KR102002120B1 - 리니어 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 리니어 압축기는, 케이싱; 상기 케이싱의 내벽에 고정되는 스테이터와, 상기 스테이터와 이격되어 왕복 운동되는 무버를 구비하는 구동 유닛; 상기 케이싱에 고정되어 압축실을 형성하는 실린더와, 상기 무버와 연동되어 상기 실린더 내에서 왕복 운동되는 피스톤을 구비하는 압축 유닛; 및 유체의 압축 시 발생되는 진동을 저감하도록 형성되고, 상기 압축 유닛과 상기 케이싱 사이에 위치되도록 이루어지는 동흡진 유닛을 포함한다. 이에 의하면, 리니어 압축기의 소형화가 구현될 수 있다.

Description

리니어 압축기{LINEAR COMPRESSOR}

본 발명은 진동체의 직선 왕복 운동에 의해 유체를 압축하도록 이루어지는 리니어 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 모터나 터빈 등의 동력 발생 장치로부터 동력을 전달 받아 공기나 냉매 등의 작동 유체를 압축하도록 이루어지는 장치를 말한다. 압축기는 산업 전반이나 가전 제품, 특히, 증기압축실 냉동사이클(이하 '냉동 사이클'로 칭함) 등에 널리 적용되고 있다.

이러한 압축기의 종류에는, 피스톤과 실린더 사이에 압축실이 형성되고 피스톤이 직선 왕복 운동하여 유체를 압축하는 왕복동식 압축기, 실린더 내부에서 편심 회전되는 롤러에 의해 유체를 압축하는 로터리 압축기, 나선형으로 이루어지는 한 쌍의 스크롤이 맞물려 회전되어 유체를 압축하는 스크롤 압축기 등이 있다.

최근에는 왕복동식 압축기 중에서도, 크랭크 축을 사용하지 않고 직선 왕복 운동되는 리니어 모터를 채용한 리니어 압축기가 개발되고 있다. 리니어 압축기는 회전 운동을 직선 왕복 운동으로 전환하는데 따르는 기계적인 손실이 없어 효율이 향상되고, 구조가 간편한 장점이 있다.

구체적으로 리니어 압축기는, 밀폐 공간을 형성하는 케이싱 내부에 실린더가 위치되어 압축실을 형성하고, 압축실을 덮는 피스톤이 실린더 내부를 왕복 운동하도록 구성된다. 즉, 피스톤이 하사점(BDC, Bottom Dead Center)에 위치되도록 이동되면서 밀폐 공간 내의 유체가 압축실로 흡입되고, 상사점(TDC, Top Dead Center)에 위치되도록 이동되면서 압축실의 유체가 압축되어 토출되는 과정이 반복된다. 이때, 일반적으로 피스톤과 실린더 및 리니어 모터는 케이싱 내벽에 대해 지지 스프링 등에 의해 탄성적으로 지지되는 구조를 갖는다.

다만 종래의 지지 구조와 달리, 리니어 압축기의 소형화를 위하여 특허문헌 1과 같은 구조가 제안된 바 있다. 특허문헌 1은 지지스프링 구조를 생략하면서, 케이싱에 리니어 모터의 고정자가 직접 결합되는 구성을 개시하고 있다. 아울러, 특허문헌 1은 압축 기구부의 일부를 쉘에 고정함에 따라 쉘 전체가 진동되는 것을 방지하기 위하여, 진동 흡수 수단을 부가하는 구성을 개시하고 있다.

그러나 특허문헌 1은, 케이싱과 리니어 모터 사이의 공간은 생략되지만, 진동 흡수 수단이 부가됨에 따라 전체 길이가 증가되는 문제점이 있다. 또한, 진동 흡수 수단이 부가되면서, 흡입압의 유체가 채워지는 공간이 불필요하게 증대되고, 이는 압축기의 방열에 불리한 조건으로 작용되는 단점이 있다.

이에, 압축 기구부의 크기 대비 케이싱을 포함하는 전체 크기가 더욱 감소되면서, 압축기 동작에 따라 발생되는 열이 케이싱 외부로 더 효과적으로 방열될 수 있는 설계가 도출될 필요성이 있다.

공개특허공보 KR10-2006-0042682 A (2006.05.15. 공개)

본 발명의 첫 번째 목적은, 스테이터가 케이싱과 고정되어 소형화가 구현되는 구조에 있어, 피스톤의 왕복 방향으로 전체 길이가 단축되도록 이루어지는 리니어 압축기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은, 동흡진 구조물이 구동 및 압축 유닛과 인접한 위치에서 진동됨에 따라 케이싱 내부의 유체에 의한 대류 열전달을 촉진하도록 이루어지는 리니어 압축기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은, 왕복 방향으로 길이가 단축되도록 기계적 스프링이 제거되고, 기계적 스프링보다 더 효과적으로 공진을 발생시킬 수 있는 구조가 제공되는 리니어 압축기를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 첫 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 리니어 압축기는, 케이싱; 상기 케이싱의 내벽에 고정되는 스테이터와, 상기 스테이터와 이격되어 왕복 운동되는 무버를 구비하는 구동 유닛; 상기 케이싱에 고정되어 압축실을 형성하는 실린더와, 상기 무버와 연동되어 상기 실린더 내에서 왕복 운동되는 피스톤을 구비하는 압축 유닛; 및 유체의 압축 시 발생되는 진동을 저감하도록 형성되고, 상기 압축 유닛과 상기 케이싱 사이에 위치되도록 이루어지는 동흡진 유닛을 포함한다.

본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 리니어 압축기는, 케이싱; 상기 케이싱의 내벽에 고정되는 스테이터와, 상기 스테이터와 이격되어 왕복 운동되는 무버를 구비하는 구동 유닛; 상기 케이싱에 고정되어 압축실을 형성하는 실린더와, 상기 무버와 연동되어 상기 실린더 내에서 왕복 운동되는 피스톤을 구비하는 압축 유닛; 및 유체의 압축 시 발생되는 진동을 저감하도록 형성되고, 상기 압축 유닛과 상기 케이싱 사이에 위치되도록 이루어지는 동흡진 유닛을 포함하고, 상기 동흡진 유닛은, 상기 케이싱과 이격되도록 위치되는 질량체; 및 상기 질량체와 상기 케이싱을 서로 연결하고, 상기 질량체의 진동을 허용하도록 탄성 재질로 형성되는 탄성부재를 구비한다.

본 발명의 세 번째 과제를 달성하기 위하여 상기 리니어 압축기는 상기 피스톤의 변위에 따라 가변되는 유압을 발생시켜 상기 피스톤에 전달하도록 이루어지는 공진 유닛을 더 포함하며, 상기 공진 유닛은, 상기 실린더의 내주면에서 돌출되도록 형성되는 내벽부; 및 상기 내벽부를 수용하도록 상기 피스톤의 외주면에서 리세스되고, 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 상기 내벽부의 양 단부에 각각 인접한 공간의 체적이 변화되도록 이루어지는 공진 챔버를 구비한다.

이상에서 설명한 해결 수단에 의해 구성되는 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫 번째, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 동흡진 유닛이 케이싱과 압축 유닛 사이의 공간에 위치됨으로써, 동흡진 유닛이 추가되어도 케이싱 또는 압축기 전체 길이가 증가되지 않을 수 있다. 이러한 특징은 케이싱 내벽에 구동 유닛이 직접 고정되는 특징과 함께, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 현저한 소형화를 구현할 수 있는 이점이 된다.

두 번째, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 동흡진 유닛이 구동 유닛 및 압축 유닛과 동일한 공간 내에서 진동되면서 교반(agitation) 작용을 할 수 있다. 즉, 흡입된 유체가 채워지는 케이싱 내부의 밀폐 공간에서의 대류 열전달이 촉진됨으로써, 리니어 압축기의 방열 특성이 향상될 수 있다. 특히, 종래 공진 스프링 및 지지스프링과 달리, 피스톤과는 반대 방향으로 진동되는 것도 가능하므로 케이싱 내부에서의 열교환이 더 활발하게 이루어질 수 있다.

세 번째, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 공진 스프링의 역할을 하는 공진 유닛이 피스톤의 둘레에 형성되어 가스 스프링으로 기능할 수 있다. 이에 따라, 공진 유닛은 종래의 기계적인 공진 스프링을 대체하면서, 또한, 가변적인 강성을 제공할 수 있다. 따라서, 공진 스프링이 제거된 위치에 동흡진 유닛이 연결되어 압축기 전체의 소형화가 구현될 수 있고, 고주파수 운전 시 효율적인 운전이 가능하게 된다. 결과적으로, 성능이 향상되면서 전체 크기는 더 작게 형성될 수 있는 리니어 압축기가 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기를 보인 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 동흡진 유닛을 보인 사시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리니어 압축기를 보인 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 동흡진 유닛을 보인 사시도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리니어 압축기를 보인 단면도.
도 6은 도 5에 도시된 영역 A의 확대도.

이하, 본 발명에 관련된 리니어 압축기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

서로 다른 실시예라고 하더라도, 앞선 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 명세서에 개시된 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예들을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

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 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기(100)를 보인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 리니어 압축기(100)는, 케이싱(110), 구동 유닛(120) 및 압축 유닛(130)을 포함한다.

케이싱(110)은 밀폐된 공간을 형성할 수 있다. 밀폐된 공간은 압축을 위하여 흡입되는 냉매가 채워지는 흡입공간(101)이 될 수 있다. 흡입공간(101)으로 냉매가 흡입되기 위하여, 케이싱(110)에는 흡입구(111)가 형성되어 흡입 배관(SP)이 장착될 수 있다. 또한, 케이싱(110)에는 후술하는 토출공간(102)으로부터 냉매가 외부로 토출되기 위한 토출구(112)가 형성되고, 토출구(112)의 외부에는 토출 배관(DP)이 연결될 수 있다.

도시된 것과 같이, 케이싱(110)은 쉘(113), 캡(114), 프레임 커버(115) 및 토출 커버(116)를 포함할 수 있다. 쉘(113)은 일 방향으로 연장되는 원통형으로 이루어질 수 있고, 캡(114)은 개방된 쉘(113)의 일 단부를 폐쇄하도록 결합될 수 있다. 프레임 커버(115)는 개방된 쉘(113)의 타 단부를 덮도록 이루어질 수 있다. 특히, 프레임 커버(115)는 쉘(113)과 직접 결합되면서 후술하는 구동 유닛(120) 및 압축 유닛(130)을 지지하도록 이루어질 수 있다. 아울러, 프레임 커버(115)에는 토출 커버(116)가 덮이도록 배치되어, 압축된 냉매가 토출되어 수용되는 토출공간(102)이 형성될 수 있다.

구동 유닛(120)은 본 발명에 따른 리니어 압축기(100)의 왕복 운동을 발생시키는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위하여, 구동 유닛(120)은 스테이터(121) 및 무버(122)를 포함할 수 있다. 스테이터(121)는 케이싱(110)과 결합될 수 있다. 스테이터(121)는 후술하는 압축 유닛(130)을 둘러싸도록 배치되는 아우터 스테이터(121a)와, 아우터 스테이터(121a)의 내측으로 이격되어 압축 유닛(130)을 둘러싸는 이너 스테이터(121b)를 포함할 수 있다. 아우터 스테이터(121a)와 이너 스테이터(121b) 사이에는 무버(122)가 위치될 수 있다.

본 실시예에서, 아우터 스테이터(121a)는 쉘(113)의 내주면과 프레임 커버(115)에 접촉되어 고정될 수 있고, 이너 스테이터(121b)는 후술하는 실린더(131)의 외주면과 프레임 커버(115)에 결합되도록 이루어질 수 있다.

또한, 아우터 스테이터(121a)에는 권선코일(123)이 장착될 수 있고, 무버(122)는 영구자석을 구비할 수 있다. 이에 따라 구동 유닛(120)에 전류가 인가되면 권선코일(123)에 의해 스테이터(121)를 따라 자속(flux)이 형성될 수 있다. 전류 인가에 의해 형성되는 자속과 영구자석에 의해 형성되는 자속의 상호 작용에 의해 무버(122)가 움직일 수 있는 힘이 발생될 수 있다.

압축 유닛(130)은 흡입공간(101) 내의 냉매를 흡입하여, 압축 및 토출하도록 이루어진다. 압축 유닛(130)은 이너 스테이터(121b)의 내측으로 케이싱(110)의 중심부에 위치될 수 있고, 실린더(131) 및 피스톤(132)을 포함한다. 실린더(131)는 프레임 커버(115)에 의해 지지되어 내부에 압축실(P)을 형성할 수 있다. 본 실시예에서 실린더(131)는 양 단부가 개방되도록 연장되는 원통형으로 이루어질 수 있다.

실린더(131)의 일 단부에는 피스톤(132)이 삽입되어 왕복 운동되고, 반대편인 타 단부에는 프레임 커버(115)가 결합되어 지지될 수 있다. 아울러, 실린더(131)의 타 단부에는 토출밸브(131a) 및 토출 커버(116)가 위치될 수 있다.

토출밸브(131a)와 토출 커버(116) 사이에는 토출공간(102)이 형성될 수 있다. 앞서 설명한 토출구(112)는 토출 커버(116)를 관통하도록 형성되어, 토출 배관(DP)이 토출공간(102)과 서로 연통되도록 토출구(112)에 장착될 수 있다.

피스톤(132)은 실린더(131)의 개방된 일 단부에 삽입되어, 압축실(P)을 밀폐하도록 이루어질 수 있다. 피스톤(132)은 앞서 설명한 무버(122)와 연결되도록 이루어져, 무버(122)와 함께 왕복 운동될 수 있다. 무버(122)와 피스톤(132) 사이에는 이너 스테이터(121b) 및 실린더(131)가 위치될 수 있으므로, 무버(122)와 피스톤(132)은 실린더(131) 및 이너 스테이터(121b)를 우회하도록 형성되는 별도의 무버 프레임(135)에 의해 서로 결합될 수 있다.

피스톤(132)은 원통형으로 이루어지며, 일 단부가 흡입구(111)를 향해 개방되고 타 단부는 압축실(P)을 폐쇄하도록 형성될 수 있다. 이때, 피스톤(132)의 타 단부에는 압축실(P)을 밀폐하는 단부를 관통하도록 흡입포트(132a)가 형성될 수 있다.

본 실시예에서 흡입공간(101)의 냉매는 피스톤(132)의 내부 공간을 통과하도록 흐르고, 흡입포트(132a)를 통과하여 피스톤(132)과 실린더(131) 사이의 압축실(P)로 흡입될 수 있다. 또한, 압축실(P)과 인접한 피스톤(132)의 타 단부의 표면에는 흡입포트(132a)를 개폐하는 흡입밸브(132b)가 장착될 수 있다. 흡입밸브(132b)는 탄성 변형에 의해 동작될 수 있다. 즉, 흡입밸브(132b)는 흡입포트(132a)를 통과하여 압축실(P) 쪽으로 흐르는 냉매의 압력에 의하여 흡입포트(132a)를 개방하도록 탄성 변형될 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 리니어 압축기(100)의 피스톤(132)과 흡입 배관(SP) 사이에는 머플러(140)가 장착될 수 있다. 머플러(140)는 흡입공간(101)으로부터 압축실(P)로 냉매를 가이드하고, 본 발명의 리니어 압축기(100)의 동작 시 발생되는 소음을 저감하는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 머플러(140)는 대략 원통형으로 형성되고, 피스톤(132)의 내주면과 이격되어 피스톤(132)에 삽입되도록 위치될 수 있다. 머플러(140)의 내부에는 머플러(140)의 일 단부로부터 흡입 배관(SP)이 삽입되도록 이루어질 수 있다. 흡입 배관(SP), 머플러(140) 및 피스톤(132)은 각각의 내주면 또는 외주면이 서로 이격되도록 위치되어 소음 작용을 하도록 설계될 수 있다.

이상에서 설명한 리니어 압축기(100)는 다음과 같이 동작된다.

먼저, 구동 유닛(120)에 전류가 인가되면 스테이터(121)에 자속이 형성될 수 있다. 스테이터(121)에 형성되는 자속에 의해 발생되는 전자기력에 의해, 영구자석을 구비하는 무버(122)가 직선 왕복 운동될 수 있다.

무버(122)의 왕복 운동 시, 무버(122)에 연결되는 피스톤(132)이 왕복 운동될 수 있다. 실린더(131) 내부에서 왕복 운동되는 피스톤(132)은, 압축실(P)의 체적을 증가 및 감소시키는 운동을 반복하게 된다.

피스톤(132)이 압축실(P)의 체적을 증가시키면서 이동될 때, 압축실(P) 내부의 압력은 감소한다. 이에, 피스톤(132)에 장착되는 흡입밸브(132b)가 개방되고, 흡입공간(101)에 머무르던 냉매가 압축실(P)로 흡입될 수 있다. 이러한 흡입 행정은, 피스톤(132)이 압축실(P)의 체적을 최대로 증가시켜 하사점(BDC, Bottom Dead Center)에 위치될 때까지 진행된다.

하사점에 도달한 피스톤(132)은 압축실(P)의 체적을 감소시키면서 압축 행정을 수행한다. 압축 행정은, 피스톤(132)이 압축실(P)의 체적이 최소가 되도록 감소시키는 상사점(TDC, Top Dead Center)까지 이동되는 동안 수행된다. 압축 행정 시에는, 압축실(P) 내부의 압력이 증가되어 흡입된 냉매가 압축될 수 있다. 압축실(P)의 압력이 기설정된 압력에 도달하면, 실린더(131)에 장착되는 토출밸브(131a)가 개방되어 냉매가 토출공간(102)으로 토출된다.

결과적으로, 피스톤(132)의 흡입 및 압축 행정이 반복되면서, 흡입구(111)로 유입된 흡입공간(101)의 냉매가 압축실(P)로 흡입되어 압축되고, 토출공간(102) 및 토출구(112)를 거쳐 압축기의 외부로 토출되는 냉매 흐름이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 리니어 압축기(100)는, 실린더(131)를 포함하는 고정체와, 무버(122)와 피스톤(132)을 포함하는 진동체 사이의 윤활 및 냉각을 위하여 오일이 별도로 사용되지 않는 오일리스(oil-less) 타입일 수 있다. 이러한 오일리스 타입의 리니어 압축기(100)는, 실린더(131)와 피스톤(132) 사이의 마찰면의 윤활 및 냉각을 위하여 가스 베어링이 형성될 수 있다. 예를 들면, 프레임 커버(115)에 형성되는 베어링 통로(미도시)에 의해, 토출공간(102)으로부터 냉매의 일부가 피스톤(132)의 외주면까지 공급되어 가스 베어링막을 형성할 수 있다.

이상에서는 본 발명에 따른 리니어 압축기(100)의 전체적인 구조 및 동작 과정에 대하여 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 실시예들에 따라, 컴팩트하게 구현되는 것이 더욱 용이하도록, 피스톤(132)의 왕복 운동 방향(왕복 방향)으로의 길이를 단축할 수 있는 리니어 압축기(100)의 구조 및 기능에 대하여 설명한다.

도 2는 도 1에 도시된 동흡진 유닛(150)을 보인 사시도이다. 도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기(100)는 동흡진 유닛(150)을 더 포함한다. 동흡진 유닛(150)은 본 발명에 따른 리니어 압축기(100) 전체의 진동을 흡수하는 역할을 수행할 수 있다.

앞서 설명한 것과 같이, 본 발명에서는 스테이터(121)와 실린더(131)가 케이싱(110)에 고정되도록 이루어진다. 즉, 컴팩트한 구조를 구현하기 위하여, 지지 스프링이 생략될 수 있다. 이러한 경우에는, 냉매를 압축하는 무버(122)와 피스톤(132)의 왕복 운동에 따른 진동이 케이싱(110) 전체에 그대로 전달될 수 있다.

무버(122) 및 피스톤(132)을 포함하는 진동체의 진동에 따른 압축기 전체의 진동을 저감하기 위하여, 본 발명의 동흡진 유닛(150)이 케이싱(110) 내부에 형성될 수 있다. 특히, 종래의 구성과 달리, 본 실시예에서 동흡진 유닛(150)은 압축 유닛(130)과 케이싱(110) 사이의 공간에 위치되도록 이루어질 수 있다.

도시된 것과 같이 동흡진 유닛(150)이 압축 유닛(130)과 케이싱(110) 사이에 배치되기 위하여, 본 실시예의 리니어 압축기(100)에서는 기계적인 공진 스프링이 생략될 수 있다. 즉, 기계적인 공진 스프링 없이, 동흡진 유닛(150)이 구동 유닛(120)(특히, 스테이터(121))과 인접하도록 나란하게 배치될 수 있다.

기계적인 공진 스프링이 생략되는 본 발명의 일 실시예에서, 구동 유닛(120)은 전자기적 공진 스프링의 작용을 하도록 형성될 수 있다. 앞서 설명한 것과 같이, 무버(122)와 피스톤(132)은 스테이터(121)에 대해, 압축실(P)의 체적이 최소값을 갖는 상사점(TDC, Top Dead Center)과 압축실(P)의 체적이 최대값을 갖는 하사점(BDC, Bottom Dead Center) 사이에서 직선으로 왕복 운동된다. 또한, 압축 동작이 시작되기 전 정지 상태(초기 위치)에서, 무버(122)는 상사점과 하사점 사이의 일 지점에 위치될 수 있다.

전자기적 공진 스프링의 작용을 위하여, 본 발명의 구동 유닛(120)은 무버(122)의 위치에 따라 가변되는 복귀력을 무버(122)에 제공할 수 있다. 복귀력은 스테이터(121)에 형성되는 가변적인 자속에 의해 무버(122)에 작용되는 힘으로, 무버(122)를 초기 위치로 이동시키려는 힘으로 정의될 수 있다. 즉, 복귀력은 초기 위치에서 그 값이 0이고, 초기 위치에서 상사점 사이의 구간과, 초기 위치에서 하사점 사이의 구간에서는 그 방향이 서로 반대로 분포될 수 있다.

이때, 전자기적 공진 스프링을 구현하기 위하여, 이러한 복귀력은 선형으로 분포되면서, 상사점과 하사점 중 어느 한 지점에서 최대값을 갖고, 다른 한 지점에서 최소값을 갖도록 이루어질 수 있다.

본 실시예에서 예를 들면, 왕복 방향 중 하사점에서 상사점을 향하는 방향을 양의 방향이라고 할 때, 복귀력은 상사점에서 최소값(음의 값)을 갖고, 하사점에서 최대값(양의 값)을 갖도록 형성되고, 피스톤(132)의 위치를 따라 상사점과 하사점을 직선 또는 곡선으로 잇도록 분포될 수 있다.

이와 같은 복귀력을 구현하기 위하여, 도시된 것과 같이 아우터 스테이터(121a)와 이너 스테이터(121b)가 두 개의 공극을 형성하는 경우, 무버(122)는 3개의 극을 갖는 영구자석으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 무버(122)가 S-N-S 또는 N-S-N극이 왕복 방향으로 배열되는 영구자석으로 이루어지고, 그 N 또는 S극의 길이가 피스톤(132)의 스트로크 길이(상사점-하사점)보다 길게 형성될 수 있다.

복귀력이 가변되고, 상사점과 하사점에서 최소값 및 최대값을 갖도록 이루어짐으로써, 본 실시예의 리니어 압축기(100)에서 진동체의 공진이 전자기적으로 구현될 수 있고, 기계적인 공진 스프링이 생략될 수 있다. 특히, 전자기적 공진 스프링은, 일반적으로 고정된 강성을 갖는 기계적인 공진 스프링의 경우보다, 넓은 공진 범위가 제공될 수 있는 이점이 있다.

기계적인 공진 스프링이 생략됨에 따라, 본 실시예에 따른 리니어 압축기(100)의 동흡진 유닛(150)이 압축 유닛(130)과 케이싱(110) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 리니어 압축기(100)는 왕복 방향으로 전체 길이가 종래에 비하여 크게 절감될 수 있다. 결과적으로, 왕복 방향과 직교하는 방향(반경 방향)으로는 지지 스프링이 제거되어 직경이 단축되고, 왕복 방향으로는 공진 스프링이 제거되어 길이가 단축되는 구조가 구현될 수 있다. 따라서, 리니어 압축기(100)가 현저하게 소형화될 수 있고, 다르게 표현하면 리니어 압축기(100)의 크기 대비 압축 능력이 크게 향상될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기(100)의 동흡진 유닛(150)의 구체적인 구조와 그에 따른 효과를 설명한다.

도 1 및 2를 참조하면, 동흡진 유닛(150)은 질량체(151) 및 탄성부재(152)를 구비할 수 있다. 질량체(151) 및 탄성부재(152)는 무버(122)와 피스톤(132)의 진동에 대응되는 역위상으로 진동을 형성하도록 이루어질 수 있다.

질량체(151)는 무버(122)와 피스톤(132)의 질량을 고려하여 기설정된 질량을 갖도록 이루어질 수 있다. 질량체(151)는 예를 들면, 케이싱(110)과 피스톤(132) 사이에 개재될 수 있도록 환형으로 이루어질 수 있다. 또는, 피스톤(132)의 원주 방향으로 이격되도록 배치되는 복수 개의 무게추 등으로 이루어질 수 있다.

탄성부재(152)는 질량체(151)를 탄성 지지하도록 이루어질 수 있다. 탄성부재(152)는 질량체(151)와 케이싱(110)을 서로 연결하면서, 질량체(151)가 케이싱(110)에 대해 진동될 수 있도록 탄성을 갖도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서 탄성부재(152)는 복수 개의 코일 스프링일 수 있다. 도시된 것과 같이, 복수 개의 코일 스프링은 왕복 방향으로 질량체(151)를 양 단에서 각각 지지하도록 배치될 수 있다. 또한 복수 개의 코일 스프링이 피스톤(132)의 원주 방향으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 복수 개의 코일 스프링은 앞서 언급한 것처럼 일체로 형성되는 환형의 질량체(151)를 지지하거나, 복수 개의 무게추로 이루어지는 질량체(151)를 각각 지지하도록 이루어질 수 있다.

본 실시예와 같이 탄성부재(152)가 코일 스프링으로 형성되는 경우에, 탄성부재(152)의 지지를 위하여 쉘(113)에는 돌출부(113a)가 마련될 수 있다. 도시된 것과 같이, 돌출부(113a)는 스테이터(121)와 탄성부재(152) 사이의 쉘(113)의 내주면에서 돌출되도록 형성될 수 있다. 돌출부(113a)가 마련됨으로써, 질량체(151)의 일 단부에 연결되는 탄성부재(152a)는 케이싱(110)의 쉘(113)에 왕복 방향으로 지지되고, 질량체(151)의 타 단부에 연결되는 탄성부재(152b)는 돌출부(113a)에 지지될 수 있다.

다만 본 실시예에서, 질량체(151)의 타 단부에 연결되는 탄성부재(152b)와 돌출부(113a) 사이에는 지지부재(160)가 삽입될 수 있다. 그리고, 지지부재(160)는 왕복 운동 방향으로 관통되도록 형성되는 관통홀(161)을 구비할 수 있다. 관통홀(161)은 돌출부(113a)에 의해 구분되는 동흡진 유닛(150)이 설치되는 공간과 구동 유닛(120)이 설치되는 공간을 서로 연통시켜, 냉매가 보다 원활하게 이동될 수 있는 경로를 제공할 수 있다.

특히, 지지부재(160)는 돌출부(113a)의 모서리를 덮도록 이루어질 수 있다. 즉, 지지부재(160)는 왕복 방향으로 돌출부(113a)를 오버랩하도록 장착될 수 있다. 또한, 관통홀(161)의 적어도 일부는, 압축 유닛(130)을 바라보는 돌출부(113a)의 돌출된 단부보다 압축 유닛(130)에 가까이 놓이도록 이루어질 수 있다. 즉, 관통홀(161)이 돌출부(113a)에 의해 완전히 폐쇄되지 않도록 위치될 수 있다.

탄성부재(152)와 돌출부(113a) 사이에 개재되는 지지부재(160)에 의해, 본 실시예에 따른 리니어 압축기(100)의 케이싱(110) 가공 및 조립 과정이 용이하게 수행될 수 있다. 구체적으로, 케이싱(110)의 내주면에서 돌출되는 돌출부(113a)의 가공이 최소한의 높이로 이루어질 수 있고, 또한, 관통홀(161)이 지지부재(160)에 형성되는 가공이 돌출부(113a)에 형성되는 경우보다 손쉽게 수행될 수 있는 이점이 있다.

한편, 질량체(151)가 환형으로 이루어지는 경우, 질량체(151)에는 원주 방향을 따라 이격 배치되는 복수 개의 연통홀(151a)이 관통되도록 형성될 수 있다. 연통홀(151a)은 질량체(151)의 진동 시 냉매가 통과되는 유로로 기능할 수 있고, 연통홀(151a)의 직경이나 개수는 케이싱(110) 내부의 유동이 방열에 최적화되는 것을 목표로 다양하게 설계될 수 있다.

이상에서 설명한 동흡진 유닛(150)은, 탄성부재(152)에 지지되는 질량체(151)가 피스톤(132) 및 무버(122)를 포함하는 진동체의 진동과 반대 방향으로 진동되면서, 진동을 저감하는 역할을 수행할 수 있다. 아울러, 본 실시예의 동흡진 유닛(150)은 구동 유닛(120) 및 압축 유닛(130)과 인접한 공간에서 진동되면서, 케이싱(110) 내부 공간의 냉매를 교반(agitating)하는 작용을 할 수 있다. 교반에 의해 냉매가 케이싱(110) 내에서 고르게 섞이면서, 구동 유닛(120) 및 압축 유닛(130)에서 발생되는 열이 대류 열전달에 의해 원활하게 주위로 퍼져, 최종적으로 케이싱(110) 외부로 효과적으로 방출될 수 있다.

특히, 종래의 공진 스프링과는 달리, 동흡진 유닛(150)은 진동체와는 역위상으로 진동될 수 있으므로, 무버(122) 및 피스톤(132)의 왕복 운동과 반대 방향으로 진동되어 냉매의 대류 열전달이 더욱 활발하게 일어날 수 있는 이점이 있다.

이상에서는 탄성부재(152)가 코일 스프링으로 형성되는 본 발명의 일 실시예를 설명하였다. 이하에서는 탄성부재(252)가 판 스프링으로 이루어져, 케이싱(110)의 가공이 더욱 간소화될 수 있는 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리니어 압축기(200)를 보인 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 동흡진 유닛(250)을 보인 사시도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 리니어 압축기(200)의 동흡진 유닛(250)은 구동 유닛(120) 및 압축 유닛(130)과 각각 마주보도록 배치될 수 있다.

도 3 및 4를 참조하면, 본 실시예의 동흡진 유닛(250)은 케이싱(110)의 일 단부에서 왕복 방향으로 구동 유닛(120)과 압축 유닛(130)과 마주보도록 형성될 수 있다. 즉, 동흡진 유닛(250)은 케이싱(110)을 구성하는 캡(114)의 내측에 위치되며, 대략 원판형으로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 동흡진 유닛(250)은 질량체(251), 탄성부재(252) 및 연결부재(253)를 구비할 수 있다. 먼저, 연결부재(253)는 케이싱(110)의 내벽에서 돌출되는 형상으로 이루어질 수 있다. 도시된 것과 같이, 연결부재(253)는 캡(114)의 내벽에 결합되고, 왕복 방향으로 기설정된 길이를 갖도록 연장될 수 있다. 연결부재(253)가 연장되는 길이는 탄성부재(252)가 탄성 변형되는 거리보다 길게 설계됨으로써, 연결부재(253)는 탄성부재(252)를 캡(114)으로부터 이격시킬 수 있다.

탄성부재(252)는 본 실시예에서 판 스프링으로 이루어질 수 있다. 탄성부재(252)는 그 중심부가 연결부재(253)에 연결되고, 왕복 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다. 탄성부재(252)는 연결부재(253)와의 결합부(중심부)로부터 외곽으로 멀어질수록 왕복 방향으로 탄성 변형량이 크도록 이루어질 수 있다.

질량체(251)는 케이싱(110) 및 연결부재(253)와 이격되도록 탄성부재(252)에 결합될 수 있다. 도시된 것과 같이, 질량체(251)는 탄성부재(252)의 외곽에 연결될 수 있다. 질량체(251)는 앞선 실시예와 같이 환형의 일체형 부재로 이루어지거나, 또는 도시된 것과 같이, 복수 개의 무게추가 원주 방향으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다.

전체적으로 본 실시예의 동흡진 유닛(250)은 왕복 방향으로의 길이가 앞선 일 실시예보다 짧게 형성될 수 있다. 이에 따라, 왕복 방향으로 케이싱(110) 내부 공간이 절약될 수 있는 이점이 있다. 아울러, 앞선 일 실시예와 달리, 본 실시예의 동흡진 유닛(250)은 고정을 위하여 케이싱(110)에 돌출부(113a) 등이 형성되지 않을 수 있어, 가공의 용이성이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 본 실시예는 판형으로 이루어지는 탄성부재(252)가 탄성 변형되면서, 왕복 방향으로 넓게 냉매를 교반시키도록 진동될 수 있어, 방열 특성이 더욱 개선될 여지가 있다.

이상의 본 발명에 따른 일 실시예와 다른 실시예에서는, 구동 유닛(120)이 전자기적 공진 스프링의 역할을 하도록 이루어져 기계적인 공진 스프링이 대체되는 경우를 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 구동 유닛(120)이 전자기적 공진 스프링의 역할을 하지 않더라도, 기계적인 공진 스프링이 가스 스프링으로 대체될 수 있는 구조에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리니어 압축기(300)를 보인 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 영역 A의 확대도이다. 도 5 및 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리니어 압축기(300)는 공진 유닛(370)을 더 포함한다.

공진 유닛(370)은 피스톤(332)의 변위에 따라 가변되는 유압을 발생시켜 피스톤(332)에 전달하도록 이루어진다. 즉, 가변되는 유압이 피스톤(332)을 포함하는 진동체의 왕복 운동을 증폭시킬 수 있도록 구성된다.

도 6에 자세히 보인 것과 같이, 본 실시예의 공진 유닛(370)은 피스톤(332)을 둘러싸도록 형성될 수 있고, 구체적으로는 내벽부(371) 및 공진 챔버(372)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 내벽부(371)는 실린더(331)의 내주면에서 돌출되고 원주 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 아울러, 공진 챔버(372)는 내벽부(371)를 수용하도록 피스톤(332)의 외주면에서 리세스되도록 형성될 수 있다. 다만, 공진 챔버(372)는 왕복 방향으로 내벽부(371)의 양 단에 냉매가 수용되는 공간을 형성하도록 이루어질 수 있다.

피스톤(332)이 왕복 운동되면, 공진 챔버(372)는 내벽부(371)를 내부에 두고 피스톤(332)과 함께 왕복 운동될 수 있다. 이때, 내벽부(371)의 양 단부에 형성되는 각각의 공간은 번갈아가면서 체적이 증가되고 감소될 수 있다. 각각의 공간은 체적이 감소되는 경우에 내부의 냉매의 압력이 증가되면서 피스톤(332)의 운동 에너지를 흡수 및 축적할 수 있다. 그리고, 상사점 또는 하사점에서 피스톤(332)의 운동 방향이 전환되면, 공진 챔버(372)의 어느 한 공간이 팽창되면서 피스톤(332)에 복귀력을 제공할 수 있다.

예를 들면, 내벽부(371)의 일 단부에 형성되는 제2 유압부(372b)는, 흡입 행정에서 체적이 감소되면서 냉매의 압력이 증가될 수 있고, 피스톤(332)의 일 단부에서 타 단부를 향하는 양의 방향을 기준으로 복귀력이 점점 증가될 수 있다. 복귀력은 하사점에서 최대값을 가질 수 있다.

내벽부(371)의 타 단부에 형성되는 제1 유압부(372a)는, 압축 행정에서 체적이 감소되면서 냉매의 압력이 증가될 수 있다. 이때, 복귀력은 점차 감소될 수 있고, 상사점에서 최소값을 가질 수 있다.

한편, 공진 챔버(372) 내의 최소 유압은 토출압으로 유지될 수 있다. 이를 위하여, 도시된 것과 같이 토출공간(102)과 공진 챔버(372)를 서로 연통시키는 토출압 유로(331b)가 실린더(331)를 관통하도록 형성될 수 있다. 그리고, 공진 챔버(372)의 제1 및 제2 유압부(372a, 372b)에 인접한 토출압 유로(331b)의 단부에는 체크 밸브(372c)가 설치될 수 있다. 체크 밸브(372c)에 의해 공진 챔버(372)로 유입된 냉매는 토출압 유로(331b)로 유출되는 것이 제한될 수 있다. 따라서, 토출공간(102)으로부터 토출압 유로(331b)를 거쳐 공진 챔버(372) 내로 냉매가 유입되는 일 방향의 흐름이 형성될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 유압부(372a, 372b)에는 각각 그 체적이 증가되는 동안 냉매가 유입되고, 체적이 감소되는 동안에는 냉매가 유출되지 않고 압축될 수 있다.

본 실시예의 공진 유닛(370)은, 토출공간(102)의 냉매에 의해 형성되는 유압을 제공하므로, 상대적으로 강한 복귀력을 제공할 수 있다. 특히, 고온의 환경에서 고압의 유압이 확보되므로, 공진 유닛(370)이 제공하는 가스 스프링 상수가 높은 값으로 가변될 수 있다. 이러한 특징에 의해, 본 실시예의 공진 유닛(370)은 고온의 환경에 대응하여 운전 주파수가 높게 형성되는 운전 조건에 대응되어 공진될 수 있는 이점을 갖는다.

본 실시예에서와 같이 가스 스프링의 원리로 동작되는 공진 유닛(370)이 형성됨으로써, 본 발명의 리니어 압축기(300)는 기계적인 공진 스프링이 생략되어 왕복 방향의 전체 길이가 단축될 수 있다. 또한, 공진 유닛(370)은 가변되인 조건에 대응되는 가변적인 강성을 제공함으로써, 공진될 수 있는 주파수 범위가 더 확대되어 압축기의 효율 향상을 가능케 한다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 리니어 압축기를 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100, 200, 300: 리니어 압축기 101: 흡입공간
102: 토출공간 110: 케이싱
111: 흡입구 112: 토출구
113: 쉘 114: 캡
115: 프레임 커버 116: 토출 커버
120: 구동 유닛 121: 스테이터
122: 무버 123: 권선코일
130: 압축 유닛 131, 331: 실린더
131a, 331a: 토출밸브 132, 332: 피스톤
132a, 332a: 흡입포트 132b, 332b: 흡입밸브
135: 무버 프레임 140: 머플러
150, 250: 동흡진 유닛 151, 251: 질량체
152, 252: 탄성부재 160: 지지부재
161: 관통홀 253: 연결부재
331b: 토출압 유로 370: 공진 유닛
371: 내벽부 372: 공진 챔버
372c: 체크 밸브

Claims (11)

1. 케이싱;
   상기 케이싱의 내벽에 고정되는 스테이터와, 상기 스테이터와 이격되어 왕복 운동되도록 이루어지는 무버를 구비하는 구동 유닛;
   상기 케이싱과 고정되도록 위치되어 압축실을 형성하는 실린더와, 상기 무버와 연동되어 상기 실린더 내에서 왕복 운동되는 피스톤을 구비하여, 유체를 압축하도록 이루어지는 압축 유닛; 및
   상기 유체의 압축 시 발생되는 진동을 저감하도록 형성되고, 상기 압축 유닛과 상기 케이싱 사이에 위치되도록 이루어지는 동흡진 유닛을 포함하며,
   상기 피스톤의 변위에 따라 가변되는 유압을 발생시켜 상기 피스톤에 전달하도록 이루어지는 공진 유닛을 더 포함하며,
   상기 공진 유닛은,
   상기 실린더의 내주면에서 돌출되도록 형성되는 내벽부; 및
   상기 내벽부를 수용하도록 상기 피스톤의 외주면에서 리세스되고, 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 상기 내벽부의 양 단부에 각각 인접한 공간의 체적이 변화되도록 이루어지는 공진 챔버를 구비하는 리니어 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 피스톤 및 무버는, 상기 압축실의 체적이 최소가 되는 상사점과 상기 압축실의 체적이 최대가 되는 하사점 사이를 직선 왕복 운동하도록 이루어지며,
   상기 구동 유닛은 상기 무버의 위치에 따라 가변되고 상기 무버를 초기 위치를 향하는 방향으로 미는 복귀력을 형성하고,
   상기 복귀력은, 상기 상사점 및 하사점 중 어느 한 지점에서 최소값을 갖고, 다른 한 지점에서 최대값을 갖도록 상기 피스톤의 위치에 따라 선형으로 분포되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 동흡진 유닛은,
   상기 케이싱과 이격되도록 위치되는 질량체; 및
   상기 질량체와 상기 케이싱을 서로 연결하고, 상기 질량체의 진동을 허용하도록 탄성 재질로 형성되는 탄성부재를 구비하는 리니어 압축기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 케이싱은,
   상기 왕복 운동되는 방향으로 연장되는 원통형으로 이루어지는 쉘; 및
   상기 쉘의 일 단부를 밀폐하도록 형성되는 캡을 구비하고,
   상기 쉘은, 상기 스테이터와 탄성부재 사이의 내주면에서 돌출되도록 형성되는 돌출부를 구비하는 리니어 압축기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 돌출부와 상기 탄성부재 사이에 장착되고, 상기 왕복 운동되는 방향으로 관통 형성되는 관통홀을 구비하는 지지부재를 더 포함하는 리니어 압축기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 관통홀의 적어도 일부는 상기 압축 유닛을 향하는 상기 돌출부의 단부보다 상기 압축 유닛에 가깝도록 위치되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
7. 제3항에 있어서,
   상기 질량체는 상기 피스톤을 둘러싸도록 환형으로 형성되고, 원주 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 연통홀을 구비하는 리니어 압축기.
8. 케이싱;
   상기 케이싱의 내벽에 고정되는 스테이터와, 상기 스테이터와 이격되어 왕복 운동되도록 이루어지는 무버를 구비하는 구동 유닛;
   상기 케이싱과 고정되도록 위치되어 압축실을 형성하는 실린더와, 상기 무버와 연동되어 상기 실린더 내에서 왕복 운동되는 피스톤을 구비하여, 유체를 압축하도록 이루어지는 압축 유닛; 및
   상기 유체의 압축 시 발생되는 진동을 저감하도록 형성되고, 상기 케이싱의 내부에 상기 구동 유닛 및 압축 유닛과 각각 마주보도록 배치되는 동흡진 유닛을 포함하며,
   상기 피스톤의 변위에 따라 가변되는 유압을 발생시켜 상기 피스톤에 전달하도록 이루어지는 공진 유닛을 더 포함하며,
   상기 공진 유닛은,
   상기 실린더의 내주면에서 돌출되도록 형성되는 내벽부; 및
   상기 내벽부를 수용하도록 상기 피스톤의 외주면에서 리세스되고, 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 상기 내벽부의 양 단부에 각각 인접한 공간의 체적이 변화되도록 이루어지는 공진 챔버를 구비하는 리니어 압축기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 동흡진 유닛은,
   상기 케이싱의 내벽에서 돌출되도록 연결되는 연결부재;
   상기 연결부재에 결합되어 탄성 변형되도록 이루어지는 원판형의 탄성부재; 및
   상기 케이싱 및 연결부재와 이격되도록 상기 탄성부재에 결합되는 질량체를 구비하는 리니어 압축기.
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