KR101991444B1 - 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기는, 왕복운동을 하는 무버를 가지는 구동유닛; 상기 무버에 결합되어 왕복운동을 하는 피스톤과, 상기 피스톤이 삽입되어 압축실을 형성하는 실린더를 가지는 압축유닛; 상기 피스톤의 공진 운동을 형성하며, 적어도 한 개 이상의 유효권을 가지는 압축코일스프링으로 된 공진스프링; 및 상기 공진스프링의 강성을 조절하는 스프링강성 조절유닛;을 포함할 수 있다. 이를 통해, 부하에 따라 공진스프링의 유효턴수를 조절하여 스프링 강성을 조절함에 따라 압축기 효율을 높일 수 있다.

Description

리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기{LINEAR COMPRESSOR AND REFRIGERATION DEVICE}

본 발명은 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기에 관한 것이다.

리니어 압축기는 무버가 직선 왕복 운동을 하는 리니어 모터를 구비하여, 무버를 이루는 마그네트가 이너 스테이터와 아우터 스테이터 사이에서 마그네트와 이너(또는 아우터) 스테이터 간의 상호 전자기력에 의해 직선 왕복 운동을 하게 된다. 따라서, 리니어 압축기는 피스톤이 리니어 모터의 무버에 연결되어 실린더 내부에서 왕복 직선 운동을 하면서 냉매를 흡입, 압축하여 토출시키게 된다.

여기서, 무버와 피스톤은 압축코일스프링으로 된 공진스프링에 의해 축방향으로 지지되고, 공진스프링에 의해 리니어 압축기의 무버와 피스톤은 안정적이면서 높은 효율을 가지고 직선 왕복운동을 하게 된다. 선행문헌인 한국공개특허공보 제2015-0100730호(공개일 2015.09.02.)에는 선형 모터 컴프레서에 공진스프링을 장착하기 위한 장치 및 방법과 선형 모터 컴프레서가 개시되어 있다.

선행문헌의 선형 모터 컴프레서는, 압축 챔버를 형성하고 내부에 구동 수단 및 피스톤을 수용하는 실린더 크랭크케이스와, 제 1 고착수단에 의해 구동 수단에 고정되는 제1 직경 단부 세그먼트와, 제2 고착수단에 의해 실린더 크랭크 케이스에 고정된 제2 직경 단부 세그먼트를 가지는 공진스프링을 수단을 포함하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 리니어 압축기는, 압축코일스프링으로 된 공진스프링을 적용함에 따라 부하 변동에 대응하여 운전주파수를 가변하는데 제약이 있었다.

즉, 부하 변동에 따라 운전주파수를 능동적으로 가변할 수 있어야 압축기 효율을 높일 수 있다. 하지만, 압축코일스프링은 일정한 공진주파수를 가짐에 따라 그 압축코일스프링이 채용되는 압축기는 운전주파수를 일정 범위(대략 ±3Hz) 이상으로 변경할 수 없다.

다시 말해, 압축코일스프링의 경우에는 스프링 선경이나 유효권수 등에 의해 스프링 강성이 결정되고, 스프링 강성이 결정되면 무버를 포함한 진동체의 질량과의 관계에 의해 공진주파수가 결정되게 된다. 따라서, 압축코일스프링이 채용되는 리니어 압축기에서는, 부하 변동에 따른 압축기의 운전가능영역이 제한되어 압축기 효율이 저하되고, 이로 인해 압축기의 냉력이 저하되어 소비 전력을 증가할 뿐만 아니라 급속 냉동이 지연되는 문제점이 있었다.

또, 종래의 리니어 압축기는, 부하 변동에 따른 압축기의 운전주파수를 변경하는 과정에서 공진스프링의 직진성을 유지하지 못할 경우 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실이 증가할 수도 있었다.

한국공개특허공보 제2015-0100730호(공개일 2015.09.02.)

본 발명의 목적은, 부하 변동에 대응하여 다양한 운전주파수로 가변될 수 있는 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 압축코일스프링으로 된 공진스프링의 강성을 가변시킬 수 있는 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 압축코일스프링으로 된 공진스프링의 유효권수를 가변시킬 수 있는 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 압축코일스프링으로 된 공진스프링의 강성을 조절하면서도 공진스프링의 직진성을 확보하고, 이를 통해 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실을 방지할 수 있는 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 압축코일스프링으로 된 공진스프링에 의해 진동체가 탄력 지지되는 리니어 압축기에 있어서, 상기 공진스프링은 그 공진스프링의 일부와 선택적으로 착탈되어 유효턴수 조절유닛에 의해 스프링강성이 가변되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 유효턴수 조절유닛은 부하 변동에 대응하여 상기 공진스프링의 강성을 조절시킬 수 있다.

그리고, 상기 유효턴수 조절유닛은 복수 개가 구비되어 공진방향 또는 원주방향으로 배열될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 왕복운동을 하는 무버를 가지는 구동유닛; 상기 무버에 결합되어 왕복운동을 하는 피스톤과, 상기 피스톤이 삽입되어 압축실을 형성하는 실린더를 가지는 압축유닛; 상기 피스톤의 공진 운동을 형성하며, 적어도 한 개 이상의 유효권을 가지는 압축코일스프링으로 된 공진스프링; 및 상기 공진스프링의 강성을 조절하는 스프링강성 조절유닛;을 포함하는 리니어 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 스프링강성 조절유닛은, 상기 공진스프링에 결합되는 제1 위치와, 상기 공진스프링으로부터 분리되는 제2 위치 사이에서 이동하면서 상기 공진스프링의 유효권에 착탈되어 상기 공진스프링의 유효권수를 조절하는 적어도 한 개 이상의 스토퍼;를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 적어도 한 개 이상의 스토퍼는 동력을 발생하는 액츄에이터에 결합되어 상기 피스톤의 왕복방향에 대해 교차되는 방향으로 이동할 수 있다.

그리고, 상기 액츄에이터는 상기 구동유닛에 결합되는 커버부재에 고정 결합될 수 있다.

그리고, 상기 커버부재에는 가이드구멍이 관통 형성되고, 상기 가이드구멍에 상기 스토퍼가 미끄러지게 삽입될 수 있다.

그리고, 상기 커버부재에는 상기 커버부재의 표면에서 돌출되는 가이드돌부가 형성되고, 상기 가이드돌부는 상기 가이드구멍에서 연장될 수 있다.

여기서, 상기 스프링강성 조절유닛은 복수 개가 구비되고, 상기 복수 개의 스프링강성 조절유닛은 원주방향을 따라 동일한 간격을 가지는 위치에 구비될 수 있다.

여기서, 상기 스프링강성 조절유닛은 복수 개가 구비되고, 상기 복수 개의 스프링강성 조절유닛은 상기 공진스프링의 공진방향으로 간격을 두고 구비될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 케이싱; 상기 케이싱 내부에 구비되는 스테이터 및 상기 스테이터와 함께 상호 작용으로 왕복운동을 하는 무버를 가지는 구동모터; 상기 구동모터의 무버와 함께 왕복운동을 하는 피스톤; 상기 피스톤이 왕복운동을 하면서 압축실을 형성하는 실린더; 코일스프링으로 이루어지며, 상기 무버와 피스톤을 공진시키는 공진스프링; 및 상기 공진스프링을 향하는 방향으로 진퇴하도록 엑츄에이터에 결합되고, 상기 공진스프링에 선택적으로 착탈되어 그 공진스프링의 유효권수를 조절하는 스토퍼;를 포함하는 리니어 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 공진스프링은 상기 무버와 피스톤의 후방측에 구비될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤에는 상기 공진스프링의 일단이 삽입되어 고정되도록 제1 고정부재가 구비되고, 상기 백 커버에는 상기 공진스프링의 타단이 삽입되어 고정되도록 제2 고정부재가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 피스톤에 스프링 서포터가 결합되고, 상기 공진스프링은 상기 스프링 서포터의 전방측과 후방측에 구비될 수 있다.

그리고, 상기 스토퍼는 상기 스프링 서포터의 전방측과 후방측에 구비되는 복수 개의 공진스프링에 각각 대응하도록 구비될 수 있다.

여기서, 상기 스토퍼는 상기 공진스프링을 지지하는 부재에 결합될 수 있다.

여기서, 앞서 설명한 리니어 압축기를 포함하는 냉동기기에 있어서, 상기 냉동기기에는 부하를 검출하는 부하검출부; 상기 부하 검출부에서 검출된 부하를 기초로 상기 리니어 압축기의 운전모드를 결정하여 전달하는 신호전달부; 및 상기 신호전달부에 의해 전달된 신호를 기초로 상기 스토퍼의 진퇴동작을 제어하는 강성조절부;를 포함하는 리니어 압축기를 가지는 냉동기기가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기는, 공진스프링의 유효턴수를 임의로 조절하는 스프링강성 조절유닛이 구비됨에 따라, 부하 변동에 대응하여 압축기의 운전주파수를 다양하게 가변할 수 있고 이를 통해 압축기 효율을 높여 전력소비량을 낮출 수 있다.

또, 본 발명은, 스프링강성 조절유닛이 스토퍼 및 스토퍼를 진퇴시키는 엑츄에이터로 구성됨에 따라, 공진스프링의 유효턴수를 용이하게 가변할 수 있다.

또, 본 발명은, 스프링강성 조절유닛을 복수 개로 구비하여 공진스프링의 공진방향을 따라 배치함에 따라, 공진스프링의 스프링강성을 더욱 다양하게 가변할 수 있다.

또, 본 발명은, 복수 개의 스프링강성 조절유닛을 원주방향을 따라 등간격으로 배열함에 따라, 공진스프링의 쏠림 현상을 억제하여 직진성을 확보하고 이를 통해 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실을 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 일실시예를 보인 단면도,
도 2 및 도 3은 도 1에 따른 리니어 압축기에서 공진스프링의 강성을 조절하는 스프링강성 조절유닛의 일례를 보인 사시도 및 단면도,
도 4a 도 4b는 도 3의 "A"부에 대한 실시예들을 확대하여 보인 단면도들,
도 5는 도 3의 "Ⅳ-Ⅳ"선단면도,
도 6은 도 3에 따른 스프링강성 조절유닛의 장착방향에 대한 다른 실시예를 보인 단면도,
도 7a 및 도 7b는 본 실시예에 따른 스프링강성 조절유닛의 스프링강성 조절 과정을 보인 단면도로서, 도 7a는 고냉력 운전을, 도 7b는 저냉력 운전을 각각 보인 도면들,
도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기가 구비된 냉장고의 모드변환유닛을 보인 개략도,
도 9 내지 도 12는 본 실시예에 따른 스프링강성 조절유닛에 대한 다른 실시예를 보인 단면도들.

이하, 본 발명에 의한 리니어 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 리니어 압축기는 유체를 흡입하여 압축하고, 압축된 유체를 토출하는 동작을 수행한다. 본 발명에 따른 리니어 압축기는 냉동 사이클의 구성요소가 될 수 있으며, 이하에서 유체는 냉동 사이클을 순환하는 냉매를 예로 들어 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 일실시예를 보인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 리니어 압축기(10)는, 쉘(110), 압축유닛(120), 압축유닛(120)에 구동력을 부여하는 구동유닛(130)를 포함할 수 있다.

쉘(110)은 상부 쉘 및 하부 쉘이 결합되어 구성될 수 있으나, 본 발명에서 쉘(110)의 구성에는 제한이 없다. 다만, 쉘(110)은 냉매가 유입되는 흡입관(101) 및 압축유닛(120)에서 압축된 냉매가 배출되는 토출관(105)이 연결될 수 있다.

압축유닛(120)은 쉘(110)의 내부에 구비되는 실린더(121), 실린더(121)의 내부에서 왕복 직선 운동하는 피스톤(122)을 포함한다. 실린더(121)는 쉘(110)의 내부에 탄력 지지되고, 피스톤(122)은 구동유닛(130)에 연결되어 실린더(121)에서 왕복운동을 하게 된다.

실린더(121)의 내부에는 피스톤(122)에 의하여 냉매가 압축되는 압축공간(V)이 형성된다. 그리고, 피스톤(122)에는 압축공간(V)으로 냉매를 유입시키는 흡입공(122a)이 형성되며, 흡입공(122a)의 일측에는 그 흡입공(122a)을 선택적으로 개방하는 흡입밸브(123)가 구비된다.

압축공간(V)의 일측에는 압축 공간(V)에서 압축된 냉매를 배출시키기 위한 토출밸브 어셈블리(124)가 구비된다. 이에 따라, 압축공간(V)은 피스톤(122)의 일측 단부와 토출밸브 어셈블리(124)의 사이에 형성된다.

토출밸브 어셈블리(124)는 냉매의 토출공간을 형성하는 토출커버(125)와, 압축공간(V)의 압력이 토출압력 이상이 되면 개방되어 냉매를 토출공간으로 유입시키는 토출밸브(126) 및 토출밸브(126)와 토출커버(125)의 사이에 구비되어 축방향으로 탄성력을 부여하는 밸브스프링(127)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 축방향은 피스톤(122)이 왕복운동 하는 방향, 즉 도 1에서 가로방향이다.

흡입밸브(123)는 압축공간(V)의 일측에 배치되고, 토출밸브(126)는 압축공간(V)의 타측, 즉 흡입밸브(123)의 반대측에 구비된다. 이에 따라, 피스톤(122)이 실린더(121)의 내부에서 왕복 직선 운동하는 과정에서 압축공간(V)의 압력이 토출압력보다 낮고 흡입압력 이하가 되면 흡입밸브(123)가 개방되어 냉매는 압축공간(V)으로 흡입된다. 반면, 압축공간(V)의 압력이 흡입압력 이상이 되면 흡입밸브(123)가 닫힌 상태에서 압축공간(V)의 냉매가 압축된다.

압축 공간(V)의 압력이 토출 압력 이상이 되면 밸브스프링(127)이 압축되어 토출밸브(126)가 압축공간(V)을 개방시키고, 냉매는 압축공간(V)으로부터 토출되어 토출커버(125) 내의 토출공간으로 배출된다.

토출공간의 냉매는 토출머플러(128)를 거쳐 루프파이프(129)로 유입될 수 있다. 토출머플러(128)는 압축된 냉매의 유동 소음을 저감시킬 수 있으며, 루프파이프(129)는 압축된 냉매를 토출관(105)으로 안내한다. 루프파이프(129)는 토출머플러(128)에 결합되어 라운드지게 연장되며, 토출관(105)에 결합된다.

한편, 쉘(110)의 내부에는 실린더(121)를 고정하는 프레임(141)을 더 포함할 수 있다. 프레임(141)은 실린더(121)와 일체로 구비되거나 또는 별도의 체결부재에 의하여 실린더(121)와 체결될 수 있다. 그리고, 토출커버(125) 및 토출머플러(128)는 프레임(141)에 결합될 수 있다.

한편, 구동유닛(130)는, 스테이터(131) 및 무버(132)로 이루어질 수 있다.

스테이터(131)는 무버(132)의 외측에 구비되는 아우터 스테이터(131a)와, 무버(132)의 내측에 위치하는 이너 스테이터(131b)로 이루어질 수 있다.

아우터 스테이터(131a)는 프레임(141)에 고정되어 실린더(121)를 둘러싸도록 배치되고, 이너 스테이터(131b)는 아우터 스테이터(131a)의 내측으로 이격되어 배치되며, 무버는 아우터 스테이터(131a)와 이너 스테이터(131b)의 사이 공간에 위치할 수 있다. 이에 따라, 무버는 아우터 스테이터(131a) 및 이너 스테이터(131b)와의 상호 전자기력에 의하여 직선 왕복 운동을 할 수 있다.

무버(132)는 마그네트(132a) 및 그 마그네트(132a)를 지지하며 피스톤(122)에 연결되는 마그네트 홀더(132b)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 피스톤(122)은 무버(132)에 의해 실린더(121)의 내부에서 직선 왕복 운동을 할 수 있다.

아우터 스테이터(131a)의 일측에는 스테이터 커버(142)가 구비된다. 이에 따라, 아우터 스테이터(131a)의 일측단은 프레임(141)에 의하여 지지되며, 타측단은 스테이터 커버(142)에 의하여 지지될 수 있다.

이너 스테이터(131b)는 실린더(121)의 외주에 삽입되어 고정된다. 그리고, 이너 스테이터(131b)는 아우터 스테이터(131a)와 함께 프레임(141)에 지지되어, 이너 스테이터(131b)와 아우터 스테이터(131a)는 일정 공극을 유지할 수 있게 된다.

한편, 스테이터 커버(142)의 일측에는 백 커버(143)가 결합되고, 백 커버(143)에는 피스톤(122)이 공진운동을 할 수 있도록 유도하는 공진스프링(150)이 지지될 수 있다. 공진스프링은 본 실시예와 같이 피스톤과 백 커버(143) 사이에 한 개만 구비될 수도 있지만, 경우에 따라서는 복수 개가 구비될 수도 있다.

더 나아가, 피스톤(122)에 스프링 서포터를 결합한 후 스프링 서포터를 중심으로 전후 양쪽에 각각 공진스프링이 구비될 수도 있다. 이 경우에도 스프링은 전후 양쪽에 각각 한 개씩이 구비되거나 복수 개씩이 구비될 수도 있다. 이에 대해서는 나중에 다시 설명하고, 본 실시예에서는 앞서 설명한 바와 같이 공진스프링(150)이 피스톤(122)과 백 커버(143) 사이에 한 개만 구비된 예를 중심으로 설명한다.

공진스프링(150)은 소정의 스프링 선경과 직경, 그리고 유효권수를 가지는 압축코일스프링으로 이루어질 수 있다. 공진스프링(150)의 제1 단은 피스톤(122) 또는 마그네트 홀더(132b)에 결합되는 제1 고정부재(161)에 삽입되어 고정되고, 공진스프링(150)의 제2 단은 백 커버(143)에 결합되는 제2 고정부재(162)에 삽입되어 고정될 수 있다. 제1 고정부재(161)와 제2 고정부재(162)는 각각 냉매가 통과할 수 있도록 원통 형상으로 형성되고, 제1 고정부재(161)와 제2 고정부재(162)의 외주면에는 공진스프링(150)이 감겨 결합될 수 있도록 나선형으로 된 결합홈이 형성될 수 있다.

도면중 미설명 부호인 133은 권선코일이다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 리니어 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 리니어 모터(130)의 권선코일(133)에 전류가 인가되면, 아우터 스테이터(131a)와 이너 스테이터(131b) 사이에 자속이 형성되고, 이 자속에 의해 발생되는 전자기력에 의해 마그네트(132a)와 마그네트 홀더(132b)로 된 무버(132)가 아우터 스테이터(131a)와 이너 스테이터(131b) 사이의 공극에서 직선으로 왕복 운동을 하게 된다.

그러면, 마그네트 홀더(132b)에 연결된 피스톤(122)이 실린더(121)에서 직선으로 왕복 운동을 하면서, 압축공간(V)의 체적이 증가되거나 또는 감소된다. 이때, 피스톤(122)이 후진하여 압축공간(V)의 체적이 증가되면 흡입밸브(123)가 개방되어 흡입유로의 냉매가 압축공간(V)으로 흡입되는 반면, 피스톤(122)이 전진하여 압축공간(V)의 체적이 감소되면 피스톤(122)이 압축공간(V)의 냉매를 압축하게 된다. 이 압축된 냉매는 토출밸브(126)를 개방시키면서 토출공간으로 배출된다.

그러면, 토출공간으로 배출되는 냉매는 루프파이프(129)와 토출관(115)을 통해 압축기의 외부로 배출되어, 냉동사이클의 응축기로 이동하게 되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이때, 공진스프링(150)은 앞서 설명한 바와 같이 유효권수 등에 따라 스프링 강성이 결정되고, 스프링 강성이 결정되면 무버(132)의 질량과의 관계에 의해 공진주파수가 선정된다. 그러면 리니어 압축기는 효율 극대화를 위해 공진주파수 근처에서 운전을 하게 된다. 하지만, 냉장고와 같은 냉동사이클 장치에서의 부하 변동에 대응하여 압축기의 운전주파수를 가변하려고 할 때, 압축기의 운전주파수를 공진주파수 근처에서 운전을 하고 싶어도 압축코일스프링의 특성상 공진주파수가 한정됨에 따라 결국 운전주파수를 변경하는데는 한계가 있었다. 즉, 공진주파수와 운전주파수의 차이(위상차)가 크게 발생하면 압축기의 운전이 불가능해진다. 예를 들어, 공진스프링(150)의 공진주파수가 무버(132)의 운전주파수와 180도 위상차를 가지도록 가진을 하게 되면, 공진주파수와 운전주파수가 서로 상쇄되어 무버(132)는 움직이지 않게 된다.

이를 감안하여, 본 실시예에서는 공진주파수를 복수 개로 변경할 수 있도록 함으로써 압축기의 운전주파수를 다양하게 가변할 수 있게 되고, 이를 통해 냉동사이클 장치의 부하변동에 능동적으로 대응할 수 있어 압축기 효율을 높이고 소비 전력을 낮출 수 있다. 도 2 및 도 3은 도 1에 따른 리니어 압축기에서 공진스프링의 강성을 조절하는 스프링강성 조절유닛의 일례를 보인 사시도 및 단면도이며, 도 4a 도 4b는 도 3의 "A"부에 대한 실시예들을 확대하여 보인 단면도들이고, 도 5는 도 3의 "Ⅳ-Ⅳ"선단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 스프링강성 조절유닛(170)은, 공진스프링(150)의 유효권(150a)에 선택적으로 착탈되는 스토퍼(171) 및 스토퍼(171)에 결합되어 그 스토퍼(171)를 동작시키는 엑츄에이터(172)를 포함할 수 있다.

스토퍼(171)는 일종의 커버부재를 이루는 백 커버(143)에 미끄러지게 결합될 수 있다. 백 커버(143)는 상면 투영시 플랜지부(143a)와 하우징부(143b)를 가지는 캡 단면 형상으로 형성되고, 플랜지부(143a)는 스테이터 커버(142)에 볼트 체결되며, 하우징부(143b)는 공진스프링(150)을 수용할 수 있도록 소정의 공간을 가지게 형성될 수 있다.

하우징부(143b)의 후방면에는 앞서 설명한 제2 고정부재(162)가 삽입되어 결합되도록 냉매통공(143c)이 형성될 수 있다. 또, 하우징부(143b)는 원형 단면 형상으로 형성될 수도 있지만, 냉매가 원활하게 이동할 수 있도록 상하면이 개구된 캡 단면 형상으로 형성될 수도 있다.

도 4a와 같이 하우징부(143b)에는 스토퍼(171)가 통과하여 공진스프링 방향으로 안내되도록 가이드구멍(143d)이 형성되고, 가이드구멍(143d)의 주변에는 공진스프링(150)을 향하는 방향으로 돌출되어 스토퍼(171)를 그 스토퍼(171)의 반경방향으로 지지하는 가이드돌부(143e)가 보(bore) 형상으로 형성될 수 있다. 하지만, 도 4b와 같이 가이드돌부(143e)는 별개의 튜브를 가이드구멍(143d)의 주변에 결합하여 형성할 수도 있다. 도 4b와 같이, 가이드돌부(143e)는 별개의 튜브로 형성하는 경우가 가이드돌부(143e)의 길이 및 두께를 증대시켜 스토퍼(171)를 더 안정적으로 지지할 수 있다.

그리고 하우징부(143b)의 반경방향 외측면에는 앞서 엑츄에이터(172)가 고정 결합될 수 있다. 이에 따라, 스토퍼(171)는 엑츄에이터(172)에 의해 공진스프링(150)에 결합되는 제1 위치(P1) 및 공진스프링(150)으로부터 분리되는 제2 위치(P2) 사이에서 이동하면서 공진스프링(150)에 착탈될 수 있다.

한편, 앞서 설명한 실시예에서는 스토퍼(171)가 공진스프링의 공진방향(피스톤의 왕복방향)(S1)에 직교하는 방향으로 진퇴운동을 하는 예를 도시하였으나, 반드시 스토퍼(171)가 공진스프링의 공진방향(S1)에 직교하는 방향으로 움직일 필요는 없다. 도 6과 같이, 경우에 따라서는 스토퍼(171)가 공진스프링에 대해 약간 비스듬하게 경사진 방향(S2)움직이면서 그 공진스프링(150)의 유효권에 착탈될 수도 있다. 이 경우, 스토퍼(171)가 공진스프링(150)에 전달하는 힘(F2)의 방향이 공진스프링(150)의 공진방향(S1)으로 발생하는 힘(F1)의 방향에 대해 큰 저항력으로 작용할 수 있다. 이에 따라, 도 6의 경우가 도 3의 경우에 비해 백 커버(143)에 미치는 불균형성을 줄여 공진스프링(150)의 거동을 안정시키고, 이를 통해 피스톤(122)과 실린더(121) 사이의 마찰손실을 억제하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 따른 스프링강성 조절유닛은 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 리니어 모터의 무버(132)가 아우터 스테이터(131a)와 이너 스테이터(131b) 사이에서 왕복운동을 하게 되고, 그러면 무버(132)에 결합된 피스톤(122)이 실린더(121)에 대해 왕복운동을 하게 된다.

이때, 피스톤(122)은 압축코일스프링으로 된 공진스프링(150)에 탄력 지지됨에 따라, 피스톤(122)이 공진스프링에 의해 가진되면서 진폭이 증가하여 리니어 모터의 출력에 비해 높은 냉력을 발생시킬 수 있게 된다.

한편, 리니어 압축기는 냉동기기의 부하조건에 따라 다양한 운전모드를 필요로 하게 된다. 이를 위해, 압축기의 운전주파수를 다양하게 가변할 수 있으면 불필요한 전력소비량을 줄여 소비 전력을 낮출 수 있지만, 공진운전을 하는 리니어 압축기의 특성상 공진스프링의 공진주파수에 의해 압축기의 운전주파수가 제한될 수밖에 없다.

하지만, 본 실시예와 같이 스프링강성 조절유닛이 구비되는 경우에는 공진스프링의 강성을 임의로 변경함에 따라, 압축기의 운전주파수를 다양하게 가변할 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 본 실시예에 따른 스프링강성 조절유닛의 스프링강성 조절 과정을 보인 단면도로서, 도 7a는 고냉력 운전을, 도 7b는 저냉력 운전을 각각 보인 도면들이다.

예를 들어, 도 7a와 같이, 엑츄에이터(172)에 의해 스토퍼(171)가 공진스프링(150)쪽으로 진출하여 그 공진스프링(150)의 유효권(150a)에 결합되면 공진스프링(150)의 유효권수는 줄고 무효권수가 증가하게 된다. 그러면 유효권수에 반비례하는 공진스프링(150)의 강성이 커지면서 운전주파수가 증가하여 압축기의 냉력은 커지게 된다.

이때, 스토퍼(171)는 백 커버(143)에 구비된 가이드구멍을 통해 공진스프링(150)의 공진방향(피스톤의 왕복방향)에 교차하는 방향으로 안정적으로 안내될 수 있다. 또, 스토퍼(171)는 가이드돌부(143e)에 의해 반경방향으로 지지됨에 따라, 공진스프링(150)의 신축시 발생되는 반력에 의해 스토퍼가 좌굴되거나 틀어지는 것을 미연에 억제하여 스토퍼(171)를 안정적으로 지지할 수 있다.

반대로, 도 7b와 같이 엑츄에이터(172)에 의해 스토퍼(171)가 공진스프링(150)에서 멀어지는 쪽으로 후퇴하여 그 공진스프링(150)의 유효권(150a)으로부터 분리되면 공진스프링(150)의 유효권수는 원래의 유효권수로 늘어나게 된다. 그러면 유효권수에 반비례하는 공진스프링(150)의 강성이 작아지면서 운전주파수가 감소하여 압축기의 냉력이 원래의 상태로 작아지게 된다.

상기와 같은 리니어 압축기가 냉장고에 적용되는 경우에는 냉장고의 부하 변동에 따라 리니어 압축기의 냉력이 능동적으로 조절됨에 따라, 냉장고의 소비전력을 낮출 수 있다. 도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기가 구비된 냉장고의 모드변환유닛을 보인 개략도이다.

도 8에 도시된 바와 같이 냉장고는 부하검출부(1), 신호전달부(2), 강성조절부(3)로 된 모드변환유닛이 구비될 수 있다. 부하검출부(1)는 냉장고 내 부하를 검출하는 역할을 수행하고, 신호전달부(2)는 부하 검출부(1)에서 검출된 부하를 기초로 압축기의 운전모드를 결정하여 리니어 압축기(10)의 제어부(미도시)에 전달하는 역할을 수행하며, 강성조절부(3)는 신호전달부(2)에 의해 전달된 신호를 앞서 설명한 엑츄에이터(172)에 전달하여 스토퍼(171)의 진퇴동작을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.

부하검출부(1)는 실시간으로 냉장고의 부하를 검출하여 신호전달부(2)에 전달할 수도 있고, 주기적으로 검출하여 신호전달부(2)에 전달할 수도 있다.

신호전달부(2)는 부하검출부(1)에서 검출된 내용에 따라 실시간으로 강성조절부(3)에 신호를 전달할 수도 있고, 일정 시간 동안 데이터를 수집하여 그 평균값을 산출한 후 강성조절부(3)에 신호를 전달할 수도 있다.

강성조절부(3)는 신호전달부(2)에서 신호를 전달받은 즉시 지체 없이 실행할 수도 있지만, 일정시간 동안 신호대기를 하였다가 추가 신호가 오지 않으면 실행하도록 제어될 수도 있다. 이를 통해 압축기의 운전모드가 자주 변경되는 것을 억제할 수 있다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 엑츄에이터는 냉장고에 구비되는 모드변환유닛에 의해 자동으로 제어될 수도 있지만, 경우에 따라서는 사용자의 선택에 의해 수동으로 제어될 수도 있다. 이 경우에는 엑츄에이터의 작동을 사용자가 선택할 수 있도록 온/오프 버튼이 냉장고에 별도로 구비될 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 리니어 압축기에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 스토퍼가 한 개만 구비되는 것이나, 본 실시예와 같이 복수 개의 스토퍼가 구비될 수도 있다. 도 9는 본 실시예에 따른 스프링강성 조절유닛에 대한 다른 실시예를 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 스프링강성 조절유닛은, 제1 스토퍼(171a)와 제2 스토퍼(171b)를 포함할 수 있다. 제1 스토퍼(171a)와 제2 스토퍼(171b)는 각각 전술한 실시예와 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 제1 스토퍼(171a)와 제2 스토퍼(171b)는 가능한 한 180°위상차를 두고 배치되는 것이 공진스프링의 직진성을 높이는데 바람직할 수 있다. 물론, 스토퍼가 3개인 경우에는 120°, 4개인 경우에는 90°씩 위상차를 두고 구비되는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 복수 개의 스토퍼가 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 서로 대칭되게 구비되어 공진스프링(150)을 지지할 경우에는, 공진스프링(150)이 스토퍼에 의해 반경방향으로 밀리는 것을 억제하여 공진스프링(150)을 더욱 안정적으로 지지할 수 있다. 이를 통해, 공진스프링(150)의 직진성이 유지되어 피스톤(122)의 왕복방향 중심이 틀어지는 것을 억제함으로써 피스톤과 실린더 사이의 마찰손실을 억제할 수 있다.

한편, 전술한 실시예에서는 한 개의 스토퍼가 한 개의 스프링 턴을 지지하는 것이나, 경우에 따라서는 한 개의 스토퍼가 복수 개의 스프링 턴을 동시에 지지하도록 구비될 수도 있다. 도 10은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 스프링강성 조절유닛의 또다른 실시예를 보인 단면도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 스프링강성 조절유닛은, 한 개의 스토퍼(171)가 한 개의 엑츄에이터에 결합되고, 한 개의 스토퍼(171)가 복수 개의 스프링 턴을 지지할 수 있도록 이루어질 수 있다. 스토퍼(171)의 단부에는 복수 개의 스프링 턴(150)을 지지할 수 있도록 복수 개의 지지부(175)가 형성될 수 있다.

상기와 같이, 한 개의 스토퍼(171)가 복수 개의 스프링 턴(150)을 지지함에 따라, 공진스프링(150)의 유효권수를 더욱 크게 변화시킬 수 있어 그만큼 압축기의 냉력변화를 크게 구현할 수 있다.

한편, 도 11과 같이, 복수 개의 스프링강성 조절유닛(170a)(170b)이 공진스프링(150)의 공진방향을 따라 구비될 수 있다.

이 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 복수 개의 스토퍼(171a)(171b)가 각각의 엑츄에이터(172a)(172b)에 의해 작동할 수 있도록 스토퍼와 엑츄에이터가 각각 독립적으로 구비될 수도 있고, 도면으로 도시하지는 않았으나, 복수 개의 스토퍼가 한 개의 엑츄에이터 또는 2개 한 쌍의 스토퍼가 한 개의 엑츄에이터에 구비될 수도 있다. 다만, 한 개의 엑츄에이터에 복수 개의 스토퍼가 구비되는 경우에는 엑츄에이터가 차지하는 면적을 최소화할 수 있어 복수 개의 스토퍼의 조립에 대한 부담을 줄일 수 있다.

상기와 같이, 복수 개의 스토퍼(171a)(171b)가 공진방향, 즉 피스톤(122)의 왕복방향을 따라 일정 간격을 두고 구비되어 독립적으로 동작되는 경우에는 필요에 따라 공진스프링(150)의 유효권수를 조절할 수 있다. 이에 따라, 공진스프링의 공진주파수를 더욱 다양하게 변경할 수 있다.

예를 들어, 제1 스토퍼(171a)만 공진스프링(150)과 결합되고 제2 스토퍼(171b)는 공진스프링(150)과 분리된 경우는, 제1 스토퍼(171a)와 제2 스토퍼(171b)가 모두 공진스프링과 결합된 경우에 비교하여 다른 공진주파수를 발생시킬 수 있다. 이는, 제1 스토퍼(171a)는 공진스프링(150)과 분리되고 제2 스토퍼(171b)는 공진스프링(150)과 결합된 경우와 비교하여서도 마찬가지이다. 이에 따라 압축기의 운전주파수를 더욱 다양하게 변경할 수 있어 그만큼 압축기의 냉력을 세분화하여 소비 전력을 더욱 낮출 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 리니어 압축기에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 공진스프링이 피스톤과 백 커버의 사이, 즉 피스톤 또는 무버를 기준으로 후방측에만 위치하는 경우를 살펴본 것이다. 하지만, 본 실시예와 같이 제1 공진스프링은 피스톤 또는 무버에 결합된 스프링 서포터의 전방측에, 제2 공진스프링은 스프링 서포터의 후방측에 각각 구비될 경우, 제1 공진스프링과 제2 공진스프링에 각각 스토퍼가 구비될 수 있다. 도 12는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 스프링강성 조절유닛에 대한 또다른 실시예를 보인 단면도이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 제1 공진스프링(251)에 전방 스토퍼(271a)(271a)가, 제2 공진스프링(252)에 후방 스토퍼(271b)(271b)가 각각 대응되도록 구비될 수 있다. 이 경우에는, 제1 공진스프링(251)과 제2 공진스프링(252)의 공진주파수를 각각 조절할 수 있다. 이에 따라, 앞서 설명한 바와 같이 압축기의 운전모드를 다양하게 변경할 수 있다.

물론, 이 경우 전방 스토퍼(271a)(271a)와 후방 스토퍼(271b)(271b)는 제1 공진스프링(251)과 제2 공진스프링(252)의 유효권 중에서 동일한 유효권에 착탈되도록 구비될 수도 있지만, 경우에 따라서는 다른 유효권에 착탈되도록 구비될 수도 있다. 이에 따라, 압축공간의 가스력에 의해 피스톤이 밀리는 만큼 보상할 수도 있다.

나아가, 전방 스토퍼와 후방 스토퍼의 개수를 동일하게 할 수도 있지만, 경우에 따라서는 전방 스토퍼와 후방 스토퍼의 개수를 다르게 할 수도 있다.

한편, 전방 스토퍼와 후방 스토퍼는 앞서 설명한 도 10 및 도 11의 실시예와 같이 복수 개씩이 구비되어 원주방향으로 일정 간격만큼 이격되도록 구비될 수도 있고, 공진방향으로 일정 간격만큼 이격되도록 구비될 수도 있다. 이에 따른 작용 효과는 전술한 실시예와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

1. 왕복운동을 하는 무버를 가지는 구동유닛;
   상기 무버에 결합되어 왕복운동을 하는 피스톤과, 상기 피스톤이 삽입되어 압축실을 형성하는 실린더를 가지는 압축유닛;
   상기 피스톤의 공진 운동을 형성하며, 적어도 한 개 이상의 유효권을 가지는 압축코일스프링으로 된 공진스프링; 및
   상기 공진스프링의 강성을 조절하는 스프링강성 조절유닛;을 포함하고,
   상기 스프링강성 조절유닛은,
   상기 공진스프링에 결합되는 제1 위치와, 상기 공진스프링으로부터 분리되는 제2 위치 사이에서 이동하면서 상기 공진스프링의 유효권에 착탈되어 상기 공진스프링의 유효권수를 조절하는 적어도 한 개 이상의 스토퍼;를 포함하는 리니어 압축기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 한 개 이상의 스토퍼는 동력을 발생하는 액츄에이터에 결합되어 상기 피스톤의 왕복방향에 대해 교차되는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 액츄에이터는 상기 구동유닛에 결합되는 커버부재에 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 커버부재에는 가이드구멍이 관통 형성되고, 상기 가이드구멍에 상기 스토퍼가 미끄러지게 삽입되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 커버부재에는 상기 커버부재의 표면에서 돌출되는 가이드돌부가 형성되고, 상기 가이드돌부는 상기 가이드구멍에서 연장되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
7. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스프링강성 조절유닛은 복수 개가 구비되고, 상기 복수 개의 스프링강성 조절유닛은 원주방향을 따라 동일한 간격을 가지는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
8. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스프링강성 조절유닛은 복수 개가 구비되고, 상기 복수 개의 스프링강성 조절유닛은 상기 공진스프링의 공진방향으로 간격을 두고 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
9. 케이싱;
   상기 케이싱 내부에 구비되는 스테이터 및 상기 스테이터와 함께 상호 작용으로 왕복운동을 하는 무버를 가지는 구동모터;
   상기 구동모터의 무버에 결합되어 그 무버와 함께 왕복운동을 하는 피스톤;
   상기 피스톤이 왕복운동을 하면서 압축실을 형성하는 실린더;
   코일스프링으로 이루어지며, 상기 무버와 피스톤을 공진시키는 공진스프링;
   상기 구동모터의 일측에 구비되어 상기 공진스프링의 일단을 지지하는 백 커버; 및
   상기 공진스프링을 향하는 방향으로 진퇴하도록 엑츄에이터에 결합되고, 상기 공진스프링에 선택적으로 착탈되어 그 공진스프링의 유효권수를 조절하는 스토퍼;를 포함하는 리니어 압축기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 공진스프링은 상기 무버와 피스톤의 후방측에 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 피스톤에는 상기 공진스프링의 일단이 삽입되어 고정되도록 제1 고정부재가 구비되고,
    상기 백 커버에는 상기 공진스프링의 타단이 삽입되어 고정되도록 제2 고정부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
12. 제9항에 있어서,
    상기 피스톤에 스프링 서포터가 결합되고,
    상기 공진스프링은 상기 스프링 서포터의 전방측과 후방측에 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
13. 제12항에 있어서,
    상기 스토퍼는 상기 스프링 서포터의 전방측과 후방측에 구비되는 복수 개의 공진스프링에 각각 대응하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
14. 제9항에 있어서,
    상기 스토퍼는 상기 공진스프링을 지지하는 부재에 결합되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 리니어 압축기를 포함하는 냉동기기에 있어서,
    상기 냉동기기에는 부하를 검출하는 부하검출부;
    상기 부하검출부에서 검출된 부하를 기초로 상기 리니어 압축기의 운전모드를 결정하여 전달하는 신호전달부; 및
    상기 신호전달부에 의해 전달된 신호를 기초로 상기 스토퍼의 진퇴동작을 제어하는 강성조절부;를 포함하는 리니어 압축기를 가지는 냉동기기.

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