KR101507605B1 - 리니어 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 피스톤이 공진 조건에서 운동할 수 있도록 지속적으로 힘을 전달하는 메인 스프링 중, 전방에 위치한 전방 메인 스프링의 개수를 저감한 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 냉매가 충진되는 밀폐 용기, 이너스테이터, 아우터스테이터 및 영구자석을 포함하는 리니어 모터, 리니어 모터에 의해 왕복 직선 운동하는 피스톤, 피스톤의 왕복 직선 운동하면 냉매를 압축하는 공간을 제공하는 실린더, 피스톤의 일단에 연결되며, 피스톤과 접촉하는 연결부, 연결부에서 확장된 지지부 및 연결부에서 확장된 부가 질량 부재 고정부를 구비하는 서포터 피스톤, 서포터 피스톤의 일면에 의해 일단이 지지되며, 피스톤 중심에 대해 대칭되는 위치에 복수 개 장착되는 전방 메인 스프링 및 서포터 피스톤의 타면에 의해 일단이 지지되는 단일의 후방 메인 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
리니어 압축기, 스프링 강성, 공진 주파수, 부가 질량, 더미 매스

Description

리니어 압축기{LINEAR COMPRESSOR}
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 피스톤이 공진 운전할 수 있도록 지속적으로 피스톤에 힘을 가하는 스프링의 개수를 축소하여, 운전 조건을 관리하기 쉬운 리니어 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치로써, 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(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor)와, 선회 스크롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡, 토출되 는 압축공간이 형성되도록 하여 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 나뉘어진다.
최근에는 왕복동식 압축기 중에서 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없어 압축효율을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 간단한 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.
도 1은 종래의 리니어 압축기의 일 예를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 리니어 압축기를 백커버 쪽에서 바라본 모습을 도시한 도면이다. 리니어 압축기(1)는 밀폐된 쉘(10) 내부에서 피스톤(30)이 리니어 모터(40)에 의해 실린더(20) 내부에서 왕복 직선 운동하도록 움직이면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 구성된다. 리니어 모터(40)는 이너스테이터(42), 아우터스테이터(44) 및 이너스테이터(42)와 아우터스테이터(44) 사이에 위치하는 영구자석(46)을 포함하며, 상호 전자기력에 의해 영구자석(46)이 직선 왕복 운동하도록 구동된다. 이때 영구자석(46)이 피스톤(30)과 연결된 상태에서 구동됨에 따라, 피스톤(30)이 실린더(20) 내부에서 왕복 직선 운동하면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음 토출한다.
리니어 압축기(1)는 또한 프레임(52), 스테이터 커버(54) 및 백 커버(56)를 더 포함한다. 리니어 압축기는 실린더(20)가 프레임(52)에 의해 고정되는 구성을 구비할 수도 있고, 실린더(20)와 프레임(52)이 일체로 형성되는 구성을 구비할 수도 있다. 실린더(20)의 전방에는 토출 밸브(62)가 탄성 부재에 의해 탄성 지지되며 실린더(20) 내부 냉매의 압력에 따라 선택적으로 개폐된다. 토출 밸브(62)의 전방에 토출 캡(64) 및 토출 머플러(66)가 설치되며, 토출 캡(64) 및 토출 머플러(66) 는 프레임(52)에 고정된다. 이너스테이터(42) 및 아우터스테이터(44) 또한 일단이 프레임(52)에 의해 지지되며, 이너스테이터(42)의 0-ring 등의 별도의 부재 또는 실린더(20)에 형성된 턱에 의해 지지되며, 아우터스테이터(44)의 타단은 스테이터 커버(54)에 의해 지지된다. 백 커버(56)는 스테이터 커버(54)에 설치되며, 백 커버(56)와 스테이터 커버(54) 사이에 머플러(70)가 위치한다.
또한 피스톤(30)은 후방에 서포터 피스톤(32)이 결합된다. 서포터 피스톤(32)에는 피스톤(30)이 공진 운동할 수 있도록 각 고유진동수가 조절된 메인 스프링(80)이 설치된다. 메인 스프링(80)은 서포터 피스톤(32)과 스테이터 커버(54)에 의해 양단이 지지되는 전방 스프링(82)과 서포터 피스톤(32)과 백 커버(56)에 의해 양단이 지지되는 후방 스프링(84)으로 구분된다. 종래의 리니어 압축기는 상하 및 좌우 대칭되는 위치에 4개의 전방 스프링(82) 및 4개의 후방 스프링(84)을 포함한다. 이에 따라 구비되어야 하는 메인 스프링(80)의 개수 및 피스톤(30)의 운동시 균형을 유지하기 위해 제어되어야 할 위치 변수가 각각 8개이다. 따라서 메인 스프링의 수량이 많고, 제어되어야 할 변수가 많아 제조 공정이 복잡하고 길며, 제조 단가가 높았다.
본 발명은, 피스톤이 공진 조건에서 운동할 수 있도록 지속적으로 힘을 전달하는 메인 스프링 중, 전방에 위치한 전방 메인 스프링의 개수를 저감한 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 전방 메인 스프링 개수가 저감된 것에 맞추어 후방 메인 스프링의 강성이 조절된 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 메인 스프링의 강성이 저감된 것에 따라, 질량이 저감된 서포터 피스톤을 구비하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 서포터 피스톤이 메인 스프링과 접촉하여 마모되는 것을 방지하기 위해, 메인 스프링과 접촉하는 부위가 표면처리된 서포터 피스톤을 구비하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 메인 스프링의 탄성 계수를 조절하여, 냉매 가스에 의해 피스톤이 밀리는 양을 조절하여, 상사점 및 하사점 사이에서 피스톤을 대칭 운동시키면서 리니어 압축기의 출력을 달리할 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 피스톤 및 실린더의 길이와 실린더에 대한 피스톤의 초기 위치를 변경하지 않고, 부가 질량부재 부착을 통해 리니어 압축기의 기준 유량을 변경할 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 기준 유량에 대응하는 운전주파수를 구하고, 운전주파수에 대응하도록 기계공진주파수를 부가 질량부재의 부착에 의해 조절할 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 리니어 모터에 공급되는 전원을 조절하는 스위치의 갯수를 저감한 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 리니어 모터에 전원이 공급/차단될 때 발생하는 상호 인덕턴스를 상쇄할 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 냉매가 충진되는 밀폐 용기, 이너스테이터, 아우터스테이터 및 영구자석을 포함하는 리니어 모터, 리니어 모터에 의해 왕복 직선 운동하는 피스톤, 피스톤의 왕복 직선 운동하면 냉매를 압축하는 공간을 제공하는 실린더, 피스톤의 일단에 연결되며, 피스톤과 접촉하는 연결부, 연결부에서 확장된 지지부 및 연결부에서 확장된 부가 질량 부재 고정부를 구비하는 서포터 피스톤, 서포터 피스톤의 일면에 의해 일단이 지지되며, 피스톤 중심에 대해 대칭되는 위치에 복수 개 장착되는 전방 메인 스프링 및 서포터 피스톤의 타면에 의해 일단이 지지되는 단일의 후방 메인 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 피스톤이 서포터 피스톤이 체결되는 확장부를 포함하며, 서포터 피스톤은 연결부에 형성되며, 확장부에 체결되기 위한 체결홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 서포터 피스톤이 연결부에 형성되며, 체결홀과 겹치지 않는 곳에 형성되는 풍손 저감홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제 공한다.
또한 본 발명은 서포터 피스톤의 타면에 결합되며, 후방 메인 스프링을 지지하는 강도를 보강하는 스프링 가이더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 스프링 가이더가 피스톤 및 서포터 피스톤의 중심에 대해 정렬되는(aligned) 중심을 가지며, 서포터 피스톤에 고정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 스프링 가이더는, 후방 메인 스프링의 일단이 스프링 가이더의 반경 방향으로 움직이는 것을 제한하는 단차부를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 서포터 피스톤 및 스프링 가이더가 결합 위치를 안내하는 안내홀을 서로 대응하는 위치에 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 적어도 스프링 가이더의 후방 메인 스프링과 접촉하는 부분은 후방 메인 스프링의 경도보다 큰 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 서포터 피스톤의 냉매 유입홀에 통과하여, 피스톤 내로 그 일부가 삽입되어, 소음을 저감하여 냉매를 피스톤 내로 유입시키는 흡입 머플러를 더 포함하 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 흡입 머플러가 대략 원통형이며 일단은 서포터 피스톤에 연 결되기 위해 반경 방향으로 확장되고, 타단은 냉매가 유입되기 위한 냉매 유입홀이 형성된 본체, 본체 내에 위치하는 내부 소음관 및 피스톤 내에 위치하는 외부 소음관을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 서포터 피스톤은, 흡입 머플러의 본체가 서포터 피스톤에 대해 정렬되도록 안내하는 안착부를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 흡입 머플러가 사출 성형이 가능한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 내부 소음관 및 외부 소음관은, 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 흡입 머플러가 서포터 피스톤과 체결 부재에 의해 체결되며, 스프링 가이더가 서포터 피스톤과 흡입 머플러를 체결하는 체결 부재가 수용되는 체결 부재 수용홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 후방 메인 스프링의 타단을 고정할 수 있는 절곡부 및 돌출부 중 어느 하나를 포함하며, 후방 메인 스프링의 타단을 지지하는 백 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 백 커버가 후방 메인 스프링을 고정할 수 있는 절곡부 및 돌출부 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 백 커버와 밀폐 용기 사이에 위치하는 백 머플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 백 머플러가 백 커버에 용접되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 백 머플러가 대략 원통형으로 형성되며, 백 커버 측 면은 개방되고, 밀폐 용기 측 면은 중앙부가 밀폐 용기 측으로 돌출되어 있으며, 대략 중앙부에 냉매 유입홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 전방 메인 스프링과 후방 메인 스프링이 피스톤의 공진 운전 주파수와 대략 일치하는 고유 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 아우터스테이터의 일단 및 전방 메인 스프링의 타단을 지지하는 스테이터 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 스테이터 커버는, 전방 메인 스프링의 개수 및 위치에 대응하는 전방 메인 스프링 지지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 전방 메인 스프링 및 후방 메인 스프링이 대략 일치하는 강성을 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 전방 메인 스프링 및 후방 메인 스프링이 리니어 압축기가 구동되지 않는 상태에서 대략 일치하는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 서포터 피스톤에 선택적으로 장착되는 부가 질량 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 부가 질량 부재가 서포터 피스톤에 탈부착 가능한 복수 개인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 부가 질량 부재의 질량이 리니어 압축기의 냉매 압축 용량에 따라 결정되는 피스톤의 스트로크를 고려하여, 피스톤이 공진 조건에서 운전될 수 있는 질량인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 부가 질량 부재의 장착 여부 및 질량에 따라 서포터 피스톤의 운전 주파수를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 제어부가 소정 조건에서 부가 질량 부재의 질량에 따른 기계 공진 주파수를 추적하여, 운전 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 제어부가 피스톤의 위치와 전류의 위상 차가 최소값을 가지도록 운전 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 전방 메인 스프링 및 후방 메인 스프링의 스프링 상수가 스프링 상수에 의해 결정되는 피스톤의 밀림량이, 리니어 압축기의 최대 부하 운전조건에서 피스톤이 상사점과 하사점 사이를 대칭운동하게 하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 피스톤이 최대 부하 운전조건에서 피스톤이 상사점과 하사점 사이를 대칭 운동하도록, 실린더에 대한 피스톤의 초기 위치가 결정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 피스톤이 공진 조건에서 왕복 운동 하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 제어부가 리니어 압축기는 필요 냉력에 따라 피스톤의 운동 주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 제어부가 전류의 위상과 피스톤의 위치의 차이가 최소가 되도록 피스톤의 운동을 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 제어부가 압축기의 필요 냉력에 따른 피스톤의 상사점의 위치를 스트로크 및 전류의 위상 변곡점을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 제어부는, 산출된 피스톤의 상사점의 위치와 실제 피스톤의 상사점 위치가 일치하도록 제어하는 PWM 방식의 풀 브리지 인버터(Full-bridge Inverter) 제어 로직을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기을 제공한다.
또한 본 발명은 제어부가 정류 회로(Rectifier) 및 2개의 인버터 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 정류 회로가 배압정류회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 리니어 모터에 전원을 공급하며, 교류 전원을 직류로 정류하는 정류부, 정류된 전압이 리니어 모터로 인가되는 것을 제어하는 인버터 스위치부를 포함하는 전원 공급장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 전체 메인 스프링의 개수가 저감되므로, 부품 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 메인 스프링의 강성이 저감되어, 메인 스프링의 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는, 서포터 피스톤이 밀도가 낮은 금속으로 만들어져, 전체 구동부의 질량을 저감할 수 있어, 메인 스프링의 강성이 저감되어도 공진조건을 유지할 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 서포터 피스톤과 전방 메인 스프링이 접촉하는 부분이 표면처리되어, 전방 메인 스프링의 운동에 의해 서포터 피스톤이 마모되는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 서포터 피스톤이 비철계 금속으로 만들어져, 영구 자석의 영향을 받지 않으므로, 피스톤에 용이하게 결합될 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 리니어 모터의 제어부에 스위치 개수를 저감할 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있으며, 제어가 용이하다.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 부가 질량부재의 탈부착 및 부가 질량부재의 질량에 의해 기계공진주파수를 조절하여, 리니어 압축기의 기준 유량을 용이하게 변경할 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 리니어 모터에 인가되는 전원의 주파수가 부가 질량부재의 부가로 인해 조절된 기계공진주파수를 추적할 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 메인 스프링의 탄성 계수를 작게 하여, 냉매 가스에 의해 피스톤이 밀리는 양을 이용하여 압축 용량이 커지는 경우 냉매 가스에 의한 밀림양에 의해 피스톤의 스트로크를 증가시킬 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 과부하 조건, 즉 리니어 압축기의 압축 용량을 최대화한 조건에서도 리니어 모터에 전압을 대칭적으로 입력할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 단면을 도시한 도면이다. 리니어 압축기(100)는 밀폐 용기인 쉘(110) 내에 냉매를 압축하는 부품들을 구비하며, 쉘(110) 내부는 저압의 냉매가 충진되어 있다. 리니어 압축기(100)는 쉘(110) 내부에 냉매가 압축되는 공간을 제공하는 실린더(200) 및 실린더(200) 내에서 직선 왕복 운동하며 냉매를 압축하는 피스톤(300), 피스톤(300)과 연결된 영구자석(460), 이너스테이터(420) 및 아우터스테이터(440)를 포함하는 리니어 모터(400)를 포함한다. 영구자석(460)이 이너스테이터(420) 및 아우터스테이터(440) 사이에서 상호 전자기력에 의해 직선 왕복 운동하면, 영구자석(460)과 연결된 피스톤(300)이 영구자석(460)과 함께 직선 왕복 운동하게 된다. 이너스테이터(420)는 실린더(200)의 외주에 고정된다. 또한 아우터스테이터(440)는 프레임(520)과 스테이터 커버(540)에 의해 고정된다. 프레임(520)은 실린더(200)와 일체로 형성될 수 도 있으며, 실린더(200)와 별도로 제조되어 실린더(200)와 결합될 수도 있다. 도 3에 도시된 실시예에서는 프레임(520)과 실린더(200)가 일체로 형성된 예가 도시되어 있다. 프레임(520)과 스테이터 커버(540)가 볼트와 같은 체결 부재에 의해 체결되어 서로 결합되어, 프레임(520)과 스테이터 커버(540) 사이에서 아우터스테이터(440)가 고정된다.
피스톤(300)의 후방에는 서포터 피스톤(320)이 연결된다. 전방 메인 스프링(820)은 서포터 피스톤(320)과 스테이터 커버(540)에 의해 양단이 지지된다. 또한 후방 메인 스프링(840)은 서포터 피스톤(320)과 백 커버(560)에 의해 양단이 지지되며, 백 커버(560)는 스테이터 커버(540)의 후방에 결합된다. 이때, 서포터 피스톤(320)의 마모를 방지하고, 후방 메인 스프링(840)의 지지 강도를 높이기 위해, 서포터 피스톤(320)에는 스프링 가이더(900)가 구비된다. 스프링 가이더(900)는 후방 메인 스프링(840)을 지지하는 역할 외에, 피스톤(300)과 후방 메인 스프링(840)의 중심이 일치되도록 안내하는 역할도 한다. 피스톤(300)의 후방에는 또한 흡입 머플러(700)가 구비되며, 흡입 머플러(700)를 통해 피스톤(300)으로 냉매가 유입되면서, 냉매 흡입시의 소음을 저감한다. 이때 흡입 머플러(700)는 후방 메인 스프링(840)의 내부에 위치한다.
피스톤(300) 내부는 흡입 머플러(700)를 통해 유입된 냉매가 실린더(200)와 피스톤(300) 사이에 형성되는 압축 공간(P)로 유입되어 압축될 수 있도록 중공되어 있다. 피스톤(300)의 선단에는 밸브(310)가 설치되어 있으며, 밸브(310)는 냉매가 피스톤(300)에서 압축 공간(P)으로 유입되도록 개방되며, 압축 공간(P)에서 다시 피스톤(300)으로 유입되지 않도록 피스톤(300)의 선단을 폐쇄한다.
압축 공간(P)에서 피스톤(300)에 의해 냉매가 소정의 압력 이상으로 압축되면, 실린더(200)의 선단에 위치하는 토출 밸브(620)가 개방된다. 토출 밸브(620)는 실린더(200) 일단에 고정된 지지캡(640) 내측에 나선형의 토출 밸브 스프링(630)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다. 압축된 고압의 냉매는 지지캡(640)에 형성된 홀을 통해 토출캡(660) 내로 토출된 뒤, 루프 파이프(R)를 통해 리니어 압축기(100) 외부로 토출되어 냉동 사이클을 순환한다.
상술한 리니어 압축기(100)의 각 부품들은, 조립된 상태에서 전방 지지 스프링(120) 및 후방 지지 스프링(140)에 의해 지지되며, 쉘(110)의 바닥으로부터 이격되어 있다. 쉘(110)의 바닥에 직접 접촉하고 있지 않으므로, 냉매를 압축하면서 압축기(100)의 각 부품들에서 발생한 진동이 쉘(110)로 직접 전달되지 않는다. 따라서 쉘(110)의 외부로 전달되는 진동 및 쉘(110)의 진동에 의해 발생하는 소음을 저감할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 스테이터 커버를 도시한 도면이다. 스테이터 커버(540)는 대략 원형이며, 피스톤(300: 도 3에 도시), 영구자석(460: 도 3에 도시), 서포터 피스톤(320: 도 3에 도시) 및 머플러(700: 도 3에 도시)가 결합된 어셈블리가 스테이터 커버(540)를 관통하여 직선 왕복 운동할 수 있도록 홀(541)이 형성되어 있다. 또한 스테이터 커버(540)의 외주를 따라 절곡부(542)가 형성되어 있다. 절곡부(542)는 스테이터 커버(540)의 지지강도를 높인다.
스테이터 커버(540)의 중심은, 피스톤의 중심과 일치하며, 이 중심에 대칭되는 위치에 2개의 전방 메인 스프링 지지 돌기(543, 544)가 형성된다. 전방 메인 스프링 지지 돌기(543, 544)는 서포터 피스톤(320: 도 3에 도시)과 함께 전방 메인 스프링의 양단을 지지한다. 전방 메인 스프링 지지 돌기(543, 544)는 전방 메인 스프링의 전단(타단)을, 서포터 피스톤(320: 도 3에 도시)은 전방 메인 스프링의 후단(일단)을 지지한다.
또한 스테이터 커버(540)의 양측에는 백 커버(560: 도 3에 도시)와 볼트 체결하기 위한 볼트 홀(545) 및 프레임(520)과 볼트 체결하기 위한 볼트 홀(546)이 복수 개 형성되어 있다.
도 5는 본 발명의 리니어 압축기가 구비하는 서포터 피스톤의 일 예를 도시한 도면이다. 서포터 피스톤(320)은 피스톤(300: 도 3에 도시)의 후방에 결합되며, 피스톤(300: 도 3에 도시)이 공진 조건에서 직선왕복 운동할 수 있도록 메인 스프링(820, 840)으로부터 힘을 받아 피스톤(300: 도 3에 도시)에 전달한다. 서포터 피스톤(320)에는 피스톤(300: 도 3에 도시)과 결합하기 위한 볼트 홀(323)이 복수 개 구비된다.
서포터 피스톤(320)의 중심은 피스톤(300: 도 3에 도시)의 중심과 일치하게 설치된다. 서포터 피스톤(320)과 피스톤(300: 도 3에 도시)의 중심을 용이하게 맞출 수 있도록, 피스톤(300: 도 3에 도시)의 후단에 단차가 형성되는 것이 바람직하다. 서포터 피스톤(320)은 대략 원형의 몸체(326)에 지지부(327, 328) 및 가이드부(324, 325)가 상, 하 및 좌, 우에 각각 형성된 형태이다. 지지부(327, 328)는 서 포터 피스톤(320)의 중심에 대해 대칭되는 위치에 형성된다. 지지부(327, 328)는 몸체(326)의 상, 하에 각각 형성되며, 몸체(326)에서부터 두 번 절곡되어 형성된다. 즉, 몸체(326)에서 후방으로 한 번 절곡된 다음, 후방에서 다시 각각, 상방 또는 하방으로 절곡된다. 서포터 피스톤(320)의 지지부(327, 328)의 전방에 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시)의 후단(일단)이 지지된다.
또한, 서포터 피스톤(320)의 몸체(326)의 좌, 우에는 가이드부(324, 325)가 형성된다. 가이드부(324, 325)에는 스프링 가이더(900: 도 3에 도시)의 중심을 피스톤(300: 도 2에 도시)의 중심과 맞추기 위해 가이드 홀(321) 및 스프링 가이더(900)를 볼트 체결하기 위한 볼트 홀(322)이 형성된다. 또한 서포터 피스톤(320)의 후방에는 머플러(700: 도 3에 도시)가 고정된다.
또한, 가이드부(324, 325)에는 부가 질량부재(350: 도38에 도시)가 장착될 수 있다. 부가 질량부재(350)는 피스톤(300: 도 3에 도시) 및 실린더(200: 도 3에 도시)의 길이를 변경하지 않고, 피스톤(300: 도 3에 도시)을 포함하는 구동부재의 질량을 증가시켜 리니어 압축기의 기계 공진 주파수를 변경할 수 있다. 따라서, 동일한 크기를 가지는 실린더(200: 도 3에 도시) 및 피스톤(300: 도 3에 도시)을 이용하므로, 부가 질량부재(350)의 질량만을 변경하여, 리니어 압축기의 부품을 변경하지 않고, 다양한 기준 유량을 가지는 리니어 압축기를 제작할 수 있다.
전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시)의 개수가 2개로 저감되고, 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 개수가 1개로 저감되어, 전체적으로 메인 스프링의 강성이 작아진다. 또한, 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시) 및 후방 메인 스프 링(840: 도 3에 도시)의 강성이 각각 작아지면, 메인 스프링의 제조 비용을 절감할 수 있다.
이때, 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시) 및 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 강성이 작아지면, 피스톤(300: 도 3에 도시), 서포터 피스톤(320) 및 영구 자석(460: 도 3에 도시)과 같은 구동부의 질량이 줄어들어야 구동부가 공진 조건에서 구동될 수 있다. 따라서, 서포터 피스톤(320)을 철계 금속 대신, 철계 금속보다 밀도가 낮은 비철 금속으로 제작한다. 그 결과, 구동부의 질량을 줄일 수 있어, 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시) 및 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 작아진 강성에 대응되어, 공진 주파수에서 구동될 수 있다. 예를 들어 알루미늄과 같은 금속으로 서포터 피스톤(320)을 제작하면, 피스톤(300: 도 3에 도시)이 금속으로 제작되더라도, 서포터 피스톤(320)은 영구 자석(460: 도 3에 도시)의 영향을 받지 않는다. 따라서 피스톤(300: 도 3에 도시)과 서포터 피스톤(320)을 더욱 용이하게 결합할 수 있다.
서포터 피스톤(320)이 비철계의 밀도가 낮은 금속으로 제작되면, 공진 조건을 만족시키고, 피스톤(300: 도 3에 도시)과 결합이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시)이 접촉하는 부분이 구동 중에 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시)과의 마찰에 의해 마모되기 쉽다. 서포터 피스톤(320)이 마모되면, 마모된 부스러기가 냉매 속에 부유하며 냉동 사이클을 따라 순환하면서, 냉동 사이클 상에 존재하는 부품들을 손상할 수 있다. 따라서, 서포터 피스톤(320)과 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시)이 접촉하는 부분에 표면처리가 행해진다. NIP 코팅이나 어노다이징(Anodizing) 처리를 하여 서포터 피스톤(320)이 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시)과 접촉하는 부분의 표면 경도가 적어도 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시)의 경도보다 크게 한다. 이러한 구성을 통해, 전방 메인 스프링(820: 도 3에 도시)에 의해 서포터 피스톤(320)이 마모되어 부스러기가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 리니어 압축기가 구비하는 스프링 가이더의 일 예를 도시한 도면이다. 스프링 가이더(900)는 대략 원형의 몸체(910) 및 몸체의 양측으로 가이드부(920)를 포함한다. 스프링 가이더(900)는 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 전단(일단)을 지지한다. 스프링 가이더(900)의 중앙에는 머플러(700: 도 3에 도시)가 관통하는 홀(930)이 형성되어 있으며, 홀(930)의 외주를 따라 후방으로 돌출된 지지부(940)가 형성되어 있다. 지지부(940)는 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)이 끼워지는 부분이다. 따라서 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)은 스프링 가이더(900)의 몸체(910)에서 홀(930) 주변과 지지부(940)와 맞닿게 된다. 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)이 맞닿는 곳은 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)이 압축과 복원을 반복하면서 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)에 의해 마모될 수 있다. 스프링 가이더(900)의 마모된 부스러기 등이 냉매와 함께 리니어 압축기(100: 도 3에 도시)를 비롯한 냉동 사이클을 지나며 냉동 사이클 상에 위치하는 부품을 손상시킬 수 있다. 따라서 스프링 가이더(900)가 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)과 맞닿는 부분에는 표면처리를 하여 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)에 의해 마모되는 것을 방지한다. 이때, 스프링 가이더(900)의 표면경도가 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 경도보다 큰 것이 바람직하다. 따라서 스프링 가이더(900)도 서포터 피스톤(320: 도 5에 도시)과 마찬가지로, NIP 코팅이나 어노다이징(anodizing)과 같은 표면 처리가 행해진다.
또한 스프링 가이더(900)의 가이드부(920)에는 가이드 홀(921) 및 볼트 홀(922)이 형성된다. 가이드 홀(921)은 서포터 피스톤(320: 도 5에 도시)의 가이드 홀(321)과 대응하는 위치에 형성된다. 서포터 피스톤(320: 도 5에 도시)의 가이드 홀(322: 도 5에 도시)과 스프링 가이더(900)의 가이드 홀(921)을 맞춤으로써, 피스톤(300: 도 3에 도시)과 스프링 가이더(900)에 의해 지지되는 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 중심을 서로 맞출 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 서포터 피스톤 및 스프링 가이더를 체결하는 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다. 서포터 피스톤(320)은 피스톤(300: 도 3에 도시)과 볼트 체결된다. 서포터 피스톤(320)과 피스톤(300)은 체결 시에 서로 중심이 일치하도록 결합된다. 서포터 피스톤(320)의 후방에 머플러(700: 도 3에 도시)의 후방 일부가 결합된 다음, 서포터 피스톤(320)과 스프링 가이더(900)가 결합된다. 스프링 가이더(900)의 결합 시에, 스프링 가이더(900)와 서포터 피스톤(320)의 중심을 맞추어 설치하는 것을 용이하게 하기 위해, 서포터 피스톤(320) 및 스프링 가이더(900)에는 가이드 홀(321: 도 5에 도시, 921: 도 6에 도시) 및 볼트 홀(322: 도 5에 도시, 922: 도 6에 도시)이 각각 형성된다.
도 7에 개략적으로 도시된 바와 같이, 피스톤(300: 도 3에 도시)과 결합된 서포터 피스톤(320)의 가이드 홀(321: 도 5에 도시)에 가이드 핀(950)을 삽입한다. 그 다음, 가이드 핀(950)과 스프링 가이더(900)의 가이드 홀(921)을 맞춤으로써, 스프링 가이더(900)가 알맞은 위치로 안내된다. 그 다음 서포터 피스톤(320)과 스프링 가이더(900)의 볼트 홀(327: 도 5에 도시, 922: 도 6에 도시)을 관통하는 볼트를 체결하여, 서포터 피스톤(320)과 스프링 가이더(900)를 결합한다. 가이드 핀(950)에 의해 스프링 가이더(900)의 설치 위치가 안내되므로, 서포터 피스톤(320)과 스프링 가이더(900)의 중심을 좀 더 용이하게 맞출 수 있다. 또한 피스톤(300: 도 3에 도시)과 서포터 피스톤(320)의 중심이 일치하도록 설계되고, 스프링 가이더(900)의 중심과 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 중심이 일치하도록 설계된다. 따라서 서포터 피스톤(320)과 스프링 가이더(900)의 중심을 맞춤으로써, 피스톤(300: 도 3에 도시)과 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 중심을 맞출 수 있다. 피스톤(300: 도 3에 도시)과 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 중심이 일치해야 피스톤(300: 도 3에 도시)이 직선으로만 왕복 운동을 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 리니어 압축기가 구비하는 백 커버의 일 예를 도시한 도면이다. 백 커버(560)는 스테이터 커버(540: 도 3에 도시)의 후방에 볼트 체결된다. 백 커버(560)의 양 측부는 절곡되어 스테이터 커버(540: 도 3에 도시)에 접촉하며, 이 접촉부(561)에 스테이터 커버(540: 도 3에 도시)와의 결합을 위한 볼트 홀(562)가 형성된다. 또한 백 커버(560)는 스테이터 커버(540: 도 3에 도시)로부터 소정 간격 이격되어 위치하는 후면(563) 및 접촉부(561)와 후면(563)을 연결하는 측면(564)을 구비한다. 후면(563)의 중앙에는 머플러(700: 도 3에 도시)의 일부가 관통하는 홀(565) 및 홀(565)의 외주를 따라 전방으로 절곡되어, 후방 메인 스프 링(840: 도 3에 도시)이 고정되는 메인 스프링 지지부(566)가 형성된다. 메인 스프링 지지부(566)의 외주에 후방 메인 스프링(840: 도 3에 도시)의 내주가 끼워 맞춰진다. 또한 측면(564)의 하부에는 후방 지지 스프링(140: 도 3에 도시)의 일단을 지지하는 지지 스프링 지지부(567)이 형성된다. 지지 스프링(120, 140: 도 3에 도시)은 리니어 압축기의 냉매 압축 어셈블리가 쉘(110: 도 3에 도시)의 바닥으로부터 이격되어 위치하도록, 쉘(110: 도 3에 도시)과 지지 스프링 지지부(567) 사이에서 냉매 압축 어셈블리를 지지한다. 지지 스프링(120, 140: 도 3에 도시)에 의해 냉매 압축 어셈블리가 쉘(110: 도 3에 도시)의 바닥에 직접 접촉하지 않아, 냉매 압축 어셈블리 가동 시, 쉘(100: 도 3에 도시)에 전달되는 진동에 의한 소음을 저감할 수 있다. 또한 백 커버(560)의 홀(565) 후방에는 머플러(700: 도 3에 도시)의 후방을 막아주며, 동시에 머플러(700: 도 3에 도시)로 냉매가 유입되는 냉매 유입관이 관통하는 관통홀(569)이 형성되는 머플러 커버(569)가 부착된다.
도 9는 본 발명의 리니어 압축기가 구비하는 스테이터 커버, 서포터 피스톤, 스프링 가이더 및 백 커버가 결합된 예를 후방에서 바라본 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 서포터 피스톤(320) 및 스프링 가이더(900)에 형성된 가이드 홀(321, 921) 및 볼트 홀(322, 922)은 각각 서로 일치한다. 또한 스테이터 커버(540)의 중심, 서포터 피스톤(320)의 몸체(326)의 중심, 스프링 가이더(900)의 몸체(910)의 중심, 백 커버(560)의 홀(565)의 중심 및 백 커버(560)의 메인 스프링 지지부(567)의 중심은 모두 일치한다.
또한 서포터 피스톤(320)의 지지부(327, 328)는 도 5에서와 같이 피스 톤(300: 도 3에 도시)에 대해 대칭되는 위치에, 두 개의 전방 메인 스프링(820)을 지지할 수 있도록 형성할 수도 있으나, 도 9에서와 같이 상, 하 대칭되는 위치에 형성되어 네 개의 전방 메인 스프링(820)을 지지하도록 형성될 수도 있다. 이는 공진 운전 조건에 따라 후방 메인 스프링(840)의 강성이 변경될 때, 두 개의 전방 메인 스프링(820)을 이용하는 것과 네 개의 전방 메인 스프링(820)을 이용하는 것 중에서, 전방 메인 스프링(820)의 개수를 유리한 쪽으로 변경할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기가 구비하는 서포터 피스톤의 일 예를 도시한 도면, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기가 구비하는 서포터 피스톤과 머플러의 결합 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
리니어 압축기(100)는 밀폐 용기인 쉘(110) 내에 냉매를 압축하는 부품들을 구비하며, 쉘(110) 내부는 저압의 냉매가 충진되어 있다. 리니어 압축기(100)는 쉘(110) 내부에 냉매가 압축되는 공간을 제공하는 실린더(200) 및 실린더(200) 내에서 직선 왕복 운동하며 냉매를 압축하는 피스톤(300), 피스톤(300)과 연결된 영구자석(460), 이너스테이터(420) 및 아우터스테이터(440)를 포함하는 리니어 모터(400)를 포함한다. 영구자석(460)이 이너스테이터(420) 및 아우터스테이터(440) 사이에서 상호 전자기력에 의해 직선 왕복 운동하면, 영구자석(460)과 연결된 피스톤(300)이 영구자석(460)과 함께 직선 왕복 운동하게 된다. 이너스테이터(420)는 실린더(200)의 외주에 고정된다. 또한 아우터스테이터(440)는 프레임(520)과 스테이터 커버(540)에 의해 고정된다. 프레임(520)은 실린더(200)와 일체로 형성될 수도 있으며, 실린더(200)와 별도로 제조되어 실린더(200)와 결합될 수도 있다. 도 3 에 도시된 실시예에서는 프레임(520)과 실린더(200)가 일체로 형성된 예가 도시되어 있다. 프레임(520)과 스테이터 커버(540)가 볼트와 같은 체결 부재에 의해 체결되어 서로 결합되어, 프레임(520)과 스테이터 커버(540) 사이에서 아우터스테이터(440)가 고정된다.
피스톤(300)의 후방에는 서포터 피스톤(320)이 연결된다. 전방 메인 스프링(820)은 서포터 피스톤(320)과 스테이터 커버(540)에 의해 양단이 지지된다. 또한 후방 메인 스프링(840)은 서포터 피스톤(320)과 백 커버(560)에 의해 양단이 지지되며, 백 커버(560)는 스테이터 커버(540)의 후방에 결합된다. 피스톤(300)의 후방에는 또한 흡입 머플러(700)가 구비되며, 흡입 머플러(700)를 통해 피스톤(300)으로 냉매가 유입되면서, 냉매 흡입시의 소음을 저감한다. 이때 흡입 머플러(700)는 후방 메인 스프링(840)의 내부에 위치한다. 또한, 후방 메인 스프링(840)의 내경이 흡입 머플러(700)의 일부의 외경에 끼워맞춰진다.
피스톤(300) 내부는 흡입 머플러(700)를 통해 유입된 냉매가 실린더(200)와 피스톤(300) 사이에 형성되는 압축 공간(P)로 유입되어 압축될 수 있도록 중공되어 있다. 피스톤(300)의 선단에는 밸브(310)가 설치되어 있으며, 밸브(310)는 냉매가 피스톤(300)에서 압축 공간(P)으로 유입되도록 개방되며, 압축 공간(P)에서 다시 피스톤(300)으로 유입되지 않도록 피스톤(300)의 선단을 폐쇄한다.
압축 공간(P)에서 피스톤(300)에 의해 냉매가 소정의 압력 이상으로 압축되면, 실린더(200)의 선단에 위치하는 토출 밸브(620)가 개방된다. 토출 밸브(620)는 실린더(200) 일단에 고정된 지지캡(640) 내측에 나선형의 토출 밸브 스프링(630)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다. 압축된 고압의 냉매는 지지캡(640)에 형성된 홀을 통해 토출캡(660) 내로 토출된 뒤, 루프 파이프(L)를 통해 리니어 압축기(100) 외부로 토출되어 냉동 사이클을 순환한다.
상술한 리니어 압축기(100)의 각 부품들은, 조립된 상태에서 전방 지지 스프링(120) 및 후방 지지 스프링(140)에 의해 지지되며, 쉘(110)의 바닥으로부터 이격되어 있다. 쉘(110)의 바닥에 직접 접촉하고 있지 않으므로, 냉매를 압축하면서 압축기(100)의 각 부품들에서 발생한 진동이 쉘(110)로 직접 전달되지 않는다. 따라서 쉘(110)의 외부로 전달되는 진동 및 쉘(110)의 진동에 의해 발생하는 소음을 저감할 수 있다.
서포터 피스톤(320)은 피스톤(300)의 후방에 결합되며, 피스톤(300)이 공진 조건에서 직선왕복 운동할 수 있도록 메인 스프링(820, 840)으로부터 힘을 받아 피스톤(300)에 전달한다. 서포터 피스톤(320)에는 피스톤(300) 및 머플러(700)와 결합하기 위한 볼트 홀(323)이 복수 개 구비된다.
서포터 피스톤(320)의 중심은 피스톤(300)의 중심과 일치하게 설치된다. 서포터 피스톤(320)과 피스톤(300)의 중심을 용이하게 맞출 수 있도록, 피스톤(300)의 후단에 단차가 형성되는 것이 바람직하다. 서포터 피스톤(320)은 대략 원형의 몸체(326)에 지지부(327, 328)가 상, 하에 형성된 형태이다. 지지부(327, 328)는 서포터 피스톤(320)의 중심에 대해 대칭되는 위치에 형성된다. 지지부(327, 328)는 몸체(326)의 상, 하에 각각 형성되며, 몸체(326)에서부터 두 번 절곡되어 형성된다. 즉, 몸체(326)에서 후방으로 한 번 절곡된 다음, 후방에서 다시 각각, 상방 또 는 하방으로 절곡된다. 서포터 피스톤(320)의 지지부(327, 328)의 전방에 전방 메인 스프링(820)의 후단(일단)이 지지된다.
이때, 서포터 피스톤(320)과 결합하고 있는 피스톤(300)이 공진 조건에서 가동되도록 서포터 피스톤(320)에 복원력을 가하는 메인 스프링에 있어서, 전방 메인 스프링(820)의 개수는 2개로 저감되고, 후방 메인 스프링(840)의 개수는 1개로 저감되어, 전체적으로 메인 스프링의 강성이 작아진다. 또한, 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)의 강성이 각각 작아지면, 메인 스프링의 제조 비용을 절감할 수 있다.
이때, 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)의 강성이 작아지면, 피스톤(300), 서포터 피스톤(320) 및 영구 자석(460)과 같은 구동부의 질량이 줄어들어야 구동부가 공진 조건에서 구동될 수 있다. 따라서, 서포터 피스톤(320)을 철계 금속 대신, 철계 금속보다 밀도가 낮은 비철 금속으로 제작한다. 그 결과, 구동부의 질량을 줄일 수 있어, 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)의 작아진 강성에 대응되어, 공진 주파수에서 구동될 수 있다. 예를 들어 알루미늄과 같은 금속으로 서포터 피스톤(320)을 제작하면, 피스톤(300)이 금속으로 제작되더라도, 서포터 피스톤(320)은 영구 자석(460)의 영향을 받지 않는다. 따라서 피스톤(300)과 서포터 피스톤(320)을 더욱 용이하게 결합할 수 있다.
서포터 피스톤(320)이 비철계의 밀도가 낮은 금속으로 제작되면, 공진 조건을 만족시키고, 피스톤(300)과 결합이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 전방 메인 스프링(820)이 접촉하는 부분이 구동 중에 전방 메인 스프링(820)과의 마찰에 의해 마모되기 쉽다. 서포터 피스톤(320)이 마모되면, 마모된 부스러기가 냉매 속에 부유하며 냉동 사이클을 따라 순환하면서, 냉동 사이클 상에 존재하는 부품들을 손상할 수 있다. 따라서, 서포터 피스톤(320)과 전방 메인 스프링(820)이 접촉하는 부분에 표면처리가 행해진다. NIP 코팅이나 어노다이징(Anodizing) 처리를 하여 서포터 피스톤(320)이 전방 메인 스프링(820)과 접촉하는 부분의 표면 경도가 적어도 전방 메인 스프링(820)의 경도보다 크게 한다. 이러한 구성을 통해, 전방 메인 스프링(820)에 의해 서포터 피스톤(320)이 마모되어 부스러기가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한 서포터 피스톤(320)의 후방에는 흡입 머플러(700)가 장착되며, 압축되어야 할 냉매가 흡입 머플러(700)를 통해 소음이 저감된 상태에서, 피스톤(300) 내로 흡입된다. 흡입 머플러(700)는 소음을 저감하는 원통형 공간인 소음실(710)과 소음실(710)의 일단부, 즉, 흡입 머플러(700)의 전방 측의 서포터 피스톤(320)과 맞닿는 단부에 장착부(730)가 형성된다. 장착부(730)는 소음실(710)의 일단에서, 반경 방향으로 확장된 형태로, 대략 원형으로 형성된다.
서포터 피스톤(320)의 몸체부(326)에는 흡입 머플러(700)의 장착부(730)의 형상에 대응하며, 장착부(730)가 수용되는 흡입 머플러 안내 홈(329)이 형성된다. 흡입 머플러(700)의 장착부(730)가 흡입 머플러 안내 홈(329)에 수용된 상태에서, 볼트에 의해 서포터 피스톤(320)에 체결된다. 따라서 흡입 머플러(700)의 장착부(730)에 형성된 볼트 홀(732)과 볼트의 나사부의 치수 차 및 서포터 피스톤(320)의 몸체부(326)에 형성된 볼트 홀(323)과 볼트의 나사부의 치수 차에 의해 서포터 피스톤(320)의 볼트 홀(323)과 흡입 머플러(700)의 장착부(730)의 볼트 홀(732)가 상하 또는 좌우로 어긋나는 것을 방지할 수 있다. 흡입 머플러(700)의 중심과 서포터 피스톤(320)의 중심이 어긋나지 않고 일치하므로, 서포터 피스톤(320)의 중심과 중심이 일치하는 피스톤(300)과 흡입 머플러(700)의 중심도 일치한다.
또한, 흡입 머플러(700)의 외경에는 후방 메인 스프링(840)이 장착된다. 후방 메인 스프링(840)의 내경이 흡입 머플러(700)의 외경에 끼워맞춰진다. 따라서, 흡입 머플러(700)의 중심과 후방 메인 스프링(840)의 중심이 일치한다. 또한, 흡입 머플러(700)는 소음실(710)과 장착부(730) 사이에 소음실(710) 및 장착부(730)와 단차가 진 단차부(720)를 구비한다. 바람직하게는 후방 메인 스프링(840)은 단차부(720)에 끼워맞춰지며, 단차부(720)와 장착부(730)에 의해 지지된다.
또한 서포터 피스톤(320) 및 흡입 머플러(700)의 장착부(730)에는 각각, 홀(326h, 730h)가 형성된다. 홀(326h, 730h)은 피스톤(300: 도 3에 도시), 서포터피스톤(320), 흡입 머플러(700) 등을 포함하는 구동부가 구동할 때, 쉘(110: 도 3에 도시)에 충진된 냉매가 홀(326h, 730h)의 전, 후방으로 연통될 수 있도록 하여, 냉매에 의한 구동 시의 저항을 줄일 수 있다. 또한 홀(326h, 730h)이 형성됨으로써 피스톤(300, 서포터 피스톤(320), 영구자석(460) 및 흡입 머플러(700)를 포함하는 구동부의 질량을 저감할 수 있다. 따라서, 하나로 개수가 저감된 후방 메인 스프링(840) 및 후방 메인 스프링(840)의 개수 저감에 따른 강성 저감에 맞추어 개수 및 강성이 저감된 전방 메인 스프링(820)과 공진 조건을 유지하며 피스톤(300)이 직선 왕복운동 할 수 있다. 이러한 구성을 통해, 메인 스프링의 개수가 저감되고, 강성이 저감되어 메인 스프링의 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 12는 본 발명의 리니어 압축기가 구비하는 백 머플러(568) 일 예를 도시한 도면이다. 백 머플러(568)는 흡입 머플러(700)와 흡입 파이프(130) 사이에 위치하며, 백 커버(560)에 부착되어 있다. 백 머플러(568)는 대략 원통형이며, 대략 원형인 일면의 중앙부에는 흡입홀(569)이 형성되어 백 머플러(568) 내로 냉매가 유입된다. 또한 흡입홀(569)을 통해 유입된 냉매가 흡입 머플러(700)로 유출될 수 있도록, 백 머플러(568)의 대략 원형인 타면은 개방되어 있다.
냉매가 리니어 압축기의 흡입 파이프(130)에서 백 머플러(568)로 이동할 때, 냉매의 손실을 줄이기 위해, 백 머플러(568)의 일면은 흡입홀(569)을 중심으로 완만한 기울기의 경사를 가지며 흡입 파이프(130) 측으로 돌출되어 있다. 따라서 흡입홀(569)을 통해 유입된 냉매가 완만한 경사를 따라 백 머플러(568) 내로 유입되므로, 압력의 손실을 줄일 수 있다. 백 머플러(568)의 일면이 본 발명과 같이 흡입홀(569)을 중심으로 완만한 기울기의 경사를 가지지 않는 경우, 흡입홀(569)을 통해 유입되는 냉매는 흡입홀(569)의 단면적과 백 머플러(568)의 단면적의 차이로 인해 급격하게 부피 변화를 하면서 압력이 크게 손실된다.
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 리니어 압축기가 구비하는 백 머플러의 다른 일 예를 도시한 도면이다. 백 머플러(568)는 흡입단에 가이더(569a)를 더 구비한다. 백 머플러(568) 흡입단의 가이더(569a)는 흡입홀(569)에서 멀어질수록 넓어지며, 냉매가 흡입 파이프(130)에서 백 머플러(568)의 흡입홀(569)로 유입될 때, 흡입단의 가이더(569a)에 의해 근접 흡입효과가 나타나 냉매의 압력손실을 줄일 수 있다. 즉, 가이더(569a)는 흡입 파이프(130)와 백 머플러(568)의 흡입홀(569) 사이의 거리가 가까워진 것과 동일한 효과를 내며, 흡입 파이프(130)와 흡입홀(569)의 중심이 어긋나는 것에 따른 냉매 누설량의 증가를 억제할 수 있다. 다시 말해, 흡입 파이프(130)와 흡입홀(569)의 변심량에 따른 냉매 누설량의 민감도를 저감할 수 있다.
흡입 파이프(130)와 백 머플러(568)의 치수 및 조립 산포로 인한 측면 누수를 보완하기 위해 흡입단에 가이더(569a)를 형성하는 백 머플러(568)를 나타내고 있다. 백 머플러(568) 흡입단의 가이더(568)는 흡입홀(569a)을 중심으로 넓어지며, 깔때기 형태이다. 상기와 같이 흡입 머플러(700)와 밀폐 용기와의 거리가 좁혀짐에 따라 치수 및 조립 산포로 인한 냉매의 측면 누수가 줄어든다. 변심량(e)은 백 머플러(568)와 흡입 파이프(130)의 측면 누수에 의해 일어나므로, 측면 누수가 줄어들면 변심량의 민감도도 낮아진다. 또한 제 1실시예와 같이 백 머플러(568) 흡입홀(569)의 중심에서부터 완만한 기울기의 경사를 가지므로 냉매가 유입될 때 압력 손실을 줄일 수 있다.
따라서, 백 커버(560)에 백 머플러(568)를 부착하고, 백 머플러(568)의 일면이 흡입홀(569)을 중심으로 완만한 기울기의 경사를 가지게 하여 흡입 파이프(130)로 냉매가 유입될 때의 압력 손실을 저감할 수 있으며, 백 머플러(568)의 흡입홀(569)을 중심으로 넓어지는 가이더(569a)를 구비하여 흡입 머플러(700)와 흡입 파이프(130)의 거리가 줄어드는 것과 동일한 냉매의 근접 흡입 효과를 내어, 측면 누설량을 줄일 수 있다. 따라서 리니어 압축기의 압축효율을 높인다.
도 16은 후방 메인 스프링(840)의 양단을 지지하는 서포터 피스톤(320)과 백 커버(560)를 도시한 것이다. 여기서, 백 커버(560)는 후방 메인 스프링(840)이 외측으로 움직이는 것을 제한하는 외측 구속지지부를 포함한다.
또한 스프링 가이더(900)는 서포터 피스톤(320)과 후방 메인 스프링(840) 사이에 위치하며, 후방 메인 스프링(840)의 중심과 피스톤(300)의 중심이 일치하도록 안내한다. 또한 스프링 가이더(900)는 후방 메인 스프링(840)의 일단이 끼워맞춰지는 단차부(920)를 구비한다. 아울러 스프링 가이더(900)는 적어도 후방 메인 스프링(840)이 맞닿는 부분이 후방 메인 스프링(840)의 경도보다 큰 경도를 가진다.
도 16은 백 커버(560)에서 흡입구 방향으로 함몰된 함몰부(590)가 도시된 것으로서, 후방 메인 스프링(840)이 외측으로 움직이는 것을 제한하는 외측 구속지지부를 직관적으로 이해하도록 도시된 것이다. 즉, 함몰부(590)가 구비되면서, 이곳에 후방 메인 스프링(840)의 외측이 지지된다. 또한, 후방 메인 스프링(840)이 내측으로 움직임을 제한하는 내측 구속지지부가 형성되도록 실린더 쪽으로 절곡된 절곡부가 도시된 것이다.
도 17은 백 커버(560)에서 후방 메인 스프링(840)이 내측으로 움직임을 제한하는 내측 구속지지부가 형성되도록 내측으로 경사지게 절곡된 경사진 절곡부가 도시된 것이다. 흡입구 방향으로 함몰된 함몰부(590)에서 후방 메인 스프링(840)의 외측이 지지될 뿐 아니라, 절곡부의 스커트부(580)와 후방 메인 스프링(840)의 내측부 사이에 갭이 용이하게 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 소정의 갭은 후방 메인 스프링(840)이 압축 및 팽창할 때, 횡방향 변위가 발생하여, 백 커버(560)의 스커 트부(580)에 간섭되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 후방 메인 스프링(840)이 지지된 백 커버(560) 부분에서 일어나는 간섭으로, 후방 메인 스프링(840)의 파손 및 마모로 인한 이물질 발생과 소음 문제를 방지할 수 있다.
물론, 내측으로 경사진 절곡부는 흡입 머플러(700)와 부딪히지 않도록 설계될 수 있다.
이하, 후방 메인 스프링(840)을 생략하고 백 커버(560)의 구조에 있어서, 후방 메인 스프링(840)이 횡방향으로 움직이는 것을 제한할 수 있는 다양한 실시예를 살펴본다.
도 18은 백 커버(560)에서 후방 메인 스프링(840)이 내측으로 움직임을 제한하는 내측 구속지지부가 형성되도록 단차지게 절곡된 단차진 절곡부가 도시된 것이다. 흡입구 방향으로 함몰된 함몰부(590)에서 후방 메인 스프링(840)의 외측이 지지될 뿐 아니라, 절곡부의 스커트부(580)와 후방 메인 스프링(840)의 내측부 사이에 갭이 용이하게 형성될 수 있다. 도 7b와 같이, 후방 메인 스프링(840)이 압축 및 팽창할 때, 횡방향 변위가 발생하여, 백 커버(560)의 스커트부(580)에 간섭되는 것을 방지할 수 있다.
물론, 단차지게 절곡된 단차진 절곡부는 흡입 머플러(700)와 부딪히지 않도록 설계될 수 있다.
도 19는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 백커버에서 실린더 방향으로 요철된 요철부를 형성한 외측 구속지지부를 개략적으로 도시한 측단면도이고, 도 20은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 백커버에서 후방 메인 스프링의 타단을 지지하는 테두리를 따라 일부를 절개한 외측 구속지지부를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 19는 백 커버(560)에서 후방 메인 스프링(840)이 외측으로 움직이는 것을 제한하는 외측 구속지지부가 형성되도록 실린더 방향으로 요철된 요철부가 도시된 것이다. 이는 도 16 내지 도 19에서 흡입구 방향으로 함몰된 함몰부(590)를 구비하여 후방 메인 스프링(840)의 외측을 지지할 수 있는 설계를 보다 용이하게 디자인하도록 백 커버(560)에 실린더 방향으로 요철부를 형성한 실시예이다.
도 20은 백 커버(560)에서 후방 메인 스프링(840)이 외측으로 움직이는 것을 제한하는 외측 구속지지부가 형성되도록 후방 메인 스프링의 타단을 지지하는 테두리를 따라 일부를 절개한 것이 도시된 것이다. 먼저, 상단에 도시된 백 커버(560)의 측단면도는 외측 구속지지부(592)가 백 커버(560)의 일부에서 절개된 절개부(594)를 들어 올려져 형성된 것을 나타낸다. 또한, 하단에서는 외측 구속지지부(592)를 형성하기 위해 백 커버의 일부가 절개된 절개부(594)를 평면도에서 도시한다. 이는 도 19에서 실린더 방향으로 요철부를 형성한 설계를 대체할 수 있는 다른 실시예이다.
도 21은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 메인 스프링 부분을 중심으로 구조적인 이해를 돕는다. 먼저, 후방 메인 스프링은 스프링 가이더(900)와 백 커버(560)에 의해 양단이 지지되고 안정적으로 장착된다.
보다 자세히 살펴보면, 스프링 가이더(900)는 체결볼트(340)가 후방 메인 스프링(840)에 직접 닿지 않도록 한다. 피스톤(300)과 서포터 피스톤(320)을 체결하는 체결볼트(340)은 스프링 가이더(900)의 외주의 함몰부에서 피난구조를 가질 수 있다. 전방 메인 스프링(820)은 서포터 피스톤(320)과 스테이터 커버(540) 사이에 지지되어 장착된다. 또한 흡입머플러(700)가 스프링 가이더(900)를 관통하고 후방 메인 스프링(840) 안쪽에 들어간다.
도 22는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 후방 메인 스프링 부분을 도시한 사시도이고, 도 23은 도 22의 정면도이며, 도 24은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 스프링 가이더를 도시한 사시도이다.
도 22를 참조하면, 스프링 가이더(900)의 외주의 일부에 있는 체결볼트(340)를 자세히 볼 수 있다. 후방 메인 스프링(840)은 스프링 가이더(900)에 지지되어 장착되므로 체결볼트(340)에 직접 닿지 않는다. 체결볼트(340)는 흡입머플러의 연장부(720)와 서포터 피스톤(320)을 체결한다. 스프링 가이더(900)는 체결볼트(340)의 머리보다 큰 두께를 구비함으로 체결볼트(340)의 피난구조를 제공할 수 있고 후방 메인 스프링(840)은 체결볼트(340)에 접촉할 수 없는 구조를 이룬다. 여기서 스프링 가이더(900)는 복수개의 체결볼트(340)에 의해 끼워지게 된다.
그러므로, 서포터 피스톤(320) 위에 흡입머플러(700)이 체결될 때, 흡입머플러의 연장부(720)가 체결볼트(340)에 의해 서포터 피스톤(320)에 고정된다. 그리고, 체결볼트(340)의 피난구조를 형성하는 복수개의 함몰부를 구비한 스프링 가이더(900)가 흡입머플러의 연장부(720) 위에 놓여진다. 이때 체결볼트(340)의 머리 높이는 스프링 가이더(900)에 구비된 복수개의 함몰부의 높이보다 작아서, 후방 메인 스프링(840)에 접촉하지 않는다.
도 23을 참조하면, 스프링 가이더(900)에 후방 메인 스프링(840)이 안정적으 로 장착된 것이 도시되어 있다. 이러한 스프링 가이더(900)는 외주의 구비된 복수개의 함몰부가 체결볼트(340)의 머리보다 큰 두께를 형성함으로, 체결볼트(340)의 피난구조를 이루며, 후방 메인 스프링(840)이 체결볼트(340)에 직접 닿지 않게 된다. 동시에, 후방 메인 스프링(840)이 안정적인 탄성 운동을 할 수 있도록 한다. 여기서 체결볼트(340)는 흡입머플러의 연장부(720)와 서포터 피스톤(320)을 체결한다.
도 24을 참조하면, 스프링 가이더(900)의 구조를 상세하게 이해할 수 있다. 스프링 가이더의 단차부(920)은 후방 메인 스프링(840)에 끼워 맞춰진다. 스프링 가이더의 외주에 형성된 복수개의 함몰부(940)는 체결볼트(340)의 머리보다 큰 높이를 구비한다. 또한 스프링 가이더의 외주에 형성된 복수개의 함몰부(940)는 체결볼트(340)의 피난구조를 형성하고, 후방 메인 스프링(840)은 체결볼트(340)에 직접 접촉하지 않을 수 있다.
여기서 스프링 가이더의 안착부(960)는 후방 메인 스프링(840)이 안착되는 접촉되는 넓은 면적을 제공한다. 이는 후방 메인 스프링(840)의 장착 안전성을 높이고, 한쪽으로 쏠리지 않게 할 수 있다. 이는 후방 메인 스프링(840)의 정교한 탄성운동을 제공할 수 있다.
또한 스프링 가이더의 안착부(960)는 표면처리를 통해 후방 메인 스프링(840)보다 큰 경도를 가진다. 이는 스프링 가이더의 안착부(960)에 안착되는 후방 메인 스프링(840)에 의한 마모에 의해 이물질이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 도 25에서 도 28까지는 비교예에 따른 스프링 가이더(900)가 제외되어 후방 메인 스프링(840)이 안정적으로 장착될 수 없는 구조를 도시한다.
도 25은 비교예에 따른 리니어 압축기의 스프링 가이더가 제외된 측면도이며, 도 26는 비교예에 따른 스프링 가이더가 제외된 메인 스프링 부분을 도시한 측면도이고, 도 27은 비교예에 따른 스프링 가이더가 제외된 후방 메인 스프링 부분을 도시한 사시도이며, 도 28은 도 27의 정면도이다.
도 25은 스프링 가이더가 제외되어 후방 메인 스프링(840)이 체결볼트(340)에 직접 닿는다. 이러한 구조는 후방 메인 스프링(840)의 탄성 운동을 불안정하게 만드는 요인을 제공할 수 있다.
도 26는 스프링 가이더가 제외되어 후방 메인 스프링(840)이 체결볼트(340)의 머리에 바로 놓여지는 것을 보여준다. 여기서 체결볼트(340)는 피스톤(300)과 서포터 피스톤(320)을 체결한 것으로서, 후방 메인 스프링(840)이 바로 위에 안착되면 쏠림 현상과 같은 불안한 탄성 운동을 일으킬 수 있다. 전방 메인 스프링(820)은 서포터 피스톤(320)과 스테이터 커버(540) 사이에 지지되어 안착된다.
도 27은 스프링 가이더가 제외되어 후방 메인 스프링(840)이 체결볼트(340) 의 머리 일부분에 놓여지는 불안정한 구조를 보여준다. 체결볼트(340)이 흡입머플러의 연장부(720)와 서포터 피스톤(320)을 체결되는 데, 흡입머플러 지지부재의 일부가 후방 메인 스프링(840) 아래에 드러난다.
도 28은 스프링 가이더가 제외되어 후방 메인 스프링(840)이 체결볼트(340)의 머리 일부분에 놓여지는 불안정한 구조를 보여준다. 후방 메인 스프링(840)이 체결볼트(340)의 머리 일부분에 걸쳐진 불안정한 구조는 정교한 탄성 운동을 어렵 게 할 수 있다. 또는 후방 메인 스프링(840)이 깨지거나 마모되어 이물질이 발생될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 스프링 가이더(900)는 후방 메인 스프링(840)이 안정적으로 정교한 탄성 운동을 할 수 있도록, 체결부재의 피난구조를 구비한 복수개의 함몰부를 형성하는 안착부를 제공할 수 있다. 이로 인하여, 리니어 압축기의 성능 및 소음 방지도 개선할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 리니어 압축기는 메인 스프링의 개수를 저감하여, 부품 생산 비용을 절감할 수 있다.
도 29는 본 발명에 따른 리니어 압축기가 구비하는 흡입머플러의 다른 일 예를 도시한 것이다. 흡입머플러(700)는 비교적 직경이 크게 형성되어 축방향으로 선후단에 냉매가 유/출입되는 입/출구가 형성된 금속 재질의 원통형 지지부재(716)와, 상기 지지부재의 입구(718) 내측에 설치된 금속 재질의 내부 소음관(712)과, 상기 지지부재(716)의 출구 외측에 설치된 비교적 직경이 작게 형성된 플라스틱 재질의 원통형 외부 소음관(714)으로 이루어진다.
이때, 상기 지지부재(716)는 금속 재질로 이루어짐으로 상기 피스톤(300)의 타단에 별개의 체결부재에 의해 안정적으로 지지될 수 있도록 소정의 강도를 제공한다. 또한 상기 내부 소음관(712)도 금속 재질로 이루어지되, 상기 외부 소음관(714)은 플라스틱 재질로 이루어져 다양한 형상 및 크기로 제작이 가능할 뿐 아니라, 격벽을 추가로 조립하기 위해 따로 만들 필요 없이, 종래의 수직 격벽 및 수평 격벽과 종래의 지지부재 및 종래의 외부 소음관을 연결하는 연결부와 상기 외부 소음관(714)을 일체로 제작한다. 이와 같은 조립부품의 일체화는 상기 흡입머플러(700)의 조립 구성 부품을 단순화하여 제조 공정의 용이성을 제공하며, 상기 외부 소음관(714)을 플라스틱으로 만들어, 재료비 및 가공비를 줄여서 생산 단가를 절감시킬 수 있으며, 조립 시간을 단축시켜 생산효율을 높일 수 있다. 또한 디자인 자유도를 높일 수 있다.
여기서, 상기 지지부재(716) 및 상기 내부 소음관(712)을 금속 재질로 만드는 것은 소음 특성을 고려한 측면에서도 바람직하다. 냉매의 유동소음은 플라스틱 재질보다 금속 재질에서 효과적인 투과 손실을 일으킨다. 상기 지지부재(716) 및 상기 내부 소음관(712)은 금속 재질로 만들어짐으로 냉매의 유동소음을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 반면, 상기 외부 소음관(714)은 상기 피스톤(300) 내측과 금속 재질의 상기 지지부재(716) 및 상기 내부 소음관(712)에 둘러 쌓인 구조를 이룬다. 그러므로, 상기 외부 소음관(714)의 재질을 플라스틱으로 만들어도 이에 대한 방사 소음은 무시할 수 있다.
특히, 상기 내부 소음관(712)은 상기 지지부재(716) 내측 및 상기 외부 소음관(714) 내측에 형성된 조립용 돌기(미도시)에 지지되도록 조립하여 구성하고, 또한 상기 외부 소음관(714)은 일단에 탄성 밀착부(미도시)를 형성하여 상기 외부 소음관(714)의 탄성 밀착부가 상기 지지부재(716)의 출구에 재료 자체의 탄성력을 이용하여 압입되도록 구성할 수도 있다.
도 30은 본 발명에 따른 흡입머플러가 도시된 사시도이다. 외관상 직관적으로, 상기 지지부재의 입구(718)를 구비한 상기 지지부재(716) 및 외부 소음관(714) 을 인지할 수 있다. 또한, 종래의 지지부재는 피스톤 및 서포터 피스톤에 체결되는 플랜지 형상에서 볼트 체결부를 구비하였지만, 상기 지지부재(716)는 볼트 체결부(732)를 남기고 다른 부위는 삭제하여 단순화시킨 형상을 구비하도록 설계되어 제조 공정 및 제조 단가를 줄이도록 한다. 상기의 볼트 체결부(732)는 십자형으로 서로 대칭되어 분리된 형상을 구비한다.
따라서, 상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터(400)가 작동됨에 따라 상기 피스톤(300)이 상기 실린더(200) 내측에서 왕복 직선 운동하고, 그에 따라 상기 압축공간(P) 내부의 압력이 가변됨에 따라 압력차에 의해 냉매가 상기 유입관을 통하여 상기 흡입머플러(700)를 통과하면서 냉매의 유동소음을 저감시키되, 냉매가 유동됨에 따라 유동소음이 발생되더라도 냉매가 상기 내부 소음관(712) 및 외부 소음관(714)을 통과하면서 급격하게 팽창/축소되거나, 큰 유동저항에 의해 유동 손실이 발생되어 소음이 저감되고, 상기 피스톤의 흡입홀(300h)을 통과한 냉매는 상기 압축공간(P)으로 유입되어 압축된 다음, 외부로 토출된다.
도 31은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 전방 메인 스프링(820)과 후방 메인 스프링(840)이 서포터 피스톤(320)에 의해 지지되는 구조를 도시한 도면이다. 본 발명의 메인 스프링의 구조는 전방 및 후방 메인 스프링을 각각 4개씩 사용하는 구조보다 비용 저감 및 수량에 의한 제작 및 관리 측면에서 유용하다. 또한, 전방 및 후방 메인 스프링을 각각 1개씩 사용하는 구조와 비교할 경우에도, 전방 메인 스프링이 구조적으로 실린더의 외부에 장착됨으로, 실린더 내경의 변경이 가능함에 따라 다양한 모델 전개를 할 수 있다.
도 32에서, 본 발명의 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)의 강성과 장착거리 조건을 알아볼 수 있다. 피스톤(300:도 3에 도시)은 리니어 모터에 의해 왕복직선운동을 한다. 또한 피스톤(300)에 연결된 서포터 피스톤(320)의 전방 및 후방에 각각 2개의 전방 메인 스프링(820) 및 1개의 후방 메인 스프링(840)이 설치된다. 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)은 피스톤(300)이 왕복직선운동함에 따라 압축 또는 인장을 하게 되는데, 이에 따른 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)의 강성에 따른 복원력이 피스톤(300)에 전달된다. 이때, 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)은 피스톤(300)을 포함하는 구동부가 공진 조건에서 운동할 수 있도록 강성이 결정되는 것이 바람직하다. 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)이 피스톤(300)이 공진 조건에서 운동할 수 있는 강성을 가질 때, 피스톤(300)을 구동하는 리니어 모터에 공급되는 전력을 가장 줄일 수 있기 때문이다.
또한 전방 메인 스프링(820)의 강성 계수(Kf)의 합은 후방에 설치된 1개의 후방 메인 스프링(840)의 강성 계수(Kb)와 대략 동일하다. 이는 전방 메인 스프링(820)의 강성 계수(Kf)와 후방 메인 스프링(840)의 강성 계수(Kb)가 완전히 일치하는 경우 외에, 제조 및 설치 시에 발생할 수 있는 공차에 의해 약간 달라지는 경우까지 포함한다.
또한 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)의 장착거리가 대략 동일하다. 여기서 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프링(840)의 장착거리는, 가동부재가 가동하지 않는 상태에서, 전방 메인 스프링(820) 및 후방 메인 스프 링(840)이 평형 상태를 유지할 때, 전방 메인 스프링(820)의 길이 및 후방 메인 스프링(840)의 길이를 가리킨다. 전방 메인 스프링(820)의 장착거리(Lf) 및 후방 메인 스프링(840)의 장착거리(Lb)는 서로 대략 동일하며, 이는 제조 및 설치 시의 공차에 의해 장착거리(Lf, Lb)가 약간 달라지는 경우를 포함한다. 전방 메인 스프링(820)의 장착거리(Lf) 및 후방 메인 스프링(840)의 장착거리(Lb)가 동일하기 때문에, 피스톤(300: 도 3에 도시)의 행정 거리(stroke)를 최대한 길게 설정할 수 있으며, 행정 거리를 설정하는 것도 용이하다.
따라서, 전방 메인 스프링의 강성 계수(Kf)는 후방 메인 스프링의 강성 계수(Kb)의 대략 1/2배 또는 후방 메인 스프링의 강성 계수(Kb)는 전방 메인 스프링의 강성 계수(Kf)의 대략 2배가 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 전방 메인 스프링 2개와 후방 메인 스프링 1개를 구성하여, 메인 스프링의 비용 저감 및 수량에 의한 제작 및 관리 측면에서 유용하고, 전방 메인 스프링이 구조적으로 외측부에 장착됨으로 인하여, 전체 메인 스프링의 구조를 변경하지 않고도 실린더 내경의 변경이 가능하다.
도 33은 리니어 압축기를 수학적으로 모델링한 것의 예시이다. 실린더(200) 내부에 피스톤(300)이 있다. 서포터 피스톤은 여기서 피스톤과 같은 의미로 쓰인다. 피스톤(300)과 피스톤에는 메인 스프링(800)이 연결되어 있으며, 피스톤(300)이 일정 이상 압축되는 경우에는 유압에 의한 탄성력이 생기는데, 이를 모델링하는 것이 가스 스프링(800')이다.
냉각 장치 등에 쓰이는 리니어 압축기의 경우, 냉각 장치의 종류가 다르면 필요로 하는 냉력이 다르고, 이에 따라 유량(flow rate)을 조절할 필요가 있다. 압축기의 유량(Flow rate)은 하기의 수학식1과 같다.
Q = D × (A × S × f)
여기서, D는 비례상수이고, A는 피스톤의 단면적, S는 피스톤의 왕복하는 거리, f는 피스톤의 운전주파수를 나타낸다.
종래기술에는 기준 유량을 변경하기 위해, 피스톤(300)의 전장 길이를 변경하여 왕복하는 거리(스트로크) S를 변경시켜 기준 유량을 조절하였다. 본 발명에서는 기준 유량을 변경하기 위해, 피스톤(300)의 왕복하는 주파수 f를 변경시켜 기준 유량을 조절하는 방식으로 기준 유량을 만족하는 리니어 압축기를 제조한다.
이는 피스톤의 리니어 압축기가 스트로크 S를 조절하기 위해 전장길이를 조절하기 위한 수단을 추가로 구비할 필요가 없고, 기준 유량이 다르더라도 전장길이 및 초기치가 변하지 않아 리니어 압축기의 생산과 관리 측면에 유리하다. 다만, 피스톤의 운전 주파수를 기준 유량에 따라 변경시키는 경우, 기계공진과 피스톤의 공진의 주파수가 일치해야 공진으로 인하여 효율이 좋으므로 압축기의 기계공진주파수도 이에 따라 바뀌는 것이 바람직하다. 기계공진주파수 fm 는 수학식2와 같다.
Figure 112007076255488-pat00001
여기서, km, kg, m은 각각 피스톤(300)과 연결되어 있는 스프링(10a)의 물리 적인 탄성 계수, 가스 스프링(10b)의 스프링 상수, 피스톤(300)의 질량을 뜻한다.
수학식 1에서 D,A,S가 정해지면 기준 유량 Q에 따라 운전 주파수 f가 결정된다. 구체적으로, 결정하는 방법은 다음과 같다. 특정 주파수 부근에서 A와 S가 고정되어 있을 때, 운전 주파수 f가 증가 또는 감소함에 따라 기준 유량 Q가 선형적으로 증가 또는 감소하게 된다. 따라서 특정 주파수에서의 기준 유량과 필요한 기준 유량 사이의 차이를 구하고, 이 차이를 통해 특정 주파수와 필요한 운전 주파수의 차이를 계산하여 원하는 운전 주파수 f를 산정한다.
냉장고 등 냉각 장치의 경우, 냉력이 많이 필요한 과부하 조건일 때보다 냉각 상태를 유지하면 되는, 냉력이 많이 필요하지 않은 소정 조건일 때가 더 많다. 따라서, 리니어 압축기의 기계공진주파수가 소정 조건에서의 운전 주파수에 대응하여 공진이 일어날 수 있도록 부가 질량부재(350)가 피스톤(300) 또는 서포터 피스톤(320: 도 3에 도시)의 가이드부(324, 325: 도 5에 도시)에 부착된다. 부가 질량부재(350)의 질량을 조절하여 리니어 압축기 전체의 기계공진주파수 fm를 변경할 수 있다.
이 때 부가 질량부재(350)는 하기의 수학식 3을 만족하는 질량을 지녀야 한다.
Figure 112007076255488-pat00002
여기서, md는 부가 질량부재(350)의 질량, fm는 기계공진주파수, f는 기준 유량으로 인해 설정된 운전주파수이다. 기계공진주파수 fm의 경우, 가스 스프링(800')의 스프링 상수 kg가 피스톤의 위치에 따라 변하는 값이므로 시간에 따라 변한다. 따라서, 특히 소정 조건에서 운전주파수가 변화하는 기계공진주파수 fm를 추적 또는 추정하는 것이 필요하다. 이에 대해서는 추후에 설명될 것이다.
상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터가 설계상에서 고려한 부하, 예를 들어 소정 조건하에서 필요한 운전주파수 fc가 상기 코일 스프링의 기계 스프링 상수(km) 및 가스 스프링의 가스 스프링 상수(kg)에 의해 산출되는 피스톤의 기계공진주파수(fm)에 대응하기 때문에 상기 리니어 모터가 소정 조건에서 공진 상태로 운전됨으로 효율을 높일 수 있다.
도 34는 본 발명인 왕복동식 압축기의 피스톤의 동작 및 수학적인 모델링을 예시하는 도면이다. 여기서 α는 외력이 작용하지 않는 상태에서 한 쪽 방향으로 가는 거리, δ는 압축되는 냉매의 힘으로 인해 밀려나는 거리를 나타낸다. 도 34의 위쪽은 피스톤의 움직임을 간략히 나타낸 것이다. 외력이 가해지기 전의 상태에서 리니어 모터(400: 도 3에 도시)에 전원이 인가되면 피스톤(300: 도 3에 도시)이 움직이고, 피스톤(300: 도 3에 도시)의 스트로크(stroke)는 α + δ + α = 2α + δ가 된다. 종래기술이던 전압을 비대칭적으로 가하는 경우에는 스트로크(stroke)가 α2 + δ + α2×β = α2(1+ β)+ δ2가 된다. 즉, δ가 α2(1+ β) - 2α + δ2의 값을 가지면, 2α + δ = α2(1+ β)+ δ2가 되어 기존의 비대칭적으로 전압을 인가하여 스트로크를 조절하는 것과 같은 효과를 낼 수 있다는 것이 명백하다.
피스톤(300: 도 3에 도시)의 운동을 수학적으로 기술한다. 실린더(200: 도 3에 도시)에서부터 피스톤(300: 도 3에 도시)의 헤드 까지의 변위를 x라고 하면 다음과 같은 식이 성립한다.
Figure 112007076255488-pat00003
여기서 xi는 피스톤의 초기치, F(i)는 외력, ΔP ·As는 냉매가 가하는 힘이다. x(t)를 xm + u(t)로 가정하고 수학식 1a에 대입하면
Figure 112007076255488-pat00004
수학식 4에서 cx와 수학식 5에서 cf는 동일하다.
여기서 수학식 5를 AC 성분과 DC 성분으로 각각 분리하면,
Figure 112007076255488-pat00005
Figure 112007076255488-pat00006
로 된다. ΔP는 냉각 장치의 냉각 사이클에서 토출하는 토출압과 흡입하는 흡입압의 차이로, 냉력이 크면 ΔP가 커진다. 따라서 요구되는 냉력에 따라 xm - xi가 자동으로 조절된다. 여기서 xm - xi가 δ와 같은 의미이다. 따라서 요구하는 냉력이 커짐에 따라, 스트로크도 따라서 증가한다. δ에 대해 정리하면
Figure 112007076255488-pat00007
가 되고, 이 δ가 δ가 α2(1+ β) - 2α + δ2의 값을 가지면, 기존의 비대칭적으로 전압을 인가하여 스트로크를 조절하는 것과 같은 효과를 낼 수 있다는 것은 앞에서 설명하였다. 따라서, 기존의 방식인 비대칭 운전 대신 스프링의 탄성 계수 km을 작게 하여 δ를 증가시키면 대칭적인 전압을 가하더라도, 과부하 조건 하에서도 스트로크를 증가시킬 수 있다.
과부하 조건에서 냉력(Qe)는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112007076255488-pat00008
여기서 η은 비례상수이고, S는 스트로크(stroke), f는 운전주파수를 뜻한다.
필요한 냉력이 클수록 스트로크의 길이가 커질 필요가 있으므로, 전체 냉력 조건에서 스트로크가 피스톤이 왕복할 수 있는 최대값보다 크면 된다. 즉, 왕복동식 압축기는 왕복동식 압축기가 낼 수 있는 모든 유량에 대해 필요한 유량을 내는 데에 필요한 스트로크가 초기치의 2배와 상기 유량으로 인해 피스톤이 밀리는 거리 의 합보다 작은 것이 바람직하다. 이를 만족하기 위해서는
Figure 112007076255488-pat00009
를 만족하면 된다. 이하 수학식 8을 최대 냉력 조건으로 부르기로 한다. 여기서 G(km,As,ΔP) = As×ΔP/km이며, η은 비례상수이고, S는 스트로크(stroke), f는 운전주파수를 뜻한다는 것은 위에서 설명되었다. Qmax는 최대 냉력을 뜻한다. 수학식 8을 만족한다는 것은 왕복동식 압축기에서 필요한 냉력이 변함으로 인해 피스톤의 스트로크 S가 바뀌고, 바뀐 스트로크로 인해 필요한 유량을 낼 수 있음을 의미한다. 즉, 수학식 8을 만족하는 탄성 계수 km과 초기치 α를 선정할 필요가 있다. 이렇게 탄성 계수 km과 초기치 α를 선정하면 기계공진주파수가 결정되고, 운전 주파수는 공진이 일어나야 효율이 향상될 수 있으므로,
Figure 112007076255488-pat00010
를 만족하여 기계공진주파수와 같게 선택된다. 여기서 kg는 가스가 가하는 힘을 스프링이 가하는 힘으로 보고 그 탄성 계수를 뜻하는 것으로, 이를 구하는 것은 뒤에서 자세히 설명될 것이다. 또한 Qe = n·S·f도 만족해야 하므로, 운전 주파수 f는
Figure 112007076255488-pat00011
를 만족하면 된다.
도 35는 입력 전압에 변화에 따른 피스톤의 변위를 설명하는 도면이다. Y축에서의 거리는 피스톤의 위치와 압축공간을 이루는 일면 사이의 거리를 말한다. 피스톤이 왕복운동을 할 때, 실린더의 압축공간을 이루는 일면과 가장 가까운 때를 상사점(또는 상사부), 실린더의 압축공간을 이루는 일면과 가장 먼 때를 하사점(또는 하사부)이라고 한다.
도 35에서 y축의 거리는 피스톤의 위치와 압축공간을 이루는 일면 사이의 거리를 말한다. 처음에 왕복동식 압축기에서 피스톤(300: 도 3에 도시)은 상사점에 위치하고 있으며(위치 1), 전압이 변함에 따라, 실린더(200: 도 3에 도시)의 압축공간을 이루는 일면과 멀어진다(위치 1 내지 3). 피스톤의 위치가 압축공간을 이루는 일면과 충분히 멀어져 압력이 일정한 값 이하가 되면(위치 3), 압축공간 내부의 압력에 따라 개폐되는 토출밸브 어셈블리가 닫힌다. 이로 인해 피스톤(300: 도 3에 도시)이 압축공간을 이루는 일면과 급격히 멀어지며(위치 4), 급격히 멀어진 상태에서 전압에 따라 피스톤의 위치가 변한다(위치 4 내지 11).
피스톤의 위치가 압축공간을 이루는 일면과 충분히 다시 가까워져 압력이 일정한 값 이상이 되면(위치 11), 압축공간 내부의 압력에 따라 개폐되는 토출밸브 어셈블리가 열린다. 토출밸브 어셈블리가 열리는 것으로 인해 냉매가 압축공간 내부에서부터 토출 된다. 이로 인해 피스톤(300: 도 3에 도시)이 압축공간을 이루는 일면과 급격히 가까워지며(위치 12), 급격히 멀어진 상태에서 전압에 따라 피스톤의 위치가 변한다(위치 12 내지 13).
이렇게 냉매가 자체 탄성력에 의해 가스 스프링으로 작용한다고 할 때, 토출 밸브 어셈블리의 개폐 등으로 인해 가스(기체)가 가하는 힘이 비선형적으로 바뀌고, 이로 인해 피스톤(300: 도 3에 도시)과 압축공간을 이루는 일면 사이의 거리가 급격하게 바뀌는 구간이 있다. 이러한 현상을 점프(Jump)현상이라고 하며, 가스 스프링 상수 kg를 구하는 데에 장애가 될 수 있다. 이러한 가스 스프링 상수 kg를 구하는 방법은 아래에 설명될 것이다.
도 36은 피스톤의 위치에 따른 기체가 가하는 힘을 나타내는 도면이다. 피스톤의 위치에 따라 기체가 가하는 힘이 다른데, 이를 위에서 설명되었던 스프링은 초기의 위치에서부터 변위에 비례하여 힘을 내는 것이 일반적이다(F = -kx). 그런데 냉매(가스)로 인해 힘을 받는 경우는, 기준점인 하사부(또는 하사점)에서 멀어질수록 받는 힘이 증가하지만, 어느 정도 (ΔP ·As) 이상으로는 증가하지 않게 된다. 여기서 Fc(t)는 가스가 내는 힘을 뜻한다. 따라서 이러한 비선형적인 가스가 가하는 힘 kg을 스프링이 가하는 힘으로 보고 그 탄성 계수를 구하기 위해서는 묘사함수(describing function)라는 방법을 도입할 필요가 있다.
묘사함수(describing function)라는 방법은 비선형 제어를 분석하기 위해 근사시키는 방법으로, 특정한 파형(예를 들어 사인파)을 입력신호로 가하면 특정한 입력파형의 주기를 기본 진동주기로 하는 특정한 파형이 나오고 다만 진폭과 위상이 달라진다. 이러한 출력 중 주기가 같은 기본파만 보면 그 진폭과 위상 차이를 통해 묘사함수(describing function)로 나타낼 수 있다.
묘사함수(describing function)를 통해 가스가 가하는 힘 Fc(t)을 스프링이 가하는 힘으로 보고, 그 탄성 계수를 구하면
Figure 112007076255488-pat00012
가 되고, 이를 운전 주파수의 조건에 대입하면
Figure 112007076255488-pat00013
가 된다. 여기서 km은 탄성 계수, m은 질량, η은 비례상수, S는 스트로크(stroke)이며,
Figure 112007076255488-pat00014
는 가스 스프링 상수이다. 그런데 가스 스프링 상수는 시간에 따라 변하는 값이므로, 기계공진주파수가 시간에 따라 변한다. 공진 상태일 때 효율이 좋으므로, 운전주파수 f가 기계공진주파수를 추정 및 추적하도록 제어부에서 리니어 모터(400: 도 3에 도시)에 인가되는 전원을 제어한다.
도 37은 리니어 압축기를 기계공진주파수로 운전하기 위한 회로도의 일 예이다. 필요한 유량을 얻기 위해 운전 주파수를 바꾸는 경우, 리니어 모터(400: 도 3에 도시)에 가하는 전압의 주파수가 변한다. 그런데, 기계공진주파수도 피스톤(300: 도 3에 도시)의 위치에 따라 가스 스프링 상수 kg가 바뀌어 기계공진주파수가 시간에 따라 바뀐다. 시간에 따라 바뀌는 기계공진주파수에 대응하여, 리니어 모터(400: 도 3에 도시)에 인가하는 전원을 제어할 필요가 있다.
제어부(미도시)는 리니어 모터(400)에 인가되는 전원을 제어하며, 바람직하게는 인버터부(S1부터 S4까지)를 포함한다. 구체적으로 인버터부 중 풀-브릿지(Full-bridge) 방식을 통해서 제어하는 경우를 살펴보면, 전압이 V인 직류 전원(22)이 있고, 이를 인버터부(S1부터 S4까지)가 제어하여 전원을 리니어 모터(400: 도 3에 도시)에 공급한다. 인버터부는 직류 전원(22)으로부터 전원 또는 전압을 인가받고, 지령치(drive)에 따라 원하는 주파수 및 크기를 가지는 교류 전압을 코일부에 인가한다.
상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터(400: 도 3에 도시)가 설계상에서 고려한 부하 하에서 상기 코일 스프링의 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg)에 의해 산출되는 피스톤의 기계공진주파수(fm)에 일치하는 운전주파수(fc)로 운전되면 공진으로 인해 효율을 높일 수 있어 바람직하다. 그런데, 상기와 같은 리니어 압축기는 실제 부하가 가변됨에 따라 상기 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg) 및 이를 고려하여 산출된 피스톤의 기계공진주파수(fm)가 변경된다. 따라서 변경되는 기계공진주파수(fm)에 따라 코일부에 인가되는 전원의 주파수 또는 운전주파수(fc)도 기계공진주파수(fm)에 따라 바뀌는 것이 바람직하다.
이러한 제어부에서 코일부(21)에 인가되는 전원이 기계공진주파수 fm를 추적 또는 추정하여 인가될 수 있다. 코일부(21)에 인가되는 전원이 기계공진주파수 fm를 추적 또는 추정하는 방법은 아래에서 설명될 것이다.
본 발명인 리니어 압축기의 경우에는 실린더(200: 도 3에 도시)와 피스톤(300: 도 3에 도시)이 모두 고정되어있지 않고 스프링 등 탄성부재를 통해 쉘(100: 도 3에 도시)과 연결되어 있기 때문에 2자유도를 가진다. 구체적으로, 리니어 압축기에서는 피스톤(300: 도 3에 도시)의 위치 x 및 전하 Q 또는 전하의 미분값 전류 I가 변수가 될 수 있다. 2자유도를 가지는 시스템에서는 공진 주파수가 2개인 경우가 있고, 낮은 주파수에서부터 높은 주파수로 전원을 인가함에 따라 다음과 같은 현상이 발생한다.
공진주파수 중 작은 값을 가지는 주파수(첫번째 공진주파수)보다 낮은 주파수에서는 두 개의 변수(피스톤의 위치 x 및 전류 I)의 위상이 특별한 상관관계를 갖지 않다가, 작은 값을 가지는 주파수(첫번째 공진주파수)에 근접하면 두 개의 변수(피스톤의 위치 x 및 전류 I)의 위상의 차가 감소한다. 따라서 공진주파수와 가까울 수록, 피스톤의 위치 x 및 전류 I의 차이가 작게 된다. 첫번째 공진주파수보다 커지면, 피스톤의 위치 x 및 전류 I의 차이가 다시 커지게 된다. 즉, 두 개의 변수(피스톤의 위치 x 및 전류 I)의 위상의 차가 최소인 곳이 바로 운전하고자 하는 주파수가 된다. 첫번째 공진주파수보다 주파수가 큰 경우와 작은 경우, 피스톤의 위치 x 및 전류 I의 차이의 증감이 바뀌는데 이러한 현상을 위상반전이라고 한다.
실린더(200: 도 3에 도시)의 압축 공간(P)를 이루는 일면과 가장 가까운 때를 상사점(또는 상사부), 실린더(200: 도 3에 도시)의 압축 공간(P)를 이루는 일면과 가장 먼 때를 하사점(또는 하사부)이라고 한다. 위에서 설명되었던 위상반전은 리니어 압축기에서 피스톤(300: 도 3에 도시)의 헤드가 실린더(200: 도 3에 도시)의 일면과 닿을 때, 즉 상사점이 실린더의 일면에 위치할 때 위상반전이 가장 명확히 관찰될 수 있다. 따라서 두 개의 변수(피스톤의 위치 x 및 전류 I)의 위상의 차가 최소가 되도록 제어하면 기계공진주파수 fm을 찾는 것이고, 기계공진주파수 fm 근처에서 발생하는 위상반전 현상이 가장 명확히 관찰되도록 제어하면 피스톤(도 1에서 6)의 상사점이 실린더에 오도록 제어하는 것이다.
도 38은 리니어 모터를 역기전력이 있는 R-L 회로로 모형화할 때의 등가회로도이다. 이 등가회로도에서, 피스톤(300)의 움직임을 나타내는 이론적인 근거는
Figure 112007076255488-pat00015
과 같은 미분방정식으로 설명된다. 여기서, R은 등가적 저항이고, L은 등가적 인덕턴스 계수이고, i는 모터에 흐르는 전류이고, V*은 인버터부의 출력 전압에 대응하는 전압지령치이다. 상술된 변수들은 모두 측정이 가능하므로 역기전력 E의 산정이 가능하다.
또한, 피스톤(300)의 움직임을 나타내는 이론적인 근거의 경우,
Figure 112007076255488-pat00016
와 같은 기계적 운동방정식으로 설명된다. 여기서, x는 피스톤(300)의 변위이고, m은 피스톤(300)의 질량이고, C는 댐핑계수이고, k는 등가적 스프링 상수이고, α는 역기전력 상수이다. 이를 복소수 형태로 변환하면 다음과 같이 된다.
Figure 112007076255488-pat00017
여기서, ω는 진동수이다.
기계적 공진은 두 개의 변수(피스톤의 위치 x 및 전류 I)의 위상의 차가 최소인 주파수에서 일어난다. 역기전력 E와 피스톤의 위치 x는 강한 상관관계 내지 비례하는 관계에 있고, 역기전력 E 및 전류 I의 위상의 기준을 조절하여 두 개의 변수(피스톤의 위치 x 및 전류 I)의 위상의 차가 최소로 될 때 그 값을 0이 되게 할 수가 있다. 이러한 과정을 통해,
Figure 112007076255488-pat00018
식에서 이론적으로는 분모에 있는 복소수 부분이 0이 되면 공진주파수에 도달했다고 말할 수 있다. 그러나, 상술된 바와 같이, 등가적 스프링 상수(k)는 부하에 따라 변경되므로, 역기전력의 위상과 전류의 위상을 검출하고 이에 따라 운전주파수(fc)를 가변하여 동기화시키는 것을 통해, 운전주파수(fc)가 변화하는 기계공진주파수(fm)를 추적할 수 있도록 한다.
상술된 제어방법은 기계적인 변수인 스프링 상수(K)를 정확하게 산정하여 기계공진주파수(fm)를 추정하는 것이 아니라, 전기적인 모델에서 측정가능한 변수(R, L, i, V*)를 사용하여 공진 상태가 이루어지도록 하는 것이므로, 실제 리니어 압축기를 제조할 때, 기구적인 정확도에 민감하지 않게 된다. 따라서, 상술된 제어 방법은 부가적으로 리니어 압축기를 제조할 때, 제조 과정에서 야기되는 기구적인 오 차를 쉽게 극복하고, 공진 상태에서 압축 및 흡입 과정이 수행되도록 한다.
제어부에 구비될 수 있는 인버터부는 전압지령치 V*에 따른 정현파전압을 생성하는데, 우선 이 전압지령치 V* 및 전류 i을 검출하고, 이를 통해 역기전력 E를 검출한다. 그 후 전류 i의 위상을 검출한 후 역기전력 E의 위상과 비교하여 위상차를 구한다. 산정된 위상차를 통해, 전류 i의 위상과 역기전력 E의 위상이 같도록 하는 주파수 변화치(Δf)를 구하고, 이러한 주파수 변화치(Δf)를 생성하여 전압지령치 V*를 보정한다. 다시 제어부는 변화된 전압지령치 V*에 따라 정현파 전압을 생성한다. 이런 과정을 통해 운전주파수(fc)가 변화하는 기계공진주파수(fm)를 추적할 수 있도록 한다.
도 39는 제어부가 전원이 기계공진주파수를 추정 또는 추적하도록 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. X축은 제어부가 제어하여 리니어 모터(400: 도 3에 도시)에 가해지는 전압 Vm의 주파수 및 크기를 나타낸 것이고, Y축의 경우 실질적으로 위에서 설명한 역기전력 E와 전류 i의 위상차를 나타내는 것이다. X축에서 y값은 주파수에 따라 바뀌며, 공진주파수와 같은 값을 가질 때, y값이 가장 작다는 것은 위에서 설명되었다.
제어부는 y값이 작도록 전류 i의 위상과 역기전력 E의 위상이 같도록 하는 주파수 변화치(Δf)를 구하고, 이러한 주파수 변화치(Δf)를 생성하여 전압지령치 V*를 보정하는 과정(화살표로 표시되었음)을 통해, y값이 가장 작도록 제어할 수 있 고, 또한 위상반전이 명확히 관찰되도록 제어할 수 있다. 이것이 결국 운전주파수(fc)가 기계공진주파수(fm)를 추정 또는 추적하고, 피스톤(300: 도 3에 도시)의 상사점이 실린더(200: 도 3에 도시)의 일면에 오도록 제어하는 것이다.
도 40은 본 발명인 리니어 압축기의 유량을 조절(제어)하는 방법을 설명하는 순서도이다. 리니어 압축기는 냉각 장치가 필요로 하는 냉각량에 따라 유량을 조절할 필요가 있고, 리니어 압축기는 필요한 유량을 내도록 다음과 같은 과정을 수행한다.
필요한 유량에 따라 주파수를 설정하는 단계(S11)는 특정주파수 부근에서 A와 S가 고정되면 특정주파수 부근에서 주파수 f가 선형적으로 증가 또는 감소하면 기준 유량 Q가 이에 따라 선형적으로 증가 또는 감소하는 것을 통해 적절한 운전주파수를 설정한다. 피스톤에 부가 질량부재(350)를 부착하는 단계(S12)에서는 정해진 기계공진주파수 fm에서
Figure 112013094800920-pat00019
를 만족하는 md를 구한다. 여기서 km, kg, m, md는 각각 피스톤(300)과 연결되어 있는 스프링(800')의 물리적인 탄성 계수, 가스 스프링(800')의 탄성 계수, 피스톤(300)의 질량, 부착되는 부가 질량부재(350)의 질량을 뜻한다. 제어부에서 인가되는 전원을 제어하는 단계(S13)는 소정 조건에서 운전주파수 fc가 설정된 기계공진주파수 fm를 따라가고, 피스톤(300)의 상사점이 실린더의 압축공간을 이루는 일면과 닿도록 전원을 제어한다. 구체적으로는 제어부가 공진주파수를 추적할 때에는 공진주파수 좌우에서 피스톤(300: 도 3에 도시)과 전류 사이의 위상의 증감이 바뀌는 것을 이용해 공진주파수를 추종할 수 있으며, 피스톤(300: 도 3에 도시)의 헤드가 실린더(200: 도 3에 도시)의 압축공간(P)을 이루는 일면에 가까이 가면 위상이 반전되는 것을 통해 상사점이 실린더(200: 도 3에 도시)에 가까이 있도록 제어할 수 있다.
도 41은 본 발명인 왕복동식 압축기의 전원공급장치를 개념적으로 설명한 도면이다.
전원공급장치는 교류 전원공급부(481)에서 공급되는 교류전원을 정류하는 정류부(482), 정류된 전원을 안정시키는 직류 링크부(483), 코일부에 인가되는 전원을 제어하는 인버터 스위치부(484)로 구성되어 있다. 교류전원은 보통 케이블 등의 교류 전원공급부(481)를 통해 외부에서 공급된다. 정류부(482)는 교류전원을 한 방향으로만 흐르도록 정류하는 기능을 하고, 직류 링크부(483)는 정류된 전원의 크기 변동을 줄이는 기능을 한다(안정화시키는 기능을 한다). 정류부(482)와 직류 링크부(483)의 경우, 교류 전원을 안정된 직류 전원으로 변환하는 것이 목적이므로, 두 부분을 묶어서 전원 변환부로 볼 수도 있다. 인버터 스위치부(484)는 인버터에 인가되는 전원을 스위치를 통해 제어한다. 제어된 전원은 인버터 스위치부(484)를 거쳐, 적절한 크기 및 주파수를 갖는 교류전원으로 변하고, 상기 교류전원이 리니어 모터(400: 도 3에 도시) 인가된다.
도 1은 종래의 리니어 압축기의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 리니어 압축기를 백 커버 쪽에서 바라본 모습을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 단면을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 스테이터 커버를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 리니어 압축기가 구비하는 서포터 피스톤의 일 예를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 리니어 압축기가 구비하는 스프링 가이더의 일 예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 서포터 피스톤 및 스프링 가이더를 체결하는 방법을 모식적으로 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 리니어 압축기가 구비하는 백 커버의 일 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 리니어 압축기가 구비하는 스테이터 커버, 서포터 피스톤, 스프링 가이더 및 백 커버가 결합된 예를 후방에서 바라본 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기가 구비하는 서포터 피스톤의 일 예를 도시한 도면;
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기가 구비하는 서포터 피스톤과 머플러의 결합 방법을 개략적으로 도시한 도면,
도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 리니어 압축기의 일부를 도시한 도면,
도 13 및 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 리니어 압축기의 일부를 도시한 도면,
도 15는 본 발명에 따른 리니어 압축기가 구비하는 백 커버의 일 예를 도시한 도면,
도 16은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 후방 메인 스프링 및 백 커버의 일 예를 확대하여 개략적으로 도시한 측단면도,
도 17은 본 발명에 따른 리니어 압축기가 구비하는 백 커버 다른 일 예를 도시한 도면,
도 18은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 백 커버에서 단차지게 절곡된 단차진 절곡부를 포함한 내측 구속지지부를 개략적으로 도시한 도면,
도 19는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 백 커버에서 실린더 방향으로 요철된 요철부를 형성한 외측 구속지지부를 개략적으로 도시한 도면,
도 20은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 백 커버에서 후방 메인 스프링의 타단을 지지하는 테두리를 따라 일부를 절개한 외측 구속지지부를 개략적으로 도시한 도면,
도 21는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 메인 스프링 부분을 도시한 측단면도,
도 22는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 후방 메인 스프링 부분을 도시한 사
시도,
도 23은 도 22의 정면도,
도 24은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 스프링 가이더를 도시한 사시도,
도 25은 비교예에 따른 리니어 압축기의 스프링 가이더가 제외된 측면도,
도 26는 비교예에 따른 스프링 가이더가 제외된 메인 스프링 부분을 도시한 측면도,
도 27은 비교예에 따른 스프링 가이더가 제외된 후방 메인 스프링 부분을 도시한 사시도,
도 28은 도 27의 정면도,
도 29는 본 발명에 따른 흡입머플러가 도시된 측단면도,
도 30은 본 발명에 따른 흡입머플러가 도시된 사시도이다.
도 31은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 메인 스프링 부분을 도시한 측단면도,
도 32는 본 발명에 따른 메인 스프링의 강성관계를 나타내는 도면,
도 33은 리니어 압축기를 수학적으로 모델링한 것,
도 34는 본 발명인 왕복동식 압축기의 피스톤의 동작 및 수학적인 모델링을 예시하는 도면,
도 35는 입력 전압에 변화에 따른 피스톤의 변위를 설명하는 도면,
도 36은 피스톤의 위치에 따른 기체가 가하는 힘을 나타내는 도면,
도 37은 리니어 압축기를 기계공진주파수로 운전하기 위한 회로도의 일 예를 도시한 도면,
도 38은 리니어 모터를 역기전력이 있는 R-L 회로로 모형화할 때의 등가회로도,
도 39는 제어부가 전원이 기계공진주파수를 추정 또는 추적하도록 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 40은 본 발명인 리니어 압축기의 유량을 조절하는 방법을 설명하는 순서도,
도 41은 본 발명인 왕복동식 압축기의 전원공급장치를 개념적으로 설명한 도면이다.

Claims (40)

  1. 냉매가 충진되는 밀폐 용기;
    이너스테이터, 아우터스테이터 및 영구자석을 포함하는 리니어 모터;
    리니어 모터에 의해 왕복 직선 운동하는 피스톤;
    피스톤의 왕복 직선 운동하면 냉매를 압축하는 공간을 제공하는 실린더;
    피스톤의 일단에 연결되며, 피스톤과 접촉하는 몸체, 몸체에서 확장된 지지부 및 몸체에서 확장된 부가 질량 부재 가이드부를 구비하는 서포터 피스톤;
    서포터 피스톤의 일면에 의해 일단이 지지되며, 피스톤 중심에 대해 대칭되는 위치에 복수 개 장착되는 전방 메인 스프링;
    서포터 피스톤의 타면에 의해 일단이 지지되는 단일의 후방 메인 스프링; 및서포터 피스톤의 타면에 결합되며, 후방 메인 스프링을 지지하는 강도를 보강하는 스프링 가이더를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    피스톤은 서포터 피스톤이 체결되는 확장부를 포함하며,
    서포터 피스톤은, 몸체에 형성되며, 확장부에 체결되기 위한 체결홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    서포터 피스톤은, 몸체에 형성되며, 체결홀과 겹치지 않는 곳에 형성되는 풍손 저감홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    스프링 가이더는, 피스톤 및 서포터 피스톤의 중심에 대해 정렬되는(aligned) 중심을 가지며, 서포터 피스톤에 고정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제1항에 있어서,
    스프링 가이더는, 후방 메인 스프링의 일단이 스프링 가이더의 반경 방향으로 움직이는 것을 제한하는 단차부를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제1항에 있어서,
    서포터 피스톤 및 스프링 가이더는, 결합 위치를 안내하는 안내홀을 서로 대응하는 위치에 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 스프링 가이더의 후방 메인 스프링과 접촉하는 부분은 후방 메인 스프링의 경도보다 큰 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 제1항에 있어서,
    서포터 피스톤의 냉매 유입홀에 통과하여, 피스톤 내로 그 일부가 삽입되어, 소음을 저감하여 냉매를 피스톤 내로 유입시키는 흡입 머플러;를 더 포함하 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    흡입 머플러는, 대략 원통형이며 일단은 서포터 피스톤에 연결되기 위해 반경 방향으로 확장되고, 타단은 냉매가 유입되기 위한 냉매 유입홀이 형성된 지지부재, 지지부재 내에 위치하는 내부 소음관 및 피스톤 내에 위치하는 외부 소음관을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 제9항에 있어서,
    서포터 피스톤은, 흡입 머플러의 지지부재가 서포터 피스톤에 대해 정렬되도록 안내하는 안내홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  11. 제9항에 있어서,
    흡입 머플러는, 사출 성형이 가능한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 제9항에 있어서,
    내부 소음관 및 외부 소음관은, 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  13. 제8항에 있어서,
    흡입 머플러는, 서포터 피스톤과 체결 부재에 의해 체결되며,
    스프링 가이더는, 서포터 피스톤과 흡입 머플러를 체결하는 체결 부재가 수용되는 체결 부재 수용홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  14. 제1항에 있어서,
    후방 메인 스프링의 타단을 고정할 수 있는 스커트부 및 함몰부 중 어느 하나를 포함하며, 후방 메인 스프링의 타단을 지지하는 백 커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  15. 제14항에 있어서,
    백 커버는, 후방 메인 스프링을 고정할 수 있는 스커트부 및 함몰부 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  16. 제14항에 있어서,
    백 커버와 밀폐 용기 사이에 위치하는 백 머플러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  17. 제14항에 있어서,
    백 머플러는 백 커버에 용접되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  18. 제14항에 있어서,
    백 머플러는, 대략 원통형으로 형성되며, 백 커버 측 면은 개방되고, 밀폐 용기 측 면은 중앙부가 밀폐 용기 측으로 돌출되어 있으며, 대략 중앙부에 냉매 유입홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  19. 제1항에 있어서,
    전방 메인 스프링과 후방 메인 스프링은 피스톤의 공진 운전 주파수와 대략 일치하는 고유 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  20. 제1항에 있어서,
    아우터스테이터의 일단 및 전방 메인 스프링의 타단을 지지하는 스테이터 커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  21. 제20항에 있어서,
    스테이터 커버는, 전방 메인 스프링의 개수 및 위치에 대응하는 전방 메인 스프링 지지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  22. 제1항에 있어서,
    복수개의 전방 메인 스프링 및 후방 메인 스프링은, 대략 일치하는 강성을 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  23. 제1항에 있어서,
    전방 메인 스프링 및 후방 메인 스프링은, 리니어 압축기가 구동되지 않는 상태에서 대략 일치하는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  24. 제1항에 있어서,
    서포터 피스톤에 선택적으로 장착되는 부가 질량 부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  25. 제24항에 있어서,
    부가 질량 부재는, 서포터 피스톤에 탈부착 가능한 복수 개인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  26. 제24항에 있어서,
    부가 질량 부재의 질량은, 리니어 압축기의 냉매 압축 용량에 따라 결정되는 피스톤의 스트로크를 고려하여, 피스톤이 공진 조건에서 운전될 수 있는 질량인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  27. 제26항에 있어서,
    부가 질량 부재의 장착 여부 및 질량에 따라 서포터 피스톤의 운전 주파수를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  28. 제1항에 있어서,
    전방 메인 스프링 및 후방 메인 스프링의 스프링 상수는, 스프링 상수에 의해 결정되는 피스톤의 밀림량이, 리니어 압축기의 최대 부하 운전조건에서 피스톤이 상사점과 하사점 사이를 대칭운동하게 하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  29. 제28항에 있어서,
    피스톤은, 최대 부하 운전조건에서 피스톤이 상사점과 하사점 사이를 대칭 운동하도록, 실린더에 대한 피스톤의 초기 위치가 결정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  30. 제28항에 있어서,
    피스톤이 공진 조건에서 왕복 운동 하도록 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  31. 제30항에 있어서,
    제어부는, 리니어 압축기는 필요 냉력에 따라 피스톤의 운동 주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  32. 제31항에 있어서,
    제어부는, 전류의 위상과 피스톤의 위치의 차이가 최소가 되도록 피스톤의 운동을 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  33. 제31항에 있어서,
    제어부는, 압축기의 필요 냉력에 따른 피스톤의 상사점의 위치를 스트로크 및 전류의 위상 변곡점을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  34. 제33항에 있어서,
    제어부는, 산출된 피스톤의 상사점의 위치와 실제 피스톤의 상사점 위치가 일치하도록 제어하는 PWM 방식의 풀 브리지 인버터(Full-bridge Inverter) 제어 로직을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  35. 제34항에 있어서,
    제어부는, 정류 회로(Rectifier) 및 2개의 인버터 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  36. 제35항에 있어서,
    정류 회로는, 배압정류회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  37. 제1항에 있어서,
    리니어 모터에 전원을 공급하며, 교류 전원을 직류로 정류하는 정류부, 정류된 전압이 리니어 모터로 인가되는 것을 제어하는 인버터 스위치부를 포함하는 전원 공급장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
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