KR101810299B1

KR101810299B1 - 실린더 어셈블리 및 이를 포함하는 리니어 압축기

Info

Publication number: KR101810299B1
Application number: KR1020150185076A
Authority: KR
Inventors: 배상현; 오원식
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2017-12-18
Also published as: KR20170075430A

Abstract

본 발명은 실린더 어셈블리 및 이를 포함하는 리니어 압축기 에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 실린더 어셈블리에는, 실린더; 및 상기 실린더의 내부공간에서 왕복운동하는 피스톤이 포함되며, 상기 피스톤의 외주면에는, 다수의 산부 및 다수의 곡부가 교번하여 배치되는 요철부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

실린더 어셈블리 및 이를 포함하는 리니어 압축기 {Piston and linear compressor including the same}

본 발명은 실린더 어셈블리 및 이를 포함하는 리니어 압축기에 관한 것이다.

냉각 시스템이란, 냉매를 순환하여 냉기를 발생시키는 시스템으로서, 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 반복하여 수행한다. 이를 위하여, 상기 냉각 시스템에는, 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기가 포함된다. 그리고, 상기 냉각 시스템은, 가전제품으로서 냉장고 또는 에어컨에 설치될 수 있다.

일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축하여 압력을 높여주는 기계장치로서, 상기 가전제품 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, 선행문헌 1)을 실시하여 등록된 바 있다.

[선행문헌 1]

1. 등록번호 10-1454549호, 등록일자 : 2014년 10월 17일, 발명의 명칭 : 리니어 압축기

이하, 도면을 참조하여 종래의 리니어 압축기의 구성에 대하여 설명한다.

도 1 및 도 2는 종래의 리니어 압축기에 구비되는 실린더 어셈블리의 구성을 보여준다.

도 1을 참조하면, 종래의 실린더 어셈블리(1)에는, 실린더(2) 및 상기 실린더(2)의 내부에서 축 방향으로 왕복 직선운동 하는 피스톤(3)이 포함된다.

상기 피스톤(3)에는, 대략 원통 형상을 가지며 상기 실린더(2)의 내부에 배치되는 피스톤 본체(4) 및 상기 피스톤 본체(4)의 일측 단부로부터 반경 방향으로 확장되어 영구자석(미도시)과 결합되는 플랜지부(6)가 포함된다.

상기 피스톤 본체(4)에는, 흡입부(5a)가 형성되는 전면부(5)가 포함된다. 상기 피스톤 본체(4)의 내부를 유동하는 냉매는 상기 흡입부(5a)를 통하여 압축공간으로 흡입될 수 있다. 상기 압축공간은 상기 전면부(5)와 토출 밸브(미도시) 사이에 형성되는 공간으로서 이해된다. 상기 흡입부(5a)에는, 흡입 밸브(미도시)가 설치될 수 있다.

상기 전면부(5)에는, 상기 흡입 밸브를 상기 전면부(5)에 결합시키기 위하여, 소정의 체결부재(미도시)가 결합되는 체결부(5b)가 더 포함된다.

상기 플랜지부(6)에는, 다수의 홀(7,8)이 포함된다. 상기 다수의 홀(7,8)에는, 상기 피스톤(3) 주변의 부품과 체결되는 소정의 체결부재가 삽입되는 하나 이상의 체결 홀(7) 및 상기 피스톤(3)의 주변에서 발생되는 유동 저항을 감소시키기 위한 하나 이상의 관통 홀(8)이 포함된다.

도 2를 참조하면, 상기 피스톤 본체(4)의 외주면과 상기 실린더(2)의 내주면 사이에는, 간극이 형성된다. 그리고, 상기 간극에는 베어링으로서 작용하는 오일이 존재할 수 있다.

종래의 리니어 압축기는 상대적으로 높은 주파수로 운전되며, 최근에는 점점 소형화 되면서 고속의 주파수로 운전될 수 있도록 구성된다. 일례로, 상기 고속의 주파수는 100Hz일 수 있다.

상기 리니어 압축기가 상기 고속의 주파수로 운전되면 상기 피스톤(3)이 실린더(2) 내에서 빠른 속도로 왕복운동 하게 되며, 이 과정에서 반경 방향으로의 피스톤의 움직임이 초래되므로, 피스톤(3)과 실린더(2)간에 마찰에 따른 마찰 손실이 발생하게 되는 문제점이 나타났다.

그리고, 상기 마찰에 의하여 상기 피스톤(3) 또는 실린더(2)에 마모가 발생하게 되고, 그에 따른 오일 베어링의 신뢰성이 저하되면서 피스톤(3)이 상기 실린더(2) 내에서 부상되는 힘(이하, 부상력)이 낮아지는 현상이 나타났다. 결국, 상기 피스톤(3)과 실린더(2)간의 마찰이 더욱 심해지는 문제점이 발생하였다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 부상력이 개선되는 실린더 어셈블리 및 이를 포함하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 실린더 어셈블리에는, 실린더; 및 상기 실린더의 내부공간에서 왕복운동하는 피스톤이 포함되며, 상기 피스톤의 외주면에는, 다수의 산부 및 다수의 곡부가 교번하여 배치되는 요철부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 요철부는 톱니 형상을 가지도록 구비된다.

또한, 상기 산부는 오일이 상기 곡부로 모여지도록 가이드 한다.

또한, 상기 요철부에는, 상기 다수의 산부 중 어느 하나의 산부로부터 상기 곡부로 연장되는 제 1 연결부; 및 상기 다수의 산부 중 다른 하나의 산부로부터 상기 곡부로 연장되는 제 2 연결부가 포함되며, 상기 곡부를 중심으로, 상기 제 1 연결부와 상기 제 2 연결부는 그루브 각도를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그루브 각도는 60˚~70˚의 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 요철부는, 상기 피스톤의 축방향 길이의 중심선(ℓc)을 기준으로 상기 피스톤의 전방부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전면부로부터 그 외경이 증가하는 방향으로 연장되는 경사부; 및 상기 경사부로부터 후방을 향하여 동일한 외경을 가지도록 연장되는 제 1 연장부가 더 포함된다.

또한, 상기 제 1 연장부로부터 후방으로 연장되며, 상기 제 1 연장부의 외경보다 더 큰 외경을 가지는 제 2 연장부가 더 포함되며, 상기 요철부는 상기 제 2 연장부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 요철부는 상기 제 2 연장부의 전단부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 요철부에는, 상기 피스톤의 전방부에 설치되는 제 1 요철부; 및 상기 피스톤의 후방부에 설치되는 제 2 요철부가 포함된다.

이러한 본 발명에 의하면, 피스톤의 외주면에 톱니 형상의 요철부가 형성되고, 오일이 상기 요철부에 집중(압축)되어 압력이 증가될 수 있으므로, 피스톤이 실린더 내에서 부상되는 부상력이 증가할 수 있다는 효과가 나타난다.

특히, 상기 요철부에는, 산부 및 곡부가 반복하여 형성되고, 피스톤이 전진하는 과정에서 오일이 산부로부터 곡부를 향하여 유동하면서 오일의 집중이 효과적으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 요철부는 피스톤 본체의 축방향 길이의 중심부로부터 전방부에 배치되므로, 피스톤이 전방으로 이동하는 과정, 즉 냉매를 압축하는 과정에서 부상력이 크게 작용할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 상기 요철부는 피스톤의 전방부 및 후방부에 각각 구비될 수 있으며, 이에 따라 피스톤의 전진 및 후진하는 과정에서, 오일의 집중에 따른 압력 및 부상력 증가가 이루어질 수 있다.

또한, 피스톤의 전방부에는, 전면부를 향하여 외경이 선형적으로 작아지도록 연장되는 경사부가 제공되므로, 피스톤이 전진할 때 피스톤과 실린더의 간극이 작이지는 효과가 나타나게 된다. 결국, 상기 작아지는 간극에 의하여, 피스톤과 실린더 사이의 오일은 압축되어 압력이 증가할 수 있고, 이에 따라 피스톤의 부상력이 증가할 수 있게 된다.

또한, 요철부의 곡부를 중심으로 인접한 산부로 연장되는 제 1,2 연결부가 이루는 각도, 즉 그루브 각도가 설정범위 내로 형성됨에 따라, 피스톤의 왕복운동간 마찰손실이 저감될 수 있다는 장점이 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 리니어 압축기에 구비되는 실린더 어셈블리의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤의 구성을 보여주는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤의 구성을 보여주는 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 실린더 어셈블리의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤의 구성에 의하여, 종래기술에 비하여 부상압(지지하중)이 개선되는 모습을 보여주는 시뮬레이션 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤의 구성에 의하여, 종래기술에 비하여, 피스톤과 실린더의 간극별 부상압(지지하중)이 개선되는 모습을 보여주는 실험 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 요철부의 그루브 각도에 따른 마찰손실의 변화를 보여주는 실험 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 피스톤의 구성을 보여주는 도면이다.

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 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤의 구성을 보여주는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤의 구성을 보여주는 측면도이고, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤과 실린더의 배치를 보여주는 단면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤(100)은 실린더(200)의 내부공간에서 왕복운동 가능하게 구비될 수 있다.

상세히, 상기 피스톤(100)에는, 대략 원통 형상을 가지며 축 방향으로 연장되는 피스톤 본체(110) 및 상기 피스톤 본체(110)의 후방 단부로부터 반경 방향으로 연장되는 피스톤 플랜지(155)가 포함된다.

방향을 정의한다.

상기 축 방향은 상기 피스톤(100)이 왕복운동 하는 방향, 상기 반경 방향은 상기 축 방향에 수직한 방향으로서 이해될 수 있다. 그리고, 전방이라 함은 상기 피스톤(100)이 냉매를 압축하는 방향으로 이동하는 방향, 후방이라 함은 상기 전방의 반대방향으로서 이해될 수 있다. 이러한 방향에 대한 정의는, 명세서 전체에 걸쳐 동일하게 적용될 수 있다.

일례로, 상기 피스톤 본체(110)의 전면부(120)로부터 피스톤 플랜지(155)를 향하는 방향을 후방, 그 반대방향을 전방이라 정의할 수 있다.

상기 피스톤 본체(110)에는, 상기 피스톤 본체(110)의 전단부를 형성하며 흡입부(121) 및 체결부(125)가 형성되는 전면부(120)가 포함된다. 상기 흡입부(121)에는 흡입밸브가 설치되며, 상기 체결부(125)에는 상기 흡입밸브를 상기 전면부(120)에 체결하기 위한 체결부재(미도시)가 결합될 수 있다.

상기 피스톤 본체(110)의 내부를 유동하는 냉매는 상기 흡입부(121)를 통하여 압축공간으로 흡입될 수 있다. 상기 압축공간은 상기 전면부(120)와 토출 밸브(미도시) 사이에 형성되는 공간으로서 이해된다.

상기 피스톤 본체(110)에는, 상기 전면부(120)로부터 후방으로 경사지게 연장되는 경사부(130)가 더 포함된다. 상기 경사부(130)는, 상기 피스톤 본체(110)의 외경이 상기 전면부(120)의 외경보다 커지는 방향으로 경사지게 연장될 수 있다. 즉, 상기 피스톤 본체(110)는 상기 경사부(130)에 의하여, 상기 전면부(120)로부터 후방을 향하여, 그 외경이 커지는 방향으로 경사지게 연장될 수 있다.

상세히, 상기 경사부(130)는 후방을 향하여 그 외경이 선형적으로 증가하도록 연장될 수 있다. 달리 말하면, 상기 경사부(130)는 전방을 향하여 그 외경이 선형적으로 감소하도록 연장될 수 있다.

상기 경사부(130)의 외경이 후방을 향하여 증가하도록 구성됨으로써, 상기 피스톤(100)과 실린더(200)간의 간극은 후방으로 갈수록 점점 작아지게 구성될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 상기 피스톤(100)이 전방으로 이동할 때, 오일은 상기 작아지는 간극을 따라 점점 압축될 수 있게 된다. 결국, 오일의 압력은 높아지며, 높아진 압력에 의하여 피스톤(100)이 상기 실린더(200)의 내주면으로부터 부상되는 힘이 높아지게 된다.

상기 피스톤 본체(110)에는, 상기 경사부(130)로부터 후방을 향하여 연장되는 제 1 연장부(135)가 포함된다. 상기 제 1 연장부(135)의 외경은 일정하게 형성된다.

상기 피스톤 본체(110)에는, 상기 제 1 연장부(135)로부터 상기 피스톤 플랜지(150)를 향하여 후방으로 연장되는 제 2 연장부(140)가 더 포함된다. 상기 제 2 연장부(140)의 외경은 상기 제 1 연장부(135)의 외경보다 크게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제 2 연장부(140)의 외경은 일정하게 형성될 수 있다.

상기 제 2 연장부(140)에는, 요철부(160)가 포함된다. 상기 요철부(160)는, 상기 피스톤(100)의 운동 과정에서 오일의 압력을 증가시키기 위하여 상기 피스톤 본체(110)의 외주를 둘러싸도록 구비될 수 있다. 일례로, 상기 요철부(160)는 톱니 형상을 가지도록 구성될 수 있다.

상기 요철부(160)는 상기 제 2 연장부(140)의 전단부를 형성한다. 그리고, 상기 요철부(160)는 상기 제 1 연장부(135)로부터 반경방향으로 돌출되는 형상을 가질 수 있다. 달리 말하면, 상기 요철부(160)는 상기 제 1 연장부(135)와 제 2 연장부(140)의 경계 영역에 형성될 수 있다.

상세히, 상기 요철부(160)에는, 산부(161) 및 곡부(165)를 형성한다.

상기 산부(161) 및 곡부(165)는 각각 다수 개가 구비된다. 상기 다수의 산부(161) 및 다수의 곡부(165)는, 상기 피스톤 본체(110)의 외주면을 따라 교번하여 배치된다.

상세히, 인접하는 2개의 산부(161), 즉 다수의 산부(161) 중 어느 하나의 산부와, 상기 어느 하나의 산부에 가장 인접한 다른 하나의 산부의 사이에 상기 곡부(165)가 위치될 수 있다. 상기 요철부(160)에는, 상기 인접하는 2개의 산부(161) 중 일 산부(161)로부터 상기 곡부(165)로 연장되는 제 1 연결부(166) 및 상기 인접하는 2개의 산부(161) 중 타 산부(161)로부터 상기 곡부(165)로 연장되는 제 2 연결부(167)가 포함된다.

상기 제 1 연결부(166), 상기 곡부(165) 및 상기 제 2 연결부(167)는 V 형상을 가지게 된다. 상기 곡부(165)를 기준으로, 상기 제 1 연결부(166)와 제 2 연결부(167)는 설정된 각도를 형성한다.

상기 다수의 산부(161)는 상기 다수의 곡부(165)보다 전방, 즉 상기 전면부(120)에 더 가깝게 배치될 수 있다. 따라서, 상기 피스톤(100)이 전방으로 이동하는 과정에서, 오일은 상기 다수의 산부(161)를 먼저 만나고, 상기 다수의 산부(161)를 기준으로 양측으로 나뉘어지면서 상기 곡부(165)에 모여진다. 즉, 상기 다수의 산부(161)는, 오일을 상기 곡부(165)측으로 모여지도록 가이드 하는 구성으로서 이해될 수 있다.

따라서, 오일은 상기 곡부(165)에서 압축되며, 이에 따라 오일의 압력이 상승되고 상기 피스톤(100)을 부상시키는 부상력 또는 상기 피스톤(100)을 지지하는 지지하중이 증가하게 된다.

상기 피스톤 플랜지(150)는 상기 제 2 연장부(140)의 후단부로부터 반경 방향으로 연장되며, 대략 링 형상을 가지게 된다.

상기 피스톤 본체(110)의 축방향 중심에 대하여, 반경방향으로 연장되는 가상의 연장선(ℓc)을 정의한다. 그리고, 상기 피스톤 본체(110)의 전후방 길이를 2*L1이라 할 때, 상기 연장선(ℓc)으로부터 상기 전면부(120)까지의 거리는 L1, 상기 연장선(ℓc)으로부터 상기 피스톤 본체(110)의 후단부까지의 거리를 L1으로 형성될 수 있다.

상기 요철부(160)는 상기 연장선(ℓc)을 기준으로 전방에 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 상기 피스톤 본체(110)의 전방부에서의 부상력이 개선될 수 있다. 냉매는 상기 피스톤 본체(110)의 후방으로부터 전방을 향하여 유동하며, 상기 흡입구(121)를 통하여 토출밸브 측으로 유동할 수 있다.

따라서, 토출밸브측에 더 가까운, 상기 피스톤 본체(110)의 전방부에서 그 후방부에 비하여 높은 압력이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 높은 압력에 의하여 오일 베어링의 성능이 저하될 가능성이 높아진다.

따라서, 상기 피스톤 본체(110)의 전방부에서의 피스톤 부상력이 증가될 필요가 있게 된다. 본 실시예에서는, 상기 요철부(160)가 상기 피스톤 본체(110)의 전방부에 위치되도록 함으로써, 오일 집중에 따른 오일압력의 증가 및 부상력 개선을 도모할 수 있다.

도 5에서, 굵은 화살표는 피스톤(100)이 전방으로 이동하는 모습을 나타내며, 점선 화살표는 상기 피스톤(100)과 실린더(200)의 사이에 존재하는 오일이 상기 경사부(130) 및 요철부(160)를 따라 이동하면서 점점 압축되는 모습을 나타낸다.

도 6A 및 도 6B는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤의 구성에 의하여, 종래기술에 비하여 부상압(지지하중)이 개선되는 모습을 보여주는 시뮬레이션 도면이다.

도 6A는 피스톤 본체에 요철부가 형성되지 않는 경우, 피스톤 본체의 외주면에 작용하는 압력, 즉 부상력의 크기를 시뮬레이션 한 모습을 보여준다. 상세히, 도 6A 표시된 (A)는 피스톤 본체의 전면부에 대응하는 부분이며, (B)는 피스톤 본체의 외주면 일부분에 대응하는 부분을 나타낸다.

상기 (A) 및 (B)에는, 상대적으로 낮은 표면압력이 작용한다. 일례로, 상기 표면압력은 3*10⁶ ~ 1*10⁷ (kgf/mm2)의 범위를 가질 수 있다.

반면에, 도 6B는 본 실시예와 같이, 피스톤 본체에 요철부가 형성되는 경우, 피스톤 본체의 외주면 및 요철부에 작용하는 압력, 즉 부상력의 크기를 시뮬레이션 한 모습을 보여준다. 상세히, 도 6B에 표시된 (A')는 피스톤 본체(110)의 전면부(120)에 대응하는 부분, (B')는 피스톤 본체(100)의 외주면 일부분에 대응하는 부분, (C')는 제 1 연결부(166) 또는 제 2 연결부(167)에 대응하는 부분, (D')는 곡부(165)에 대응하는 부분을 나타낸다.

상기 (A') 및 (B')의 표면압력은 도 6A의 (A) 및 (B)의 표면압력과 유사한 압력을 가진다. 반면에, (C') 및 (D')에는, 상대적으로 높은 표면압력이 작용한다. 일례로, 표면압력은 1.3*10⁷ ~ 1.6*10⁷ (kgf/mm2)의 범위를 가질 수 있다.

상기 (C') 및 (D')에 작용하는 표면압력은, 피스톤(100)이 왕복운동 하는 과정에서, 실린더(200)와 피스톤(100) 사이에 존재하는 오일이 상기 요철부(160), 특히 곡부(165)에 집중하여 그 압력이 상승하는 것으로 이해될 수 있다.

그리고, 상기 (C') 및 (D')에 높은 표면압력이 작용한다는 것은, 상기 피스톤(100)이 상기 실린더(200)의 내주면으로부터 부상하는 힘이 크다는 것을 의미할 수 있다. 결국, 본 실시예에 따른 요철부 구조가 피스톤(100)에 구현되는 경우, 상기 피스톤(100)에 작용하는 부상압이 상승할 수 있음을 알 수 있다.

도 7A 및 도 7B는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤의 구성에 의하여, 종래기술에 비하여, 피스톤과 실린더의 간극별 부상압(지지하중)이 개선되는 모습을 보여주는 실험 그래프이다.

도 7A 및 도 7B의 그래프 가로축은, 피스톤(100)이 전방으로 전진하는 시간(msec)을 나타내며, 세로축은 오일이 피스톤(100)을 지지하는 힘(지지하중, N)을 나타낸다. 상기한 바와 같이, 상기 지지하중은 상기 피스톤(100)의 부상력에 대응되는 값으로서 이해된다.

한편, 각 그래프 내에 도시된 각 선도는, 피스톤(100)의 외주면과 실린더(200)의 내주면 사이의 간극(H, mm)을 나타낸다. 일례로, 상기 간극(H)은 0.2mm, 0.4mm, 0.6mm, 0.8mm 및 1mm에 대하여 실험이 수행되었다.

도 7A는 피스톤(100)의 외주면에 요철부(160)가 형성되지 않는 구조에서, 시간 대비 지지하중의 변화를 나타낸다. 간극(H)의 변화에 큰 관계없이, 지지하중은은 0~150N의 범위 내에서 형성되었다.

상기 지지하중이 상승하다가, 시간이 약 0.5msec에서 다시 감소하는 것은 피스톤(100)의 전진 가속도가 +에서 -로 전환됨에 따른 것이다.

반면, 도 7B는 피스톤(100)의 외주면에 요철부(160)가 형성되는 구조에서, 시간 대비 지지하중의 변화를 나타낸다. 간극(H)에 따라, 지지하중의 범위는 크게 차이남을 알 수 있다.

일례로, H=1mm인 경우, 즉 간극(H)이 상대적으로 큰 경우, 상기 지지하중(N)은 0에 가까움을 알 수 있다. 반면에, 간극(H)이 0.8mm 인 경우 지지하중(N)의 최대값은 약 80N, 간극(H)이 0.6mm인 경우 지지하중(N)의 최대값은 약 150N, 간극(H)이 0.4mm인 경우 지지하중(N)의 최대값은 약 300N, 간극(H)이 0.2mm인 경우 지지하중(N)의 최대값은 약 750N인 것으로 측정되었다.

마찬가지로, 전진시간 0에서 약 0.5msec인 구간에서 지지하중은 점점 증가하고, 상기 0.5msec에서 1msec 구간에서 지지하중은 점점 감소함을 알 수 있다. 이는, 피스톤(100)의 전진 가속도가 (+) 일 때에는 상기 지지하중이 증가하고, 상기 전진 가속도가 (-) 일 때에는 상기 지지하중이 감소함에 따른 것으로 이해된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 요철부(160)의 구조가 피스톤(100)에 구현되는 경우, 상기 피스톤(100)에 작용하는 부상압이 상승할 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 피스톤(100)의 외주면과 실린더(200)의 내주면 사이의 간극(H)이 작아질수록 상기 부상압의 더욱 크게 상승함을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 요철부의 그루브 각도에 따른 마찰손실의 변화를 보여주는 실험 그래프이다.

도 8은, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 그루브 각도의 변화에 따라 마찰 손실(W)이 변화함을 보여주는 그래프를 도시한다.

도 8의 그래프에 있어서, 가로축은 그루브 각도(˚), 즉 상기 곡부(165)를 중심으로 제 1 연결부(166)와 제 2 연결부(167)가 이루는 각도를 나타낸다. 그리고, 세로축은 피스톤(100)과 실린더(200)간에 발생되는 마찰 손실(W)을 나타낸다. 물론, 상기 마찰 손실(W)이 작을수록, 압축기의 성능이 개선될 수 있을 것이다.

실험 전에, 요구되는 압축기의 성능을 구현하기 위하여, 설정값(Wo) 이하의 마찰손실을 미리 결정하였다. 일례로, 상기 설정값은 1.5W일 수 있다.

실험 결과, 상기 그루브 각도가 60˚인 경우 마찰손실은 1.43W, 상기 그루브 각도가 70˚인 경우 마찰손실은 1.47W, 상기 그루브 각도가 80˚인 경우 마찰손실은 1.51W, 상기 그루브 각도가 80˚인 경우 마찰손실은 1.54W, 그리고 상기 그루브 각도가 90˚이상으로 증가될수록 상기 마찰손실은 점점 증가함을 알 수 있다.

이를 통하여 다음과 같은 해석을 할 수 있다.

먼저, 상기 그루브 각도가 너무 크면, 상기 곡부(165)로의 오일 집중이 용이하게 이루어지지 않아 오일의 압력이 증가하는 것이 제한된다. 결국, 피스톤(100)의 부상력이 상승하는 것이 어렵게 됨을 알 수 있다.

반면, 상기 그루브 각도가 너무 작으면, 상기 곡부(165)로 향하는 오일 유로가 제대로 형성되지 않게 된다. 즉, 상기 요철부(160)가 너무 촘촘하게 형성되면, 상기 곡부(165)로 오일이 집중되는 것이 어렵게 될 수 있다. 결국, 상기 곡부(165)에서의 오일 압력 증가가 제한되고, 그에 따라 피스톤(100)의 부상력이 상승하는 것이 어렵게 됨을 알 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 상기 그루브 각도의 범위를 60˚~70˚의 범위 내로 형성하고, 피스톤(100)의 원주 길이에 따라 상기 요철부(160)의 개수를 적절하게 채용하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성에 의하면, 피스톤(100)과 실린더(200) 간에 마찰손실이 크게 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제 2 실시예를 설명한다. 본 실시예는 제 1 실시예와 비교하여 일부 구성에 있어서만 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며 제 1 실시예와 동일한 부분에 대하여는 제 1 실시예의 설명과 도면부호를 원용한다.

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 피스톤의 구성을 보여주는 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 피스톤(100a)에는, 복수의 요철부(160a,160b)가 포함된다. 상세히, 상기 복수의 요철부(160a,160b)에는, 상기 피스톤(100a)의 전방부에 구비되는 제 1 요철부(160a) 및 상기 피스톤(100a)의 후방부에 구비되는 제 2 요철부(160b)가 포함된다.

상기 피스톤(100a)의 축방향 길이 중심선(ℓc)을 기준으로, 상기 제 1 요철부(160a)는 상기 중심선(ℓc)의 전방에 위치하고 상기 제 2 요철부(160b)는 상기 중심선(ℓc)의 후방에 위치할 수 있다.

상기 피스톤(100a)에는, 전면부(120)로부터 외경이 커지는 방향으로 경사지게 연장되는 제 1 경사부(130a)와, 상기 제 1 경사부(130a)로부터 후방을 향하여 동일한 외경을 가지도록 연장되는 제 1 연장부(140a) 및 상기 제 1 연장부(140a)로부터 후방으로 연장되며 상기 제 1 연장부(140a)의 외경보다 큰 외경을 가지는 제 2 연장부(140b)가 포함된다.

상기 제 1 요철부(160a)는 상기 제 2 연장부(140b)의 전단부를 형성하며, 상기 제 1 연장부(140a)와 제 2 연장부(140b)의 경계영역에 설치될 수 있다. 상기 제 1 요철부(160a)에는, 제 1 산부(161a) 및 제 1 곡부(165a)가 포함된다. 상기 제 1 요철부(160a)에 관한 설명은 제 1 실시예의 요철부(160)의 구성에 대한 설명을 원용한다. 따라서, 상기 제 1 요철부(160a)는, 상기 피스톤(100a)이 전방으로 움직일 때 오일을 상기 곡부(165)로 집중시키는 기능을 수행할 수 있다.

상기 피스톤(100a)에는, 상기 제 2 연장부(140b)로부터 후방을 향하여 그 외경이 감소하는 방향으로 경사지게 연장되는 제 2 경사부(130b)가 더 포함된다.

상기 피스톤(100a)에는, 상기 제 2 경사부(130b)로부터 후방을 향하여 동일한 외경을 가지도록 연장되는 제 3 연장부(140c)가 더 포함된다. 상기 중심선(ℓc)은 상기 제 3 연장부(140c)를 지나도록 형성될 수 있다.

상기 피스톤(100a)에는, 상기 제 3 연장부(140c)로부터 후방을 향하여 그 외경이 증가하도록 경사지게 연장되는 제 3 경사부(130c) 및 상기 제 3 경사부(130c)로부터 후방을 향하여 그 외경이 일정하도록 연장되는 제 4 연장부(140d)가 더 포함된다.

상기 제 4 연장부(140d)의 후단부에는, 상기 제 2 요철부(160b)가 형성된다. 상기 제 2 요철부(160b)에는, 제 2 산부(161b) 및 제 2 곡부(165b)가 포함된다. 상기 제 2 요철부(160b)는, 상기 피스톤(100a)이 후방으로 이동할 때 오일이 상기 제 2 곡부(165b)로 집중될 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 제 2 요철부(160b)의 구성에 관한 설명은 제 1 실시예의 요철부(160)에 관한 설명을 원용한다.

상기 피스톤(100a)에는, 상기 제 4 연장부(140d)로부터 후방을 향하여 동일한 직경을 가지도록 연장되며, 상기 제 4 연장부(140d)의 외경보다 더 작은 외경을 가지는 제 5 연장부(140e)가 더 포함된다. 상기 제 2 요철부(160b)는 상기 제 4 연장부(140d)와 상기 제 5 연장부(140e)의 경계영역에 형성될 수 있다.

상기 피스톤(100a)에는, 상기 제 5 연장부(140e)로부터 후방을 향하여 그 직경이 감소하도록 경사지게 연장되는 제 4 경사부(130d) 및 상기 제 4 경사부(130d)로부터 후방을 향하여 동일한 직경을 가지도록 연장되는 제 6 연장부(140f)가 더 포함된다.

본 실시예에 따른 피스톤(100a)의 구성에 따르면, 상기 피스톤(100a)이 전진할 때 오일이 상기 제 1 요철부(160a)로 집중되어 오일의 압력이 증가하고 이에 따라 피스톤(100a)의 부상력이 상승할 수 있게 된다. 그리고, 상기 피스톤(100a)이 후진할 때 오일이 상기 제 2 요철부(160b)로 집중되어 오일의 압력이 증가하고 이에 따라 피스톤(100a)의 부상력이 상승할 수 있게 된다.

결국, 피스톤(100a)이 왕복 운동하는 과정에서, 상기 제 1,2 요철부(160a,160b)에 의하여 상기 피스톤(100a)의 전방부 및 후방부에서 부상력이 상승될 수 있으므로 피스톤(100a)과 실린더(200) 간 마찰손실을 저감하고 오일 베어링의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

100 : 피스톤 110 : 피스톤 본체
120 : 전면부 121 : 흡입부
125 : 체결부 130 : 경사부
135 : 제 1 연장부 140 : 제 2 연장부
150 : 피스톤 플랜지 160 : 요철부
160a : 제 1 요철부 160b : 제 2 요철부
161 : 산부 165 : 곡부
166 : 제 1 연결부 167 : 제 2 연결부
200 : 실린더

Claims

내부공간을 가지는 실린더; 및
상기 실린더의 내부공간에서 왕복운동하는 피스톤이 포함되며,
상기 피스톤에는,
상기 피스톤의 전단부를 형성하며 흡입밸브가 설치되는 전면부;
상기 전면부로부터 후방으로 연장되는 피스톤 본체;
상기 피스톤 본체의 후방부로부터 반경 방향으로 연장되는 피스톤 플랜지; 및
상기 피스톤 본체의 외주면을 둘러싸는 형상으로 구비되며, 상기 피스톤의 외주면과 상기 실린더의 내주면 사이에 위치하는 오일의 집중을 가이드 하기 위한 요철부가 포함되고,
상기 요철부에는,
상기 요철부의 전방부를 형성하는 산부; 및
상기 산부의 후방에 위치되며, 상기 산부에 의하여 가이드 되는 오일이 모여지는 곡부가 포함되며,
상기 요철부는 상기 산부 및 상기 곡부가 교번하는 톱니 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 실린더 어셈블리.
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제 1 항에 있어서,
상기 산부 및 곡부는 각각 다수 개가 교번하여 배치되는 것을 특징으로 하는 실린더 어셈블리.
제 5 항에 있어서,
상기 요철부에는,
상기 다수의 산부 중 어느 하나의 산부로부터 상기 곡부로 연장되는 제 1 연결부; 및
상기 다수의 산부 중 다른 하나의 산부로부터 상기 곡부로 연장되는 제 2 연결부가 포함되며,
상기 곡부를 중심으로, 상기 제 1 연결부와 상기 제 2 연결부는 그루브 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 실린더 어셈블리.
제 6 항에 있어서,
상기 그루브 각도는 60˚~70˚의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 실린더 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 요철부는,
상기 피스톤의 축방향 길이의 중심선(ℓc)을 기준으로 상기 피스톤의 전방부에 배치되는 것을 특징으로 하는 실린더 어셈블리.
내부공간을 가지는 실린더; 및
상기 실린더의 내부공간에서 왕복운동하는 피스톤이 포함되며,
상기 피스톤에는,
상기 피스톤의 전단부를 형성하며 흡입밸브가 설치되는 전면부;
상기 전면부로부터 후방으로 연장되는 피스톤 본체;
상기 피스톤 본체의 후방부로부터 반경 방향으로 연장되는 피스톤 플랜지;
및
상기 피스톤 본체의 외주면에 형성되며, 상기 피스톤의 외주면과 상기 실린더의 내주면 사이에 위치하는 오일의 집중을 가이드 하기 위한 요철부가 포함되고,
상기 전면부로부터 그 외경이 증가하는 방향으로 연장되는 경사부; 및
상기 경사부로부터 후방을 향하여 동일한 외경을 가지도록 연장되는 제 1 연장부가 더 포함되고,
상기 제 1 연장부로부터 후방으로 연장되며, 상기 제 1 연장부의 외경보다 더 큰 외경을 가지는 제 2 연장부가 더 포함되며,
상기 요철부는 상기 제 2 연장부에 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더 어셈블리.
삭제
제 9 항에 있어서,
상기 요철부는 상기 제 2 연장부의 전단부를 형성하는 것을 특징으로 하는 실린더 어셈블리.
내부공간을 가지는 실린더; 및
상기 실린더의 내부공간에서 왕복운동하는 피스톤이 포함되며,
상기 피스톤에는,
상기 피스톤의 전단부를 형성하며 흡입밸브가 설치되는 전면부;
상기 전면부로부터 후방으로 연장되는 피스톤 본체;
상기 피스톤 본체의 후방부로부터 반경 방향으로 연장되는 피스톤 플랜지;
및
상기 피스톤 본체의 외주면에 형성되며, 상기 피스톤의 외주면과 상기 실린더의 내주면 사이에 위치하는 오일의 집중을 가이드 하기 위한 요철부가 포함되고,
상기 요철부에는,
상기 피스톤의 전방부에 설치되는 제 1 요철부; 및
상기 피스톤의 후방부에 설치되는 제 2 요철부가 포함되고,
상기 전면부로부터 그 외경이 증가하는 방향으로 경사지게 연장되는 제 1 경사부;
상기 제 1 경사부로부터 후방을 향하여, 동일한 외경을 가지도록 연장되는 제 1 연장부;
상기 제 1 연장부로부터 후방을 향하여 연장되며, 상기 제 1 연장부의 외경보다 더 큰 외경을 가지도록 연장되는 제 2 연장부; 및
상기 제 2 연장부로부터 후방을 향하여, 그 외경이 감소하는 방향으로 경사지게 연장되는 제 2 경사부가 더 포함되는 실린더 어셈블리.
삭제
제 12 항에 있어서,
상기 제 1 요철부는 상기 제 2 연장부에 설치되는 것을 특징으로 하는 실린더 어셈블리.
제 12 항에 있어서,
상기 제 2 연장부로부터 후방을 향하여, 그 외경이 증가하도록 경사지게 연장되는 제 3 경사부;
상기 제 3 경사부로부터 후방을 향하여 연장되며, 동일한 외경을 가지도록 연장되는 제 4 연장부;
상기 제 4 연장부로부터 후방을 향하여 연장되며, 상기 제 4 연장부의 외경보다 더 작은 외경을 가지도록 연장되는 제 5 연장부; 및
상기 제 5 연장부로부터 후방을 향하여, 그 외경이 감소하도록 경사지게 연장되는 제 4 경사부가 더 포함되는 실린더 어셈블리.
제 15 항에 있어서,
상기 제 2 요철부는 상기 제 4 연장부에 설치되는 것을 특징으로 하는 실린더 어셈블리.
제 1 항, 제 5 항 내지 제 9 항, 제 11 항 및 제 12 항, 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항의 실린더 어셈블리를 가지는 리니어 압축기.
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