KR20010029037A - 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조에 관한 것으로, 본 발명은 모터의 구동력을 전달받아 실린더의 가스 압축 공간을 직선 왕복 운동하면서 가스를 압축하는 피스톤을 포함하여 피스톤과 함께 움직이는 부품으로 구성되는 무빙 매스와, 상기 압축 공간의 가스에 의한 가스 스프링의 비선형적 특징을 보상하도록 무빙 매스의 스트로크가 증가함에 따라 강성이 증가하면서 무빙 매스를 탄성적으로 지지하는 비선형 기계 스프링을 포함하도록 구성하여 상기 무빙 매스를 지지하는 가스 스프링과 비선형 기계 스프링에서 무빙 매스의 스크로크가 증가함에 따라 강성이 감소하는 가스 스프링의 특성을 비선형 기계 스프링이 보상함으로써 전체적인 스프링력이 선형적으로 이루어지도록 하여 압축기의 제어가 정확하게 이루어질 수 있도록 한 것이다.

Description

리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조{APPARATUS FOR SUPPORTING MOVING MASS IN LINEAR COMPRESSOR}

본 발명은 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조에 관한 것으로, 특히 모터의 구동력을 전달받아 실린더내부를 왕복 운동하면서 가스를 압축하는 피스톤 및 그 피스톤과 함께 움직이는 무빙 매스의 스크로크가 증가함에 따라 그 무빙 매스를 탄성적으로 지지하는 토탈 스프링 강성을 일정하게 갖도록 하여 압축기의 제어가 정확하게 이루어질 수 있도록 한 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조에 관한 것이다.

일반적으로 냉동사이클장치를 구성하는 압축기는 증발기에서 유입되는 냉매를 압축시켜 고온고압의 상태로 토출시키게 된다. 상기 압축기의 일례로 리니어 압축기는 모터의 직선 구동력이 피스톤에 전달되어 피스톤이 실린더내부를 직선 왕복 운동하면서 냉매가스를 흡입하고 압축하게 된다.

상기 리니어 압축기는 그 일예로, 도 1에 도시한 바와 같이, 소정의 내부 공간을 갖도록 형성된 밀폐용기(1)의 내부에 프레임(10)이 탄성 지지되도록 장착되고 상기 프레임(10)에 실린더(20)가 결합된다. 그리고 상기 프레임(10)의 일측에 모터의 스테이터를 구성하는 안쪽 스테이터 조립체(30)와 바깥쪽 스테이터 조립체(31)가 소정의 간격을 두고 결합되고 상기 안쪽 스테이터 조립체(30)와 바깥쪽 스테이터 조립체(31)사이에 영구자석(32)이 직선 움직임 가능하도록 삽입되며 상기 영구자석(32)은 영구자석 홀더(33)에 장착된다. 그리고 상기 실린더(20)에 피스톤(40)이 직선 움직임 가능하도록 결합되고 그 피스톤(40)은 모터의 구동력이 전달되도록 영구자석(32)이 장착된 영구자석 홀더(33)와 연결된다. 상기 프레임(10)에 상기 영구자석 홀더(33)를 복개하도록 복개부재(50)가 결합되고 상기 피스톤(40)의 움직임을 탄성적으로 지지하는 탄성지지수단(60)이 피스톤(40)을 지지하도록 결합된다. 그리고 가스가 압축되는 실린더(20)의 압축공간(P)을 복개하도록 토출커버(70)가 결합되고 상기 토출커버(70)내에 압축된 가스를 토출시키는 토출밸브 조립체(71)가 삽입된다. 그리고 슬라이딩이 일어나는 부품에 오일을 공급하도록 프레임(10)의 하부에 오일공급장치(80)가 장착된다.

미설명 부호 41은 흡입밸브이고, 2는 흡입관이며, F는 가스유로이다.

상기한 바와 같은 리니어 압축기의 작동은 다음과 같다.

먼저, 모터에 전원이 인가되면 자속에 의한 상호작용력에 의해 영구자석(32)이 직선 왕복 운동하게 되며, 그 직선운동이 영구자석 홀더(33)를 통해 피스톤(40)에 전달되어 피스톤(40)이 탄성지지수단(60)에 의해 지지되면서 실린더(20)내부를 직선 왕복 운동하게 된다. 상기 피스톤(40)이, 도 2에 도시한 바와 같이, 하사점(a)에서 상사점(b)으로 이동하게 되면 실린더(20)의 압축공간(P)으로 흡입된 냉매 가스가 압축되면서 피스톤(40)이 상사점(b)에 이르러 토출밸브 조립체(71)가 열리면서 그 압축된 냉매 가스가 토출된다. 이어 상사점(b)에 위치한 피스톤(40)이 상사점(b)에서 하사점(a)으로 이동하게 되면 토출밸브 조립체(71)가 닫힘과 동시에 실린더 압축공간(P)으로 냉매 가스가 흡입된다. 이와 같은 과정을 반복하면서 냉매 가스를 지속적으로 압축하게 된다. 도 3은 상기 피스톤(40)이 실린더(20)내부를 직선 왕복 운동하면서 냉매 가스를 흡입하여 압축하고 토출시키는 과정에서 피스톤(40)에 작용하는 힘의 관계를 나타낸 그래프이다.

상기 과정에서 인가되는 전원에 의해 움직이는 영구자석(32) 및 영구자석 홀더(33) 그리고 피스톤(40) 등으로 구성되는 무빙 매스(Moving Mass)(M)는 전원의 주파수와 공진일 때 고효율로 운전된다.

상기 무빙 매스(M)를 탄성적으로 지지하는 것은 피스톤(40)의 양측에 위치하는 탄성지지수단(60)을 이루는 기계적 스프링(Mechanical Spring)과 실린더(20)의 압축공간(P)에서 압축되는 가스에 의한 가스 스프링(Gas Spring)을 포함하게 된다. 상기 기계적 스프링을 구성하는 탄성지지수단(60)은 코일 스프링(Coil Spring) 또는 판 스프링(Leaf Spring) 등이 사용되며 주로 사용되는 것은 코일 스프링이다. 상기 코일 스프링은, 도 4에 도시한 바와 같이, 일정한 내경을 갖도록 다수회 권선된 턴수를 가지며 그 턴(T)과 턴(T)사이의 간격인 피치(Pitch)가 일정 간격을 갖도록 형성되거나 양측이 서로 대칭인 상태로 형성된다. 이와 같은 기계적 스프링은 선형적인 특성을 지니게 되나 상기 가스 스프링은 기계적 스프링과 달리 비선형적인 특성을 지닌다.

상기 리니어 압축기의 운전 중에서, 도 5를 참조로 하여 가스 스프링의 특성을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

이 된다. 이식에서 알수 있는 바와 같이 X_o의 증가에 따라 Keq는 감소하게 된다.

따라서, 리니어 압축기의 운전 중에서 무빙 매스(M)를 지지하는 기계적 스프링 요소는, 도 6에 도시한 바와 같이, 피스톤(40)의 스트로크(Stroke)가 증가함에 따라 일정한 강성을 나타내고, 가스 스프링 요소는, 도 7에 도시한 바와 같이, 스트로크가 증가함에 따라 감소되는 강성이 나타나게 되므로 무빙 매스(M)를 지지하는 토탈 스프링력은, 도 8에 도시한 바와 같이, 감소하게 된다.

한편, 도 9는 인가 전압에 따른 스트로크의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 10은 인가 전압에 따른 피스톤(40)과 전류와의 위상차를 나타낸 그래프로, 이에 도시한 바와 같이, 실험적으로도 상기 피스톤(40)의 스트로크가 증가함에 따라 가스 스프링이 감소하여 피스톤(40)과 전류의 위상차가 바뀌게 됨을 알 수 있다.

이와 같은 요소들은 리니어 압축기의 계를 비선형적인 계(Nonlinear System)가 되도록 하는 원인이 되며 이로 인하여 압축기를 제어함에 있어 피스톤(40)의 제어가 정확하게 이루어지지 못하여 피스톤(40)이 토출밸브 조립체(71)에 충돌하게 되어 부품을 파손시키게 되거나 또는 압축 성능을 저하시키게 되는 문제점들을 유발시키게 된다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 모터의 구동력을 전달받아 실린더내부를 왕복 운동하면서 가스를 압축하는 피스톤 및 그 피스톤과 함께 움직이는 무빙 매스의 스트로크가 증가함에 따라 그 무빙 매스를 탄성적으로 지지하는 토탈 스프링 강성을 일정하게 갖도록 하여 압축기의 제어가 정확하게 이루어질 수 있도록 한 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 리니어 압축기를 도시한 단면도,

도 2는 상기 리니어 압축기의 움직임 상태를 나타낸 실린더 및 피스톤를 도시한 단면도,

도 3은 종래 리니어 압축기의 탄성지지수단을 도시한 단면도,

도 4는 상기 리니어 압축기의 흡입, 압축, 토출 과정에서 피스톤의 변위에 따라 피스톤에 가해지는 힘의 상태를 나타낸 그래프,

도 5는 상기 리니어 압축기의 가스 스프링의 특성 수식에 따른 그래프,

도 6은 상기 리니어 압축기의 스트로크에 대한 기계 스프링력의 상관 관계를 도시한 그래프,

도 7은 상기 리니어 압축기의 스트로크에 대한 가스 스프링력의 상관 관계를 도시한 그래프,

도 8은 상기 리니어 압축기의 스트로크에 대한 기계 스프링력 및 가스 스프링력을 합한 토탈 스프링력의 상관 관계를 도시한 그래프,

도 9는 상기 리니어 압축기의 인가 전압에 따른 스트로크의 변화 관계를 나타낸 그래프,

도 10은 상기 리니어 압축기의 인가 전압에 따른 피스톤과 전류와의 위상차를 나타낸 그래프,

도 11은 본 발명의 무빙 매스 지지구조가 구비된 리니어 압축기의 단면도,

도 12,13은 본 발명의 리니어 압축기 무빙 매스 지지구조의 실시예들을 개략적으로 각각 나타낸 정면도,

도 14는 본 발명의 리니어 압축기 무빙 매스 지지구조의 스트로크에 대한 토탈 스프링력의 변화를 나타낸 그래프.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

20 ; 실린더 40 ; 피스톤

90 ; 비선형 기계 스프링 M ; 무빙 매스

P ; 압축공간 T ; 턴부

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 모터의 구동력을 전달받아 실린더의 가스 압축공간을 직선 왕복 운동하면서 가스를 압축하는 피스톤을 포함하여 피스톤과 함께 움직이는 부품으로 구성되는 무빙 매스와, 상기 압축공간의 가스에 의한 가스 스프링의 비선형적 특징을 보상하도록 무빙 매스의 스트로크가 증가함에 따라 강성이 증가하면서 무빙 매스를 탄성적으로 지지하는 비선형 기계 스프링을 구비함을 특징으로 하는 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 11은 본 발명의 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조가 구비된 리니어 압축기의 일례를 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 상기 리니어 압축기는 밀폐용기(1)의 내부에 소정 형상을 갖는 프레임(10)이 탄지되도록 장착되고 상기 프레임(10)에 실린더(20)가 결합된다. 그리고 상기 프레임(10)에 모터의 스테이터를 구성하는 안쪽 스테이터 조립체(30)와 바깥쪽 스테이터 조립체(31)가 소정의 간격을 두고 결합되고 상기 안쪽 스테이터 조립체(30)와 바깥쪽 스테이터 조립체(31)사이에 영구자석(32)이 직선 움직임 가능하도록 삽입되며 상기 영구자석(32)은 영구자석 홀더(33)에 장착된다. 그리고 상기 실린더(20)내부의 압축공간(P)에 직선 운동 가능하도록 피스톤(40)이 삽입되고 상기 피스톤(40)은 영구자석 홀더(33)에 연결된다. 상기 피스톤(40)은 모터에 전원이 인가됨에 따라 움직이는 영구자석(32)의 움직임을 영구자석 홀더(33)를 통해 전달받게 되고 그 영구자석(32) 및 영구자석 홀더(33) 그리고 피스톤(40)은 무빙 매스(M)를 구성하게 된다. 그리고 상기 압축공간(P)의 가스에 의한 가스 스프링의 비선형적 특징을 보상하도록 무빙 매스(M)의 스트로크, 즉 피스톤(40)의 스트로크가 증가함에 따라 강성이 증가하면서 무빙 매스(M)를 탄성적으로 지지하는 비선형 기계 스프링(90)이 장착된다. 상기 실린더(20)의 압축공간(P)에서 피스톤(40)이 직선 왕복 운동하면서 가스를 흡입, 압축, 토출시키는 과정에서 피스톤(40)에 작용하는 가스 스프링력은 스트로크가 증가함에 따라 감소하게 되는 비선형적인 특성을 가지게 된다.

상기 비선형 기계 스프링(90)의 일례로, 도 12에 도시한 바와 같이, 와이어가 일정 내경을 갖도록 다수회 권선되어 형성된 다수개의 턴부(T)들의 간격이 비례적으로 감소 또는 증가하도록 형성된 비등간격 코일 스프링으로 이루어진다. 상기 비등간격 코일 스프링의 턴부(T)들의 간격, 즉 턴부(T)의 피치가 증가 또는 감소하게 되므로 외력이 작용하여 변위가 커질 경우 그 강성이 증가하게 된다.

또한, 상기 비선형 기계 스프링(90)의 다른 실시예로, 도 13에 도시한 바와 같이, 와이어가 다수회 권선되어 형성된 다수개의 턴부(T)들의 내경이 감소 또는 증가하도록 형성된 원추형 코일 스프링으로 이루어진다. 상기 원추형 코일 스프링은 일정 길이를 가지며 그 양단의 내경이 다르게 형성된다. 이에 따라 원추형 코일 스프링에 외력이 작용하여 변위가 커질 경우 그 강성이 증가하게 된다.

또한, 상기 비선형 기계 스프링의 다른 실시예로 내경이 일정하도록 다수회 권선되어 다수개의 턴부들로 형성된 코일 스프링의 와이어 직경이 비례적으로 커지거나 작아지도록 형성된다. 이와 같은 경우 코일 스프링에 외력이 작용하여 변위가 커질 경우 그 강성이 증가하게 된다.

그리고 상기 실린더(20)의 일측을 복개하도록 토출커버(70)가 결합되고 상기 토출커버(70)내에 압축된 가스를 토출시키는 토출밸브 조립체(71)가 삽입되며 상기 프레임(10)의 일측에 오일을 공급하는 오일공급장치(80)가 장착된다.

미설명 부호 41은 흡입밸브이고, 2는 흡입관이며, F는 가스유로이다.

이하, 본 발명의 리니어 압축기 무빙 매스 지지구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 모터에 전원이 인가되면 자속에 의한 상호작용력에 의해 영구자석(32)이 직선 왕복 운동하게 되며, 그 직선운동이 영구자석 홀더(33)를 통해 피스톤(40)에 전달되면서 피스톤(40)이 실린더(20)내부의 압축공간(P)을 직선 왕복 운동하게 된다. 상기 피스톤(40)이 실린더(20)의 압축공간(P)을 직선 왕복 운동하면서, 즉 상사점(b)과 하사점(a)사이를 반복적으로 왕복 운동하면서 토출밸브 조립체(71)의 개폐와 함께 가스를 흡입, 압축, 토출시키는 과정을 반복하게 된다.

상기 과정에서 전원이 공급됨에 따라 움직이는 영구자석(32) 및 영구자석 홀더(33) 그리고 피스톤(40) 등으로 구성되는 무빙 매스(M)는 피스톤(40)이 실린더(20)의 압축공간(P)에서 움직이면서 가스에 의해 유도되는 가스 스프링과 비선형 기계 스프링(90)에 의해 탄성적으로 지지된다.

상기 가스 스프링은 위에서 설명한 바와 같이 무빙 매스(M)의 스트로크가 증가함에 따라 강성이 감소하는 특성을 지니게 된다.

그리고 상기 비선형 기계 스프링(90)은, 도 14에 도시한 바와 같이, 스트로크가 증가할수록 강성이 증가하는 특성을 지니게 된다. 즉, 상기 비선형 기계 스프링(90)의 일례로 비등간격 코일 스프링의 경우 턴부(T)들의 간격이 일정하지 않게 되므로 변위가 증가할수록 강성이 강해지게 된다. 또한 비선형 기계 스프링(90)의 다른 일례로 원추형 코일 스프링의 경우 내경 또는 외경이 서로 다르게 되므로 변위가 증가할수록 강성이 강해지게 된다.

따라서 상기 무빙 매스(M)를 지지하는 가스 스프링과 비선형 기계 스프링(90)의 토탈 스프링력은 무빙 매스(M)의 스트로크가 증가할수록 선형적으로 강성이 증가하면서 무빙 매스(M)를 지지하게 되므로 압축기, 즉 무빙 매스(M)의 제어가 정확하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조는 모터에서 발생되는 구동력을 전달받아 왕복 운동하면서 가스를 압축하는 피스톤 및 그 피스톤과 함께 움직이는 부품으로 구성되는 무빙 매스를 지지하는 가스 스프링과 비선형 기계 스프링중에서 무빙 매스의 스트로크가 증가할수록 강성이 감소하는 특성을 비선형 기계 스프링이 보상하도록 하여 무빙 매스를 지지하는 토탈 스프링력이 무빙 매스의 스트로크가 증가할수록 선형적으로 변하게 됨으로써 압축기의 제어가 정확하게 되어 부품의 과작동으로 인한 충돌로 부품이 파손되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 압축 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 모터의 구동력을 전달받아 실린더의 가스 압축공간을 직선 왕복 운동하면서 가스를 압축하는 피스톤을 포함하여 피스톤과 함께 움직이는 부품으로 구성되는 무빙 매스와, 상기 압축공간의 가스에 의한 가스 스프링의 비선형적 특징을 보상하도록 무빙 매스의 스트로크가 증가함에 따라 강성이 증가하면서 무빙 매스를 탄성적으로 지지하는 비선형 기계 스프링을 구비함을 특징으로 하는 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 비선형 기계 스프링은 와이어가 일정 내경을 갖도록 다수회 권선되어 형성된 다수개의 턴부들의 간격이 비례적으로 감소 또는 증가하도록 형성된 비등간격 코일 스프링으로 이루어짐을 특징으로 하는 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 비선형 기계 스프링은 와이어가 다수회 권선되어 형성된 다수개의 턴부들의 내경이 감소 또는 증가하도록 형성된 원추형 코일 스프링으로 이루어짐을 특징으로 하는 리니어 압축기의 무빙 매스 지지구조.