다음과 같다.

본 발명에 따른 리니어 압축기가 동작되면, 압축이 필요한 작동유체가 압축 순서대로 첫 번째 압축부(P)에 저압(Ps) 상태로 흡입되어 중간압(Pm)으로 압축된 후 첫 번째 압축부(P)에서 토출된다.

이와 같은 작동유체의 첫 번째 압축과정은, 도 4에 도시된 열교환 사이클에서 'A'구간으로 표시된 바와 같다.

상기 첫 번째 압축부(P)에서 중간압(Pm)으로 토출된 작동유체는 상기 인터 쿨러(110)를 통과하면서 압력을 유지한 상태로 냉각된다. 이와 같은 작동유체의 냉각 과정은, 도 4에 도시된 열교환 사이클에서 'B'구간으로 표시된 바와 같다.

상기 인터 쿨러(110)를 통과한 작동유체는 두 번째 압축부(P')에 중간압(Pm) 상태로 흡입되어 최종 토출압(Pd)으로 압축된 후 상기 두 번째 압축부(P')에서 토출된다. 이와 같은 작동유체의 두 번째 압축과정은, 도 4에 도시된 열교환 사이클에서 'C'구간으로 표시된 바와 같다.

상기 두 번째 압축부(P')에서 최종 토출압(Pd)으로 토출된 작동유체는 작동유체가 상기 한 쌍의 압축부(P)(P')에 의해 다단으로 압축되는 중간에, 상기 인터 쿨러(110)에 의해 압력을 유지한 상태로 냉각되기 때문에 도 4에 은선으로 도시된 종래 기술에 따른 리니어 압축기가 적용된 열교환 사이클과 비교해볼 때, 압력에 비해 온도가 높지 않다.

아울러, 상기 한 쌍의 압축부(P)(P')가 서로 대향 배치됨으로써, 상기 피스톤(80)(80')의 왕복 운동방향으로 발생되는 진동이 서로 상쇄된다.

한편, 상기 각각의 압축부(P)(P')의 동작을 상세히 살펴보면, 다음과 같다.

기 리니어 모터(90)(90')가 구동되면, 고정자와 가동자 간 전자기적 상호 작용으로 인해 상기 마그네트(92)(92')가 마그네트 프레임(94)(94')과 함께 왕복 운동되고, 이와 같이 발생된 상기 리니어 모터(90)(90')의 왕복동 구동력은 상기 마그네트 프레임(94)(94')과 연결된 피스톤(80)(80')으로 전달된다.

그러면, 상기 피스톤(80)(80')이 상기 실린더(70)(70') 내부에서 연속적으 로 왕복 운동됨에 따라, 작동유체가 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71')로 흡입 후 압축된 다음, 토출되는 과정이 연속적으로 반복된다.

즉, 상기 피스톤(80)(80')이 상기 실린더(70)(70') 외부를 향해 이동되면, 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71') 압력이 낮기 때문에 상기 흡입밸브(82)(82')가 개방 쪽으로 동작되고, 상기 토출 밸브 어셈블리(75)(75')가 폐쇄 쪽으로 동작된다.

따라서, 작동 유체가 상기 유체 흡입파이프(52)(52')와, 머플러(84)(84'), 그리고 상기 피스톤(80)(80')의 유체 관통로(81)(81')를 차례로 거쳐 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71')로 흡입된다.

반면, 상기 피스톤(80)(80')이 상기 실린더(70)(70') 내부를 향해 이동되면, 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71')의 압력이 높아짐에 따라 상기 흡입 밸브(82)(82')가 폐쇄 쪽으로 동작되고 상기 토출 밸브 어셈블리(75)(75')가 개방 쪽으로 동작되면서, 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71') 내 압축된 작동유체가 상기 유체 토출파이프(54)(54')를 통해 토출된다.

여기서, 상기 흡입 밸브(82)(82')는 상기 피스톤(80)(80')의 유체 관통로(81)(81')와 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71') 간 압력 차에 의해 개폐 동작된다. 상기 토출 밸브 어셈블리(75)(75')는 상기 실린더(70)(70')의 압축실(71)(71') 압력과 상기 토출 밸브 스프링(78)(78') 간 힘 평형관계에 따라 개폐 동작된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 리니어 압축기는 작동유체가 압축되게 하는 다수 개의 압축부가 작동유체의 다단 압축이 가능토록 상호 연결되고, 상기 압축부에서 압축부로 송출되는 작동유체가 그 압력을 유지한 상태로 냉각될 수 있도록 인터 쿨러가 포함됨으로써, 작동유체의 최종 토출 압력 대비 최종 토출 온도가 효과적으로 낮아질 수 있게 되어 신뢰성 및 효율이 향상될 수 있고, 작동유체의 토출 온도로 인해 열교환력이 제한될 염려가 없으며, 이산화탄소 냉매가 작동유체로 이용 가능하여 환경 친화측면이 강화될 수 있는 이점이 있다.

또한 상기 다수 개의 압축부가 2개씩을 쌍을 이루고 쌍을 이룬 2개의 압축부가 서로 대향되도록 배치됨으로써, 상기 압축부의 구동시 발생되는 진동이 서로 상쇄될 수 있어 진동 및 소음 저감 효과가 탁월할 뿐만 아니라, 상기 압축부의 진동 저감을 위한 지지 스프링 내지 루프 파이프와 같은 부재가 생략 가능하여 전체적인 구조가 간소해질 수 있고, 제조 비용 또한 최소화될 수 있는 이점이 있다.

Claims

작동유체를 압축하여 토출하는 다수개의 압축부가 작동유체를 다단 압축할 수 있도록 서로 연결되고, 상기 압축부에서 압축부로 송출되는 작동유체가 냉각될 수 있도록 인터 쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
제 1 항에 있어서,

상기 다수개의 압축부는 적어도 2 개의 압축부가 한 쌍을 이루고,

상기 한 쌍을 이룬 2개의 압축부는 서로 대향되도록 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
제 1 항에 있어서,

상기 다수개의 압축부는 하나의 쉘 내부에 함께 구비되고, 상기 쉘 내 분리판에 의해 상호 분리된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.