KR100856845B1 - 선형 모터 및 이 선형 모터를 포함하는 선형 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선형 모터 및 이 모터를 포함하는 선형 압축기에 관한 것이다. 본 발명의 선형 모터는 고정 부재(60)의 외주면 둘레에 장착되어 고정자를 형성하는 1조의 내측 적층체(90)와, 이 내측 적층체(90)로부터 떨어져 장착된 1조의 외측 적층체(30)를 포함하고 있다. 액츄에이터(85)가 가동 부재(80)에 연결되어 있고, 내측 적층체(90)와 외측 적층체(30) 사이에 획정된 공간 내에서 자석 부재(86)를 이동시킨다. 내측 적층체(90)의 상단부와 외측 적층체(30)의 상단부는, 이들 적층체를 고정시키고 1조의 외측 적층체(30)를 위한 현가 장착부로서 작용하는 비자성 재료로 된 연결 요소(100)에 의해 연결되어 있다. 코일(95)에의 전류 인가에 의해 액츄에이터(85)가 이동하여 가동 부재(80)를 이동시킨다. 상기 고정 부재(60)는 압축기의 실린더에 의해 형성되고, 상기 가동 부재(80)는 이 실린더 내에서 왕복운동하여 냉매 가스를 압축하도록 되어 있는 피스톤에 의해 형성되고, 상기 연결 요소(100)는 실린더와 접촉하지 않는다. 이 구조는 실린더의 어떤 특수한 구성을 필요로 하지 않고, 또는 외측 적층체에의 연결을 제공하는 추가 플레이트의 사용을 필요로 하지 않는다.
선형 모터, 선형 압축기, 내측 적층체, 외측 적층체, 연결 요소

Description

선형 모터 및 이 선형 모터를 포함하는 선형 압축기{LINEAR MOTOR AND LINEAR COMPRESSOR INCLUDING SAID MOTOR}
본 발명은 선형 모터(linear motor)에 관한 것으로, 특히 소규모 냉각 시스템의 선형 압축기에 적용된 때 선형 모터의 효율을 향상시키기 위해 선형 모터의 적층체의 장착을 간략화하는 것에 관한 것이다.
선형 모터는 잘 알려져 있는 장치이고, 이 모터에서는, 코일과 자석 요소 중 하나가 고정 부재에 장착되고, 다른 하나는 가동 부재에 장착되어 있다. 코일에 전류가 인가된 때 그 코일에는 자력선이 발생되고, 그 자력선이 자석과 상호 작용하여 가동 부재의 직선 운동을 발생시킨다. 그러한 선형 모터는 냉각용 압축기에 널리 사용되고 있고, 그 압축기에서, 가동 부재는 압축기의 피스톤에 의해 제공되고, 자석은 피스톤에 장착되어 있다. 코일은, 내부에서 피스톤이 왕복운동하는 실린더를 형성하는 압축기 구조체의 외측 부분에 고정적으로 장착되어 있다.
첨부 도면의 도 1은 미국 특허 제5,945,748호에 개시된 타입의 종래 기술의 선형 압축기를 나타내고 있다. 이 종래 기술의 구조에서는, 밀폐 셀(shell)(10)이 제공되어 있고, 그 밀폐 셀의 내부에는 소정의 내부 공간을 획정(劃定)하는 원통형의 내부 컵(20)이 장착되어 있다. 이 내부 컵(20)의 내측 면에 선형 모터용의 1조의 외측 적층체(30)가 부착되어 있다. 디스크 형상의 커버 플레이트(40)가 그의 중앙부에 구멍을 가지고 있고, 실린더(60)의 상단부와 내부 컵(20) 및 외측 적층체(30) 모두의 상단부에 합체되어 있는 플랜지(61)에 결합되어 있다. 마찬가지로 디스크 형상으로 된 하부 커버(50)가 내부 컵(20)의 하단부에 결합되어 있다. 실린더(60)의 상부 부분이 커버 플레이트(40)의 중앙부의 구멍을 통과하여 연장하고, 밸브 시스템(70)이 실린더(60)의 상부 부분이 통과하는 상기 구멍을 단단히 덮도록 실린더(60)의 상부 부분의 중앙부에 장착되어 있다. 흡입 밸브 및 배출 밸브를 가지는 통상의 밸브 플레이트가 사용될 수도 있다. 실린더(60)의 내부에는 피스톤(80)이 배치되어 있고, 이 피스톤은 선형 모터에 의해 왕복운동할 때 공지의 방식으로 냉매 가스를 압축한다. 선형 모터용의 1조의 내측 적층체(90)가 실린더(60)의 외측 원주면의 일부 둘레에 장착되어 있고, 이 내측 적층체(90)는 외측 적층체(30)로부터 소정의 간격을 유지한다.
토로이드(toroid) 형상의 코일(95)이 내측 적층체(90)의 외측 원주면의 절제부 내에 배치되고, 이 코일(95)의 단부들은 이 코일(95)에 전류를 공급하는 리드(lead)선(도시되지 않음)에 접속되어 있다. 필요에 따라서는, 코일(95)이 외측 적층체(30) 상에 배치될 수도 있다. 디스크 형상의 연결 부재(65)가 피스톤(80)의 하단부를 원통형의 액츄에이터(85)에 연결하고, 이 액츄에이터(85)의 상단부에는, 통상 다수의 영구 자석(도시되지 않음)으로 형성되는 자석 부재(86)가 부착되어 있다. 이 자석 부재(86)는 외측 적층체(30)와 내측 적층체(90) 사이의 공간 내에서 이동한다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 선형 모터는 1조의 외측 적층체(30)와, 코일(95)을 지탱하는 1조의 내측 적층체(90), 및 자석 부재(86)가 부착되어 있는 액츄에이터(85)를 포함하고 있다.
피스톤(80)의 왕복운동을 탄성적으로 지지하기 위해 내측 나선 스프링(66)이 내측 적층체(90)의 저면에 부착된 지지체(68)와 연결 부재(65) 사이에 제공되어 있다. 또한, 피스톤(80)이 왕복운동할 때 압축기를 지지하기 위해 외측 나선 스프링(67)이 연결 부재(65)와 하부 커버(50) 사이에 배치되어 있다. 피스톤(80)의 정해진 위치에서 실린더 내로 냉매 가스를 도입하기 위해 적어도 하나의 냉매 가스 통로(80a)가 실린더(60)의 상부 부분을 따라 제공되어 있다.
도 1에 도시된 압축기의 작동에서, 코일(95)에 전류가 공급된 때, 액츄에이터(85)에 장착된 자석 부재(86)가 자력선에 반응하여, 액츄에이터(85)를 내측 적층체(90)와 외측 적층체(30) 사이에서 직선 왕복운동시킴으로써, 피스톤(80)이 액츄에이터(85)의 대응하는 변위의 작용으로 실린더(60) 내에서 왕복운동한다. 냉매 가스는 실린더(60)에 제공된 냉매 가스 통로(80a)를 통해 실린더(60) 내로 유입된다. 실린더(60) 내에서 압축된 냉매 가스는 밸브 시스템(70)을 통해 배출되고, 상기한 작동이 반복적으로 행해진다.
내측 적층체(90)는 도 1에 도시된 바와 같은 현재 알려진 구조들 중 어느 하나를 사용하여 실린더에 장착될 수도 있다. 예를 들어, 실린더에 장착되고 또한 내측 적층체(90)를 지탱하는 성형된 브래킷 부재가 제공될 수 있고, 내측 적층체(90)는 그의 외측 면에 코일(95)을 수용하기 위한 절제부를 가지고 있다. 도 1(A)는 외측 적층체(30)를 장착하기 위해 사용될 수 있는 한가지 타입의 장착 구조를 나타내고 있다. 이 도면은 상기한 미국 특허에 도시된 구성의 변형을 나타내고 있다. 철 또는 강과 같은 자성 금속으로 된 외측 적층체(30)는 압축기의 중앙에 대하여 반경방향으로 배치되어 있다. 관형 프레임(25)이 내부 컵(20)의 벽의 내면에 장착되고, 선반(shelf)(26)을 지탱하고 있고, 이 선반(26)상에 각각의 외측 적층체(30)의 하단부가 장착된다. 관형 프레임(25)에는 외측 적층체(30)의 상단부에 결합하는 상부 브래킷(27)도 제공되어 있다. 그러나, 외측 적층체(30)를 내부 컵(20)의 벽에 적절히 고정하기 위해 다른 적당한 장착 구조가 사용될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 1의 압축기에서 볼 수 있는 바와 같이, 실린더(60)는 그의 정상부로부터 반경방향 외측으로 연장하는 플랜지(61)를 구비하고 있고, 커버 플레이트(40)는 실린더(60)의 플랜지(61)와 외측 적층체(30) 사이의 연결을 제공한다. 이러한 공지의 구조는 아래에서 설명하는 바와 같은 여러 가지 문제를 야기한다.
도 2는 실린더(60)를 포함하는 종래 기술의 다른 타입의 압축기의 일부를 나타내고 있고, 이 실린더(60)의 외측 면에 선형 모터가 접착제 또는 다른 고정 수단에 의해 고정되어 있고, 이 선형 모터의 고정자는, 도 1과 관련하여 이미 설명한 바와 같이, 토로이드 형상의 코일(95)을 수용하기 위한 절제부를 가진 내측 적층체(90)와, 1조의 외측 적층체(30)를 포함한다. 1조의 외측 적층체(30)의 상단부는, 실린더(60)에 합체되고 그 실린더로부터 반경방향 외측으로 연장하는 플랜지(61)의 하면에 접착제, 용접 또는 다른 고정 수단에 의해 직접 부착되어, 외측 적층체(30)의 현가 장착이 제공된다. 플랜지(61)의 하면은 내측 적층체(90)의 정상부와도 접하여 있다. 그리하여, 실린더(60)의 플랜지(61)와 외측 적층체(30)와 내측 적층체(90) 사이에 직접 결합이 제공된다.
이상에서는, 선형 모터가 선형 압축기에 사용되는 것으로서 설명되었으나, 그러한 선형 모터는 다른 장치에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 정지 부싱(bushing)이 압축기의 실린더(60)를 대체할 수 있고, 압축기의 피스톤은 선형 모터의 작동에 따라 정해진 작용을 행하도록 왕복운동할 수 있는 샤프트로 대체될 수 있다. 그러한 다른 장치들은 내측 적층체 및 외측 적층체를 장착하기 위한 구성을 필요로 할 수도 있고, 도 1, 도 1(A) 및 도 2에 도시된 구성과 관련하여 그 구성이 변형될 수도 있다. 그러나, 이들 모든 공지의 변형은 플랜지(61)를 가진 실린더(60), 내측 적층체(90), 및 외측 적층체(30)인 (또는 다른 장치에서는 그들에 대응하는) 3가지 구성요소들 사이의 직접 결합을 사용한다.
특히 선형 압축기와 관련하여 설명되었으나, 다른 유용한 장치에서는 등가적인 구성요소를 가지는 그러한 구성은 아래와 같은 단점들을 가진다.
- 실린더가 그의 반경방향 외측으로 돌출하는 플랜지(61)를 일체로 구비하여야 하기 때문에, 실린더를 구성하기 위해 다량의 재료가 요구된다. 더욱이, 도 1에 도시된 예에서는, 커버 플레이트(40)의 제공이 추가로 요구된다.
- 구조물을 통한 자력선의 흐름을 회피하기 위해 실린더가 비자성 재료로 제조되어야 한다. 이것은 열과 에너지 손실을 야기하는 푸코(Foucault) 전류를 발생시킨다.
- 실린더를 제조하기 위한 비자성 재료는 대개 오스테나이트(austenite) 타입이거나, 또는 각종 타입의 스테인리스 강 또는 알루미늄이고, 이러한 재료 모두는 비교적 값이 비싸다.
- 커버 플레이트(40) 및 실린더(60)의 플랜지(61)의 구조는 큰 표면을 제공하여, 바람직하지 않은 소음 방사를 야기한다.
- 도 1 및 도 2에 도시된 실린더를 제조하기 위해 많은 수의 기계가공 작업이 요구될 뿐만 아니라, 실린더를 제조하기 위한 다량의 설비 투자가 요구된다.
- 실린더를 제조하기 위해 사용되는 일부 비자성 재료는, 예를 들어, 왕복운동하는 피스톤과 실린더 사이, 또는 왕복운동하는 샤프트와 정지 부싱 사이에서 발생하는 바와 같은 마찰을 받게 되는 구성요소에는 부적절하여, 어떤 경우에는, 실린더나 부싱에 더욱 단단한 재료로 된 슬리브를 사용하는 것이 필요하게 된다. 이것은 장착 작업을 더욱 어렵게 하여, 최종 제품의 비용을 증대시킨다.
본 발명의 목적은, 내부에서 다른 부재가 왕복운동하는 고정 부재에 대한 어떠한 연결도 사용함이 없이, 비자성 재료로 된 링(ring) 부재에 의해 연결되는 내측 적층체와 외측 적층체를 가지는 선형 모터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 실린더에 장착되는 1조의 내측 적층체와, 1조의 외측 적층체를 포함하고, 이들 내측 및 외측 적층체는, 이들 적층체를 고정시키지만 압축기 실린더의 어느 부분과도 접촉하지 않는 비자성의 연결 링에 의해 연결되는, 선형 압축기용의 선형 모터를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 선형 모터의 적층체들을 장착하기 위해 실린더에의 어떠한 직접적인 고정도 필요로 하지 않는, 선형 압축기용의 선형 모터를 제공하는데 있다.
본 발명의 선형 모터는, 실린더를 가지고, 이 실린더 내에서 피스톤이 냉매 가스를 압축하기 위해 선형 모터에 의해 왕복운동하는 선형 압축기에 사용되는 것으로 설명되어 있다. 이 선형 모터는, 실린더의 외측 원주면 둘레에 장착되어 고정자를 형성하는 1조의 내측 적층체를 포함하고, 전류가 흐르도록 구성된 토로이드 형상의 코일이 내측 적층체에 의해 지탱되어 있다. 1조의 외측 적층체가 압축기를 수용하는 컵의 내면 둘레에 장착되어 있다. 일부 장치에서는, 외측 적층체에 의해 지탱되는 제2 코일이 제공될 수도 있고, 또는 코일이 1조의 외측 적층체에만 제공될 수도 있다. 액츄에이터가 피스톤의 하단부에 연결되어 있고, 내측 적층체와 외측 적층체 사이의 공간에서 자석 부재를 이동시킨다. 코일에 전류가 인가된 때, 액츄에이터가 왕복운동하여, 피스톤을 이동시킨다.
내측 적층체의 상단부 및 외측 적층체의 상단부는, 실린더와 접하지 않는 비자성 재료로 된 연결 링에 의해 연결되어 있다. 내측 적층체는 고정된 실린더에 장착되어 있으므로, 연결 링은 외측 적층체를 위한 현가 장착부로서 작용한다. 이것은 또한, 적층체들의 안정화를 제공한다. 이러한 구조는 실린더의 어떤 특수한 구성도 필요로 하지 않고, 또는 별개의 커버 플레이트의 사용도 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명에 의해 제안되는 해결책은 제조가 간단하고 저렴하며, 실린더와 피스톤이 주철(鑄鐵)이나 주강(鑄鋼)과 같은 덜 비싼 재료로 제조될 수 있다는 추가적인 이점(利點)을 제공한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 종래 기술의 선형 압축기의 제1 예의 단면도.
도 1(A)는 종래 기술에 따른 선형 모터의 외측 적층체를 위한 한가지 타입의 장착 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 종래 기술의 다른 예에 따른 선형 압축기의 일부의 단면도.
도 3은 본 발명에 따라 구성된 선형 압축기의 일부의 단면도.
본 발명의 선형 모터를 선형 압축기에 응용하는 것과 관련하여 이하에 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시형태를 나타내고 있고, 이 도면에서는, 앞에서 설명한 것과 동일한 구성요소에 동일한 부호를 사용하고 있다.
본 발명에 따르면, 선형 모터는 실린더(60)의 외측 면에 장착된 1조의 내측 적층체(90)에 의해 형성되는 고정자를 가지고 있다. 도 2의 압축기에서와 같이, 내측 적층체(90)는 전류가 공급되는 코일(95)을 수용하도록 그의 외측 면에 절제부를 가지고 있다. 도시된 바와 같이, 실린더(60)는 도 1 및 도 2에 도시된 구성의 실린더(60)와 비교하여 작은 크기로 되고 덜 복잡한 구성으로 되어 있는데, 그 이유는 플랜지(61)가 필요하지 않기 때문이다.
1조의 외측 적층체(30)가 그의 하부에서 내부 컵(20)의 상부 부분에 고정되어 있다. 내측 적층체(90)의 상단부와 외측 적층체(30)의 상단부 사이는 링 형상으로 도시된 연결 요소(100)에 의해 연결되어 있다. 연결 요소(100)는 평탄한 성형품 또는 스탬핑 가공품일 수 있고, 이 연결 요소에 사용되는 재료에 따라 접착제의 사용 또는 용접과 같은 어떤 적당한 기술에 의해 각각의 내측 적층체(90)의 상단부 및 각각의 외측 적층체(30)의 상단부에 고정된다. 연결 요소(100)는 1조의 외측 적층체(30)를 위한 현가 타입의 장착부로서 작용한다. 즉, 1조의 외측 적층체(30)는 연결 요소(100)를 통해 1조의 내측 적층체(90)에 연결되고, 다시, 이 내측 적층체(90)는 정지(靜止) 실린더(60)상에 장착되어 있다. 따라서, 외측 적층체(30)는 도 1에 도시된 바와 같은 브래킷을 사용하지 않고 장착될 수 있다.
연결 요소(100)는 스테인리스 강, 플라스틱, 알루미늄 등과 같은 비자성 재료로 제조된다. 이 연결 요소(100)에는, 내부에서 자석 부재(86)가 이동하는 공간으로 개방된 관통 구멍(107)이 제공되어, 상기 공간 내에서 자석 부재(86)에 의해 압축되는 가스의 통과를 가능하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 구성은 여러 이점을 가지고 있고, 그 중 몇가지를 아래에 설명한다.
- 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 같은 플랜지(61)가 필요하지 않기 때문에, 실린더의 크기를 감소시킬 수 있고, 또한, 도 1의 압축기에서와 같은 별도의 커버 플레이트(40)가 필요하지 않다.
- 실린더의 플랜지 및/또는 커버 플레이트가 없는 것으로 인해, 소음 발생원이 배제된다.
- 실린더(60)가 비자성 재료보다 덜 비싼 강 또는 주철과 같은 자성 재료로 제조될 수도 있다. 그러한 금속이어도, 강 또는 주철로 제조될 수도 있는 왕복운동하는 피스톤에 의해 마찰을 받을 경우에 보다 높은 구조적 신뢰성이 얻어진다.
- 연결 요소(100)가 비자성 재료로 되어 있기 때문에 선형 모터는 실린더로부터 자기적으로 절연된 상태로 유지된다. 따라서, 푸코 전류가 발생하지 않는다.
- 각종 구성요소의 장착이 단순화된다.
- 종래 기술의 실린더의 구조에 비해 실린더의 제조가 단순화된다.
본 발명의 상기 실시형태에서는 선형 모터가 선형 압축기의 피스톤을 구동시키는 것으로 설명되었지만, 이 모터 구조는 피스톤 대신에 다른 요소, 예를 들어, 압축기의 실린더 대신에 부싱 내에서 왕복운동하는 장치의 샤프트를 구동시킬 수도 있음을 이해하여야 한다. 그러한 장치에서는, 내외측 적층체들을 연결하기 위해 실린더 또는 부싱에 합체된 플랜지를 제공할 필요가 없다.
본 발명의 구체적 특징들이 단지 편의를 위해 하나의 도면에 도시되어 있고, 각각의 특징은 본 발명에 따른 다른 특징과 조합될 수도 있다. 가능한 다른 실시형태가 당업자에 의해 인식될 것이고, 그것은 본 발명의 청구범위의 범위 내에 포함되는 것이다. 따라서, 상기한 설명은 예시로서 해석되어야 하고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 모든 그러한 명백한 변경 및 변형은 아래에 첨부된 청구의 범위 내에 포함된다.

Claims (6)

  1. 코일(95)을 지탱하고 압축기의 실린더(60)에 부착되는 1조의 내측 적층체(90)와, 이들 내측 적층체(90)로부터 떨어져 있는 1조의 외측 적층체(30)에 의해 형성되는 고정자, 및 상기 코일(95)에 전류가 인가된 때 상기 실린더(60) 내에서 가동 부재(80)를 왕복운동시키도록 연결되어 있는 액츄에이터(85)에 의해 지탱되어 있는 자석 부재(86)를 포함하는 선형 모터에 있어서,
    상기 선형 모터는, 상기 외측 적층체(30)와 상기 내측 적층체(90)를 연결하는 링 형태의 연결 요소(100)를 더 포함하고, 이 연결 요소(100)는 상기 압축기의 실린더(60)에 접하지 않고 그 실린더로부터 떨어져 있으며, 상기 실린더(60)의 외측 표면상에 장착된 상기 내측 적층체(90)에 대한 상기 외측 적층체(30)를 위한 현가 타입 장착부로서 작용하는 것을 특징으로 하는 선형 모터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결 요소(100)는 상기 외측 적층체(30)의 상단부와 상기 내측 적층체(90)의 상단부를 연결하는 것을 특징으로 하는 선형 모터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연결 요소(100)는 비자성 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 선형 모터.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 연결 요소(100)는 상기 내측 적층체(90)와 상기 외측 적층체(30) 사이에 획정(劃定)된 공간과 통하여 있는 관통 구멍(107)을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 선형 모터.
  5. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 선형 모터를 포함하는 선형 압축기로서,
    상기 가동 부재(80)는 상기 선형 모터에 의해 실린더(60) 내에서 왕복운동하는 피스톤에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 압축기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 연결 요소(100)가 비자성 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 선형 압축기.
KR1020037014589A 2001-05-14 2002-05-13 선형 모터 및 이 선형 모터를 포함하는 선형 압축기 KR100856845B1 (ko)

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