KR101454550B1 - 리니어 압축기 - Google Patents

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정원현
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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에는, 냉매 흡입부가 구비되는 쉘; 상기 쉘의 내부에 제공되며, 코일이 구비되는 아우터 스테이터; 상기 아우터 스테이터로부터 이격되어 배치되는 이너 스테이터; 상기 아우터 스테이터와 이너 스테이터의 사이에 이동 가능하게 배치되는 영구자석; 상기 냉매 흡입부에서 흡입된 냉매가 압축되는 압축공간이 포함되는 실린더; 상기 영구자석에 결합되어 상기 실린더의 내부에서 왕복 운동 가능하게 제공되는 피스톤; 상기 피스톤에 구비되며, 측정된 경도값이 제 1 경도값을 가지는 제 1 표면처리부; 및 상기 실린더에 구비되며, 상기 제 1 경도값과의 경도 차이가 미리 설정된 값 이상으로 형성되는 제 2 경도값을 규정하는 제 2 표면처리부가 포함된다.

Description

리니어 압축기{A linear compressor}
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축하여 압력을 높여주는 기계장치로서, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
이러한 압축기를 크게 분류하면, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되고 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor) 및 선회 스크롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되고 상기 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전하면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 구분될 수 있다.
최근에는 상기 왕복동식 압축기 중에서 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없이 압축효율을 향상시킬 수 있고 간단한 구조로 구성되는 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.
보통, 리니어 압축기는 밀폐된 쉘 내부에서 피스톤이 리니어 모터에 의해 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하도록 움직이면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음 토출시키도록 구성된다.
상기 리니어 모터는 이너 스테이터 및 아우터 스테이터 사이에 영구자석이 위치되도록 구성되며, 영구자석은 영구자석과 이너(또는 아우터) 스테이터 간의 상호 전자기력에 의해 직선 왕복 운동하도록 구동된다. 그리고, 상기 영구자석이 피스톤과 연결된 상태에서 구동됨에 따라, 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선운동하면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 한다.
종래의 리니어 압축기와 관련하여, 본 출원인은 특허출원(이하, 종래 출원)을 실시한 바 있다 (공개번호 10-2010-0010421).
상기 종래 출원에 따른 리니어 압축기에는, 리니어 모터로서 아우터 스테이터(240), 이너 스테이터(220) 및 영구자석(260)이 포함되고, 피스톤(140)의 일단은 영구자석(260)과 연결된다.
상기 영구자석(260)과, 이너 스테이터(220) 및 아우터 스테이터(240)의 상호 전자기력에 의해 영구자석(260)이 왕복 직선운동하면, 상기 피스톤(140)은 상기 영구자석(260)과 함께 실린더(130)의 내부에서 왕복 직선운동한다.
이러한 종래 기술에 의하면, 피스톤이 실린더의 내부에서 반복적으로 이동하는 과정에서, 실린더와 피스톤간에 간섭이 이루어져 상기 실린더 또는 피스톤에 마모가 발생할 수 있다. 그리고, 피스톤과 실린더의 조립 과정에서 약간의 오차가 발생하는 경우, 압축가스가 외부로 누설되는 현상이 발생되고 이에 따라 상기 마모가 더 많이 발생되는 문제점이 있었다.
또한, 실린더와 피스톤에 간섭이 발생하면서, 상기 피스톤과 연결된 영구자석과, 상기 이너 스테이터 및 아우터 스테이터간에 간섭이 발생되어 부품의 손상이 발생되는 문제점이 있었다.
한편, 종래의 리니어 압축기에 따르면, 실린더 또는 피스톤이 자성체로 구성되어 상기 리니어 모터에서 발생된 자속(flux)이 상기 실린더 또는 피스톤을 통하여 외부로 누설되는 양이 많게 되고, 이에 따라 압축기의 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 압축기 내부 부품의 마모 또는 손상을 방지하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에는, 냉매 흡입부가 구비되는 쉘; 상기 쉘의 내부에 제공되며, 코일이 구비되는 아우터 스테이터; 상기 아우터 스테이터로부터 이격되어 배치되는 이너 스테이터; 상기 아우터 스테이터와 이너 스테이터의 사이에 이동 가능하게 배치되는 영구자석; 상기 냉매 흡입부에서 흡입된 냉매가 압축되는 압축공간이 포함되는 실린더; 상기 영구자석에 결합되어 상기 실린더의 내부에서 왕복 운동 가능하게 제공되는 피스톤; 상기 피스톤에 구비되며, 측정된 경도값이 제 1 경도값을 가지는 제 1 표면처리부; 및 상기 실린더에 구비되며, 상기 제 1 경도값과의 경도 차이가 미리 설정된 값 이상으로 형성되는 제 2 경도값을 규정하는 제 2 표면처리부가 포함된다.
또한, 상기 미리 설정된 값은, 비커스 경도를 기준으로 적어도 150HV 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미리 설정된 값은, 상기 피스톤이 설정시간 동안 반복적으로 운동하는 과정에서, 상기 피스톤 또는 실린더에서 발생되는 마모량이 3μm 이하가 될 수 있는 값으로 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 표면처리부 또는 제 2 표면처리부는, PTFE(Polytera Fluoroethylene), DLC(Diamond Like Carbon), 니켈-인 합금소재 및 양극산화 피막 중 어느 하나의 소재로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 표면처리부는, 상기 PTFE, DLC, 니켈-인 합금소재 및 양극산화 피막 중 어느 하나의 소재로 구성되고, 상기 제 2 표면처리부는, 상기 PTFE, DLC, 니켈-인 합금소재 및 양극산화 피막 중 다른 하나의 소재로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 표면처리부는 상기 PTFE로 구성되고, 상기 제 2 표면처리부는 상기 양극산화 피막으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤 및 실린더는 비자성체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤과 실린더는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지며, 상기 피스톤 및 실린더의 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 동일한 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 표면처리부는 상기 피스톤의 외주면에 표면처리 되며, 상기 제 2 표면처리부는 상기 피스톤의 외주면에 대향하는 실린더의 내주면에 표면처리 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤에는, 상기 실린더의 내측에 수용되는 피스톤 본체; 상기 피스톤 본체의 반경 방향으로 확장되며, 상기 영구자석과 결합되는 플랜지부가 포함되며, 상기 제 1 표면처리부는 상기 피스톤 본체의 외주면에 제공되는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에 따른 리니어 압축기에는, 코일에 인가된 전류에 의하여 형성된 자속과, 영구자석의 자속이 상호 작용하여 발생된 힘에 의하여, 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤이 포함되는 리니어 압축기에 있어서, 상기 피스톤의 외주면에 구비된 제 1 표면처리부; 및 상기 실린더의 내주면에 구비된 제 2 표면처리부가 포함되며, 상기 제 1 표면처리부의 측정된 경도값과, 상기 제 2 표면처리부의 측정된 경도값은 미리 설정된 경도 차이를 형성하는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에 따른 리니어 압축기에는, 냉매 흡입부가 구비되는 쉘; 상기 쉘의 내부에 제공되며, 코일이 구비되는 아우터 스테이터; 상기 아우터 스테이터로부터 이격되어 배치되는 이너 스테이터; 상기 아우터 스테이터와 이너 스테이터의 사이에 이동 가능하게 배치되는 영구자석; 상기 냉매 흡입부에서 흡입된 냉매가 압축되는 압축공간이 포함되는 실린더; 상기 영구자석에 결합되어 상기 실린더의 내부에서 왕복 운동 가능하게 제공되는 피스톤; 상기 피스톤의 외주면에 표면처리 된 PTFE(Polytera Fluoroethylene); 및 상기 실린더의 내주면에 아노다이징(Anodizing)에 의하여 표면처리 된 양극산화 피막이 포함된다.
이러한 본 발명에 의하면, 실린더와 피스톤이 비자성체, 특히 알루미늄 재질로 구성되어 모터 어셈블리에서 발생된 자속이 실린더의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있으므로, 압축기의 효율을 개선할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 피스톤과 실린더가 마주보는 면, 특히 피스톤의 외면과 실린더의 내면에 각각 표면처리부가 제공되어 내마모성을 증가시켜 압축기 부품의 신뢰성을 향상할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 피스톤의 외면에 제공되는 제 1 표면처리부의 경도와, 실린더의 내면에 제공되는 제 2 표면처리부의 경도간의 차이값을 소정 범위에 형성함으로써 실린더 또는 피스톤의 마멸도를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
특히, 상기 제 1 표면처리부의 경도와, 제 2 표면처리부의 경도간의 차이값을 최소한 소정값 이상으로 유지함으로써, 피스톤의 외면이 실린더의 내면에 눌러붙는 현상을 방지하고 이에 따라 피스톤 또는 실린더의 파손을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 모터 어셈블리에 제공되는 영구자석을 저렴한 페라이트(ferrite) 소재로 구성함으로써 압축기의 제작비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 피스톤의 결합모습을 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 2의 상태에서, 피스톤이 일 방향으로 이동한 모습을 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 피스톤의 결합체의 모습을 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제 1,2 표면처리부간의 경도 차이에 따라, 실린더 또는 피스톤의 마멸도의 변화를 보여주는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기(10)에는, 쉘(110)의 내부에 제공되는 실린더(120)와, 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동하는 피스톤(130) 및 상기 피스톤(130)에 구동력을 부여하는 모터 어셈블리(200)가 포함된다. 상기 쉘(110)은 상부 쉘 및 하부 쉘이 결합되어 구성될 수 있다.
상기 쉘(110)에는, 냉매가 유입되는 흡입부(101) 및 상기 실린더(120)의 내부에서 압축된 냉매가 배출되는 토출부(105)가 포함된다. 상기 흡입부(101)를 통하여 흡입된 냉매는 흡입 머플러(140)를 거쳐 상기 피스톤(130)의 내부로 유동한다. 냉매가 상기 흡입 머플러(140)를 통과하는 과정에서, 소음이 저감될 수 있다.
상기 실린더(120)의 내부에는, 상기 피스톤(130)에 의하여 냉매가 압축되는 압축 공간(P)이 형성된다. 그리고, 상기 피스톤(130)에는, 상기 압축 공간(P)으로 냉매를 유입시키는 흡입공(131a)이 형성되며, 상기 흡입공(131a)의 일측에는 상기 흡입공(131a)을 선택적으로 개방하는 흡입 밸브(132)가 제공된다.
상기 압축 공간(P)의 일측에는, 상기 압축 공간(P)에서 압축된 냉매를 배출시키기 위한 토출밸브 어셈블리(170,172,174)가 제공된다. 즉, 상기 압축 공간(P)은 상기 피스톤(130)의 일측 단부와 토출밸브 어셈블리(170,172,174)의 사이에 형성되는 공간으로서 이해된다.
상기 토출밸브 어셈블리(170,172,174)에는, 냉매의 토출 공간을 형성하는 토출 커버(172)와, 상기 압축 공간(P)의 압력이 토출압력 이상이 되면 개방되어 냉매를 상기 토출 공간으로 유입시키는 토출 밸브(170) 및 상기 토출 밸브(170)와 토출 커버(172)의 사이에 제공되어 축 방향으로 탄성력을 부여하는 밸브 스프링(174)이 포함된다. 여기서, 상기 "축 방향"이라 함은, 상기 피스톤(130)이 왕복운동 하는 방향, 즉 도 1에서 가로 방향으로 이해될 수 있다.
상기 흡입 밸브(132)는 상기 압축 공간(P)의 일측에 형성되고, 상기 토출 밸브(170)는 상기 압축 공간(P)의 타측, 즉 상기 흡입 밸브(132)의 반대측에 제공될 수 있다.
상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동 하는 과정에서, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력보다 낮고 흡입압력 이하가 되면 상기 흡입 밸브(132)가 개방되어 냉매는 상기 압축 공간(P)으로 흡입된다. 반면에, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 흡입압력 이상이 되면 상기 흡입 밸브(132)가 닫힌 상태에서 상기 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
한편, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력 이상이 되면, 상기 밸브 스프링(174)이 변형하여 상기 토출 밸브(170)를 개방시키고, 냉매는 상기 압축공간(P)으로부터 토출되어, 토출 커버(172)의 토출공간으로 배출된다.
그리고, 상기 토출 공간의 냉매는 상기 토출 머플러(176)를 거쳐 루프 파이프(178)로 유입된다. 상기 토출 머플러(176)는 압축된 냉매의 유동 소음을 저감시킬 수 있으며, 상기 루프 파이프(178)는 압축된 냉매를 상기 토출부(105)로 가이드 한다. 상기 루프 파이프(178)는 상기 토출 머플러(176)에 결합되어 굴곡지게 연장되며, 상기 토출부(105)에 결합된다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 프레임(110)이 더 포함된다. 상기 프레임(110)은 상기 실린더(200)를 고정시키는 구성으로서, 상기 실린더(200)와 일체로 구성되거나 별도의 체결부재에 의하여 체결될 수 있다. 그리고, 상기 토출 커버(172) 및 토출 머플러(176)는 상기 프레임(110)에 결합될 수 있다.
상기 모터 어셈블리(200)에는, 상기 프레임(110)에 고정되어 상기 실린더(120)를 둘러싸도록 배치되는 아우터 스테이터(210)와, 상기 아우터 스테이터(210)의 내측으로 이격되어 배치되는 이너 스테이터(220) 및 상기 아우터 스테이터(210)와 이너 스테이터(220)의 사이 공간에 위치하는 영구자석(230)이 포함된다.
상기 영구자석(230)은, 상기 아우터 스테이터(210) 및 이너 스테이터(220)와의 상호 전자기력에 의하여 직선 왕복 운동할 수 있다. 그리고, 상기 영구자석(230)은 1개의 극을 가지는 단일 자석으로 구성되거나, 3개의 극을 가지는 다수의 자석이 결합되어 구성될 수 있다.
상기 영구자석(230)은 연결부재(138)에 의하여 상기 피스톤(130)에 결합될 수 있다. 상기 연결부재(138)는 상기 피스톤(130)의 일측 단부로부터 상기 영구자석(130)으로 연장될 수 있다. 상기 영구자석(230)이 직선 이동함에 따라, 상기 피스톤(130)은 상기 영구자석(230)과 함께 축 방향으로 직선 왕복 운동할 수 있다.
상기 아우터 스테이터(210)에는, 코일 권선체(213,215) 및 스테이터 코어(211)가 포함된다.
상기 코일 권선체(213,215)에는, 보빈(211) 및 상기 보빈(211)의 원주 방향으로 권선된 코일(215)이 포함된다. 상기 코일(215)의 단면은 다각형 형상을 가질 수 있으며, 일례로 육각형의 형상을 가질 수 있다.
상기 스테이터 코어(211)는 복수 개의 라미네이션(lamination)이 원주 방향으로 적층되어 구성되며, 상기 코일 권선체(213,215)를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 모터 어셈블리(200)에 전류가 인가되면, 상기 코일(215)에 전류가 흐르게 되고, 상기 코일(215)에 흐르는 전류에 의해 상기 코일(215) 주변에 자속(flux)이 형성되며, 상기 자속은 상기 아우터 스테이터(210) 및 이너 스테이터(220)를 따라 폐회로를 형성하면서 흐르게 된다.
상기 아우터 스테이터(210)와 이너 스테이터(220)를 따라 흐르는 자속과, 상기 영구자석(230)의 자속이 상호 작용하여, 상기 영구자석(230)을 이동시키는 힘이 발생될 수 있다.
상기 아우터 스테이터(210)의 일측에는 스테이터 커버(240)가 제공된다. 상기 아우터 스테이터(210)의 일측단은 상기 프레임(110)에 의하여 지지되며, 타측단은 상기 스테이터 커버(240)에 의하여 지지될 수 있다.
상기 이너 스테이터(220)는 상기 실린더(120)의 외주에 고정된다. 그리고, 상기 이너 스테이터(220)는 복수 개의 라미네이션이 상기 실린더(120)의 외측에서 원주 방향으로 적층되어 구성된다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 상기 피스톤(130)을 지지하는 서포터(135) 및 상기 피스톤(130)으로부터 상기 흡입부(101)를 향하여 연장되는 백 커버(115)가 더 포함된다. 상기 백 커버(115)는 상기 흡입 머플러(140)의 적어도 일부분을 커버하도록 배치될 수 있다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 상기 피스톤(130)이 공진 운동할 수 있도록 각 고유 진동수가 조절된 복수의 스프링(151,155)이 포함된다.
상기 복수의 스프링(151,155)에는, 상기 서포터(135)와 스테이터 커버(240)의 사이에 지지되는 제 1 스프링(151) 및 상기 서포터(135)와 백 커버(115)의 사이에 지지되는 제 2 스프링(155)이 포함된다.
상기 제 1 스프링(151)은 상기 실린더(120) 또는 피스톤(130)의 양측에 복수 개가 제공될 수 있으며, 상기 제 2 스프링(155)은 상기 실린더(120) 또는 피스톤(130)의 전방으로 복수 개가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 "전방"이라 함은 상기 피스톤(130)으로부터 상기 흡입부(101)를 향하는 방향으로서 이해될 수 있다. 즉, 상기 흡입부(101)로부터 상기 토출밸브 어셈블리(170,172,174)를 향하는 방향을 "후방"이라 이해될 수 있다. 이 용어는 이하의 설명에서도 동일하게 사용될 수 있다.
상기 쉘(100)의 내부 바닥면에는 소정의 오일이 저장될 수 있다. 그리고, 상기 쉘(100)의 하부에는 오일을 펌핑하는 오일 공급장치(160)가 제공될 수 있다. 상기 오일 공급장치(160)는 상기 피스톤(130)이 왕복 직선운동 함에 따라 발생되는 진동에 의하여 작동되어 오일을 상방으로 펌핑할 수 있다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 상기 오일 공급장치(160)로부터 오일의 유동을 가이드 하는 오일 공급관(165)이 더 포함된다. 상기 오일 공급관(165)은 상기 오일 공급장치(160)로부터 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 사이 공간까지 연장될 수 있다.
상기 오일 공급장치(160)로부터 펌핑된 오일은 상기 오일 공급관(165)을 거쳐 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 사이 공간으로 공급되어, 냉각 및 윤활 작용을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 피스톤의 결합모습을 보여주는 단면도이고, 도 3은 도 2의 상태에서, 피스톤이 일 방향으로 이동한 모습을 보여주는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 피스톤의 결합체의 모습을 보여주는 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 피스톤(130)은 실린더(120)의 내측에서 왕복 운동 가능하게 제공된다.
상기 피스톤(130)은 비자성체인 알루미늄 소재(알루미늄 또는 알루미늄 합금)로 구성될 수 있다. 상기 피스톤(130)이 알루미늄 소재로 구성됨으로써, 상기 모터 어셈블리(200)에서 발생된 자속이 상기 피스톤(130)에 전달되어 상기 피스톤(130)의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있다. 그리고, 상기 피스톤(130)은 단조 방법에 의하여 형성될 수 있다.
상기 피스톤(130)에는, 대략 원통 형상을 가지며 상기 실린더(120)의 내부에 배치되는 피스톤 본체(131) 및 상기 피스톤 본체(131)의 일측 단부로부터 반경 방향으로 확장되어 상기 영구자석(230)과 결합되는 플랜지부(136)가 포함된다.
상기 피스톤 본체(131)의 일면에는, 상기 흡입부(131a)가 형성된다. 상기 일면은 상기 토출 밸브(170)를 바라보는 면, 즉 후면일 수 있다.
그리고, 상기 피스톤 본체(131)에는, 소정의 층 또는 막을 형성하는 제 1 표면처리부(310)가 제공되는 외주면이 포함된다. 상기 제 1 표면처리부(310)는 상기 피스톤 본체(131)의 외주면에 표면처리 되어 형성될 수 있다. 상기 제 1 표면처리부(310)가 제공됨으로써, 상기 피스톤 본체(131)의 내마모성, 윤활성 또는 내열성이 개선될 수 있다. 일례로, 상기 제 1 표면처리부(310)를 "제 1 코팅층"일 수 있다.
일례로, 상기 제 1 표면처리부(310)에는, PTFE(테프론), DLC(Diamond Like Carbon), 니켈-인 합금소재 및 아노다이징 피막(Anodizing layer, 양극산화 피막) 중 어느 하나의 소재로 구성될 수 있다.
상기 플랜지부(136)에는, 다수의 홀(137a,137b)이 포함된다. 상기 다수의 홀(137a,137b)에는, 상기 서포터(135) 및 연결부재(138)와 결합되는 체결부재가 삽입되는 하나 이상의 체결 홀(137a) 및 상기 피스톤(130)의 주변에서 발생되는 유동 저항을 감소시키기 위한 하나 이상의 관통 홀(137b)이 포함된다.
한편, 상기 실린더(120)는 비자성체인 알루미늄 소재(알루미늄 또는 알루미늄 합금)로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 소재 구성비, 즉 종류 및 성분비는 동일할 수 있다.
상기 실린더(120)가 알루미늄 소재로 구성됨으로써, 상기 모터 어셈블리(200)에서 발생된 자속이 상기 실린더(120)에 전달되어 상기 실린더(120)의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있다. 그리고, 상기 실린더(120)는 압출봉 가공방법에 의하여 형성될 수 있다.
그리고, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)가 동일한 소재(알루미늄)로 구성됨으로써 열팽창 계수가 서로 같게 된다. 리니어 압축기(10)의 운전간, 상기 쉘(100) 내부는 고온(약 100℃)의 환경이 조성되는데, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)의 열팽창 계수가 동일하므로, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)는 동일한 양만큼 열변형 될 수 있다.
결국, 피스톤(130)과 실린더(120)가 서로 다른 크기 또는 방향으로 열변형 됨으로써, 피스톤과(130)의 운동간에 상기 실린더(120)와 간섭이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 실린더(120)는 중공의 원통 형상을 가지며, 상기 피스톤 본체(131)가 이동 가능하게 수용될 수 있다. 상기 실린더(120)에는, 상기 피스톤 본체(131)의 외주면에 대향하는 내주면이 포함된다. 상기 실린더(120)의 내주면에는, 소정의 층 또는 막을 형성하는 제 2 표면처리부(320)가 제공된다.
상기 제 2 표면처리부(320)는 상기 제 1 표면처리부(310)와는 다른 표면 처리방법으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 표면처리부(310)가 제공됨으로써, 상기 피스톤 본체(131)의 내마모성, 윤활성 또는 내열성이 개선될 수 있다. 일례로, 상기 제 2 표면처리부(320)는 제 2 코팅층일 수 있다.
일례로, 상기 제 2 표면처리부(320)에는, PTFE(테프론), DLC(Diamond Like Carbon), 니켈-인 합금소재 및 아노다이징 피막(Anodizing layer, 양극산화 피막) 중 어느 하나의 소재로 구성될 수 있다.
상기 피스톤(130)의 외주면과 상기 실린더(120)의 내주면 간에는 소정 크기 이상의 경도(hardness) 차이가 발생될 수 있다. 상기 피스톤(130)의 외주면과 상기 실린더(120)의 내주면 간에 경도 차이가 너무 작게 되면, 상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내측에서 반복하여 이동하는 과정에서, 상기 피스톤(130) 및 실린더(120) 중 어느 하나가 다른 하나에 눌러 붙는 현상, 즉 표면의 마모가 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예는 상기 제 1 표면처리부(310)가 구비된 피스톤(130)과, 상기 제 2 표면처리부(320)가 구비된 실린더(120)의 경도는 소정 크기 이상으로 형성되어, 상기 피스톤(130) 또는 실린더(120)의 내마모성(또는 내마멸성)을 개선하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 상기 제 1 표면처리부(310) 또는 제 2 표면처리부(320)의 구성 및 표면처리 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 제 1 표면처리부(310) 또는 제 2 표면처리부(320)에는, PTFE(Polytera Fluoroethylene)이 포함될 수 있다. 상기 PTFE는 불소계 폴리머로서, 일반적으로 "테프론"이라 명명한다.
상기 PTFE는, 불소 수지를 도료화 한 상태에서 상기 피스톤(130)의 외주면 또는 실린더(120)의 내주면에 스프레이 되고 일정한 온도에서 가열, 소성 과정을 거치면서 비활성의 코팅층을 형성하게 된다.
상기 PTFE는 낮은 마찰계수를 가지고 있으므로 상기 피스톤(130)의 외주면 또는 실린더(120)의 내주면에 코팅될 경우, 표면의 윤활성을 향상시키고 내마모성을 개선할 수 있다.
한편, 상기 PTFE의 경도는 매우 작으며, 경도측정은 연필경도 측정방법에 의한다. 일례로, 상기 PTFE의 경도는 연필경도 HB 이상일 수 있다. 다만, 상기 PTFE의 경도를 비커스 경도(Hv)로 환산하는 경우, 상기 PTFE는 약 0~30Hv의 경도를 가질 수 있다 (아래 표 1 참조).
다른 예로서, 상기 제 1 표면처리부(310) 또는 제 2 표면처리부(320)에는, 아노다이징(Anodizing) 기술에 의한 피막, 즉 양극산화 피막이 포함될 수 있다.
상기 아노다이징 기술은, 알루미늄 도장의 일종으로서, 알루미늄을 양극으로 하고 통전하면 양극에서 발생하는 산소에 의하여 알루미늄 면이 산화되어 산화 알루미늄 피막이 생기는 특성을 이용한 가공기술로서 이해된다.
상기 양극산화 피막은 내식성 및 내절연성이 우수한 특성을 가진다.
그리고, 상기 양극산화 피막의 경도는 코팅되는 소재(모재)의 상태 또는 성분에 따라 달라질 수 있으나, 약 300~500Hv에서 형성될 수 있다 (아래 [표 1] 참조).
또 다른 예로서, 상기 제 1 표면처리부(310) 또는 제 2 표면처리부(320)에는, DLC(Diamond-Like Carborn)이 포함될 수 있다.
상기 DLC는 비결정질의 탄소계 신소재로서 플라즈마 중의 탄소 이온이나 활성화 된 탄화수소 분자를 전기적으로 가속하고 표면에 충돌시킴으로써 형성된 박막 모양의 물질로서 이해된다.
상기 DLC의 물성은 다이아몬드와 유사하며, 높은 경도 및 내마모성을 가지며, 전기 절연성이 우수하고, 낮은 마찰계수를 가지므로 윤활성이 우수한 특성을 가진다.
상기 DLC의 경도는 약 1,500~1,800Hv에서 형성될 수 있다 (아래 [표 1] 참조).
또 다른 예로서, 상기 제 1 표면처리부(310) 또는 제 2 표면처리부(320)에는, 니켈(Ni)-인(P) 합금소재가 포함될 수 있다.
상기 니켈-인 합금소재는 무전해(electroless) 니켈 도금(plating)방식에 의하여 상기 피스톤(130)의 외주면 또는 실린더(120)의 내주면에 구비될 수 있으며, 니켈 및 인 성분이 균일한 두께로 표면 석출되어 형성될 수 있다. 상기 니켈-인 합금소재는 니켈(Ni)이 90~92%, 인(P)이 9~10%의 화학 조성비율을 가질 수 있다.
상기 니켈-인 합금소재는 표면의 내식성 및 내마모성을 개선하며, 윤활성이 우수한 특성을 가진다.
상기 니켈-인 합금소재의 경도는 약 500~600Hv에서 형성될 수 있다 (아래 [표 1] 참조).
코팅소재(방법) 경도(Hv, 비커스 경도)
PTFE (테프론) 0~30 (평균 : 15)
아노다이징 피막(Anodizing layer) 300~500 (평균 : 400)
DLC (Diamond-Like Carbon) 1,500~1,800 (평균 : 1,650)
니켈(NI)-인(P) 합금 500~600 (평균 : 550)
상기한 바와 같이, 상기 제 1 표면처리부(310) 또는 제 2 표면처리부(320)는 위 4가지의 코팅소재(방법) 중 어느 하나의 소재(방법)에 의하여 구성될 수 있다.
다만, 상기 제 1 표면처리부(310)와 제 2 표면처리부(320)는 서로 다른 코팅소재(방법)에 의하여 형성되며, 이에 따라 상기 피스톤(130)의 외면과 실린더(120)의 내면은 소정 크기 이상의 경도 차이를 형성하게 된다. 설명의 편의를 위하여, 상기 제 1 표면처리부(310)의 경도값을 "제 1 경도값", 상기 제 2 표면처리부(320)의 경도값을 "제 2 경도값"이라 명명한다.
본 실시예에 따른 위 4가지 소재(방법)은 상기 소정 크기 이상의 경도 차이를 형성할 수 있는 소재(방법)로서 선택된다. 이하에서는, 실험 그래프를 참조하여, 피스톤과 실린더의 표면간 경도차이에 따라, 상기 피스톤 또는 실린더에서 발생되는 마멸도의 변화 추이를 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제 1,2 표면처리부간의 경도 차이에 따라, 실린더 또는 피스톤의 마멸도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 피스톤(130)의 외면과 실린더(120)의 내면에 소정의 표면처리부를 각각 구비하고, 각 표면처리부의 경도 차이에 따라 피스톤 또는 실린더에서 발생되는 마멸도를 실험적으로 측정하여 정리한 그래프이다. 여기서, 상기 소정의 표면처리부는 [표 1]에 기재된 4가지 방법 이외에 다양한 소재 또는 방법이 사용되었다.
그리고, 상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부에서 반복적으로 왕복 운동하는 과정에서, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)의 손상을 방지하고 작동 신뢰성을 확보하기 위하여, 상기 피스톤(130) 또는 실린더(120)의 표면에 마멸도가 3μm 이하로 유지하는 것을 목표로 한다.
도 5를 참조하면, 상기 피스톤(130)의 제 1 표면처리부(310)와, 상기 실린더(120)의 제 2 표면처리부(320)간의 경도 차이가 50Hv이 되도록 표면처리부를 마련하고, 일정시간 이상, 일례로 100시간 이상 피스톤의 왕복운동을 수행하는 경우, 상기 피스톤(130) 또는 실린더(120)의 마멸도는 약 5μm 정도 발생하는 것을 관측되었다.
그리고, 상기 제 1,2 표면처리부(310,320)간 경도 차이가 80Hv일 경우에는, 상기 피스톤(130) 또는 실린더(120)의 마멸도는 약 4μm 정도 발생하는 것을 관측되었다.
한편, 상기 제 1,2 표면처리부(310,320)간 경도 차이가 P1일 경우, 상기 피스톤(130) 또는 실린더(120)의 마멸도가 약 3μm 정도 발생하는 것을 관측되었다. 여기서, 상기 P1은 약 150Hv에서 형성된다. 그리고, 상기 경도 차이가 P1 이상인 구간에서, 상기 마멸도는 3μm 이하로 유지되며, 상기 경도 차이가 커질수록 상기 마멸도는 점차 감소될 수 있다.
정리하면, 피스톤(130)과 실린더(120)의 작동 신뢰성을 확보하기 위하여, 상기 피스톤(130)의 제 1 표면처리부(310)와 상기 실린더(120)의 제 2 표면처리부(320) 간에 경도 차이가 약 150Hv 이상이 되도록, 각 표면처리부를 선택할 수 있다.
이하, [표 2]를 참조하여, 상기한 4가지의 코팅소재(방법) 중 어느 하나가 피스톤(130)의 제 1 표면처리부(310)에 구비되고, 다른 하나가 실린더(120)의 제 2 표면처리부(320)에 구비될 경우, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)의 경도 차이를 설명한다.
제 1 표면처리부(310) 제 2 표면처리부(320) 표면처리부 간 경도차(Hv)
PTFE
(테프론)		 아노다이징 피막 385
DLC 1,635
니켈(NI)-인(P) 합금 535
아노다이징 피막
(Anodizing layer)		 PTFE 385
DLC 1,250
니켈(NI)-인(P) 합금 150
DLC
(Diamond-Like Carbon)		 PTFE 1,635
아노다이징 피막 1,250
니켈(NI)-인(P) 합금 1,100
니켈(NI)-인(P) 합금 PTFE 535
아노다이징 피막 150
DLC 1,100
위 [표 2]는, 계산의 편의를 위하여 각 코팅소재의 경도값 평균을 이용하여 계산한 경도 차이값을 나타낸다.
상세히, 상기 제 1 표면처리부(310) 및 제 2 표면처리부(320) 중 어느 하나의 표면처리부에 아노다이징에 의한 산화 피막이 형성되고, 다른 하나의 표면처리부에 니켈-인 합금소재가 형성되는 경우, 표면처리부 간 경도차는 약 150Hv를 나타낸다.
반면에, 상기 제 1 표면처리부(310) 및 제 2 표면처리부(320) 중 어느 하나의 표면처리부에 DLC가 형성되고, 다른 하나의 표면처리부에 PTFE가 형성되는 경우, 표면처리부 간 경도차는 약 1,635Hv를 나타낸다.
그리고, 상기 제 1 표면처리부(310) 및 제 2 표면처리부(320) 중 어느 하나의 표면처리부에 PTFE가 형성되고, 다른 하나의 표면처리부에 아노다이징에 의한 산화 피막이 형성되는 경우, 표면처리부 간 경도차는 약 385Hv를 나타낸다.
상기 제 1 표면처리부(310) 및 제 2 표면처리부(320) 중 어느 하나의 표면처리부에 PTFE가 형성되고, 다른 하나의 표면처리부에 니켈-인 합금소재가 형성되는 경우, 표면처리부 간 경도차는 약 535Hv를 나타낸다.
상기 제 1 표면처리부(310) 및 제 2 표면처리부(320) 중 어느 하나의 표면처리부에 아노다이징에 의한 산화 피막이 형성되고, 다른 하나의 표면처리부에 DLC가 형성되는 경우, 표면처리부 간 경도차는 약 1,250Hv를 나타낸다.
상기 제 1 표면처리부(310) 및 제 2 표면처리부(320) 중 어느 하나의 표면처리부에 DLC가 형성되고, 다른 하나의 표면처리부에 니켈-인 합금소재가 형성되는 경우, 표면처리부 간 경도차는 약 1,100Hv를 나타낸다.
상기한 바와 같이, 위 4가지의 코팅 소재 중 어느 하나를 이용하여 상기 제 1 표면처리부(310)를 구성하고, 다른 하나를 이용하여 상기 제 2 표면처리부(320)를 구성하는 경우, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)의 경도 차이값은 최소 150Hv, 최대 1,635Hv를 형성한다. 즉, 경도 차이값은 적어도 150Hv 이상이 될 수 있다.
위의 4가지 코팅 소재를 이용하여 상기 제 1,2 표면처리부(310,320)를 구성하는 경우, 도 5에 도시된 내마멸성을 판단하는 기준이 되는 경도 차이 150Hv 이상을 유지할 수 있게 된다.
정리하면, 상기 피스톤(130)의 외면과 실린더(120)의 내면에, 상기 4가지 코팅 소재를 이용한 표면처리부를 구성하는 경우, 상기 피스톤(130) 또는 실린더(120)의 내마멸성을 양호한 수준으로 유지할 수 있다. 따라서, 상기 피스톤(130)의 왕복 운동이 이루어지는 과정에서 상기 피스톤(130) 또는 실린더(120)의 작동에 관한 신뢰성을 확보할 수 있다.
일례로서, 상기 피스톤(130)의 제 1 표면처리부(310)는 PTFE로 구성되고, 상기 실린더(120)의 제 2 표면처리부(320)는 양극산화 피막으로 구성되는 경우, 제 1,2 표면처리부(310,320)간의 경도 차이는 385Hv이므로 요구되는 경도 차이값을 만족하게 된다.
그리고, 왕복운동 하는 피스톤(130)에 PTFE의 코팅층이 형성됨으로써 윤활성능을 개선할 수 있고, 실린더(120)의 내주면에 양극산화 피막이 형성됨으로써 내식성 및 내절연성을 개선할 수 있으므로, 피스톤(130) 및 실린더(120)의 작동 신뢰성을 확보할 수 있다.
10 : 리니어 압축기 100 : 쉘
110 : 프레임 120 : 실린더
130 : 피스톤 140 : 흡입 머플러
151,155 : 제 1,2 스프링 160 : 오일 공급장치
170 : 토출 밸브 200 : 모터 어셈블리
210 : 아우터 스테이터 220 : 이너 스테이터
230 : 영구자석 240 : 스테이터 커버
310 : 제 1 표면처리부 320 : 제 2 표면처리부

Claims (15)

  1. 냉매 흡입부가 구비되는 쉘;
    상기 쉘의 내부에 제공되며, 코일이 구비되는 아우터 스테이터;
    상기 아우터 스테이터로부터 이격되어 배치되는 이너 스테이터;
    상기 아우터 스테이터와 이너 스테이터의 사이에 이동 가능하게 배치되는 영구자석;
    상기 냉매 흡입부에서 흡입된 냉매가 압축되는 압축공간이 포함되는 실린더;
    상기 영구자석에 결합되어 상기 실린더의 내부에서 왕복 운동 가능하게 제공되는 피스톤;
    상기 피스톤에 구비되며, 측정된 경도값이 제 1 경도값을 가지는 제 1 표면처리부; 및
    상기 실린더에 구비되며, 상기 제 1 경도값과의 경도 차이가 미리 설정된 값 이상으로 형성되는 제 2 경도값을 가지는 제 2 표면처리부가 포함되는 리니어 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 값은,
    비커스 경도를 기준으로 적어도 150Hv 이상인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 값은,
    상기 피스톤이 설정시간 동안 반복적으로 운동하는 과정에서, 상기 피스톤 또는 실린더에서 발생되는 마모량이 3μm 이하가 될 수 있는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 표면처리부 또는 제 2 표면처리부는,
    PTFE(Polytetra Fluoroethylene), DLC(Diamond Like Carbon), 니켈-인 합금소재 및 양극산화 피막(Anodizing layer) 중 어느 하나의 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 표면처리부는, 상기 PTFE, DLC, 니켈-인 합금소재 및 양극산화 피막 중 어느 하나의 소재로 구성되고,
    상기 제 2 표면처리부는, 상기 PTFE, DLC, 니켈-인 합금소재 및 양극산화 피막 중 다른 하나의 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 표면처리부는 상기 PTFE로 구성되고, 상기 제 2 표면처리부는 상기 양극산화 피막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 및 실린더는 비자성체로 구성되는 리니어 압축기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 피스톤과 실린더는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 리니어 압축기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 피스톤 및 실린더의 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 동일한 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 표면처리부는 상기 피스톤의 외주면에 구비되며,
    상기 제 2 표면처리부는 상기 피스톤의 외주면에 대향하는 실린더의 내주면에 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤에는,
    상기 실린더의 내측에 수용되는 피스톤 본체;
    상기 피스톤 본체의 반경 방향으로 확장되며, 상기 영구자석과 결합되는 플랜지부가 포함되며,
    상기 제 1 표면처리부는 상기 피스톤 본체의 외주면에 제공되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 코일에 인가된 전류에 의하여 형성된 자속과, 영구자석의 자속이 상호 작용하여 발생된 힘에 의하여, 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤이 포함되는 리니어 압축기에 있어서,
    상기 피스톤의 외주면에 구비된 제 1 표면처리부; 및
    상기 실린더의 내주면에 구비된 제 2 표면처리부가 포함되며,
    상기 제 1 표면처리부의 측정된 경도값과, 상기 제 2 표면처리부의 측정된 경도값은 미리 설정된 경도 차이를 형성하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 경도 차이는,
    비커스 경도를 기준으로 적어도 150Hv 이상인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 표면처리부는, PTFE, DLC, 니켈-인 합금소재 및 양극산화 피막 중 어느 하나의 소재로 구성되고,
    상기 제 2 표면처리부는, 상기 PTFE, DLC, 니켈-인 합금소재 및 양극산화 피막 중 다른 하나의 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  15. 냉매 흡입부가 구비되는 쉘;
    상기 쉘의 내부에 제공되며, 코일이 구비되는 아우터 스테이터;
    상기 아우터 스테이터로부터 이격되어 배치되는 이너 스테이터;
    상기 아우터 스테이터와 이너 스테이터의 사이에 이동 가능하게 배치되는 영구자석;
    상기 냉매 흡입부에서 흡입된 냉매가 압축되는 압축공간이 포함되는 실린더;
    상기 영구자석에 결합되어 상기 실린더의 내부에서 왕복 운동 가능하게 제공되는 피스톤;
    상기 피스톤의 외주면에 표면처리 된 PTFE(Polytera Fluoroethylene) 코팅층; 및
    상기 실린더의 내주면에 아노다이징(Anodizing)에 의하여 표면처리 된 양극산화 피막층이 포함되는 리니어 압축기.
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