KR20020047257A

KR20020047257A - 리니어 압축기

Info

Publication number: KR20020047257A
Application number: KR1020027005108A
Authority: KR
Inventors: 린드시 잭 로케; 이안 캠프벨 맥길; 제랄드 데이비드 던캔; 윌리암 죠지 퍼거슨; 앤드류 폴 테일러
Original assignee: 윌리엄 린드세이 길랜더즈; 피셔 앤 페이켈 리미티드
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-06-21
Also published as: US6966761B1; BR0017489B1; CN1721699A; CR6624A; WO2001029444A1; EP1947334A2; EP1947333A3; CN100523497C; US7247007B2; AR030032A1; MXPA02003877A; US20050158193A1; CN1384905A; NZ500681A; BR0014947A; AU759760B2; CN1721698A; EP1947333A2; KR100808528B1; JP2003512581A

Abstract

리니어 압축기를 위한 스프링(50)은 제 1 본체에 체결하기 위한 한 쌍의 제 1 장착 포인트(54)를 가지고 있다. 스프링(50)은 제 1 본체에 대하여 왕복가능한 제 2 본체에 체결하기 위한 적어도 하나의 제 2 장착 포인트를 가지고 있다. 스프링 아암부(52)는 제 2 장착 포인트(52)를 지나 각각의 제 1 장착 포인트(54) 사이의 경로를 연결한다. 바람직한 실시예에서, 제 1 장착 포인트(54)와 제 2 장착 포인트(52) 사이에서 뻗어 있는 스프링 아암부(53)의 섹션은 대체로 일정한 곡률 반경의 구간부를 포함한다. 스프링(50)은 제작시 요구되는 공정의 수를 줄이는데 필요한 형상으로 굽혀져 있는 어느 길이의 높은 피로 강도의 와이어로 구성된다.

Description

리니어 압축기{LINEAR COMPRESSOR}

압축기, 특히 냉동기 압축기는 전통적으로 회전식 전기 모터에 의해 구동된다. 그렇지만, 이러한 압축기의 가장 효율적인 형태에 있어서 조차도, 회전 운동을 직선 왕복 운동으로 변환하는 크랭크 시스템과 관련하여 상당한 손실이 있게 된다. 그 대안으로서, 크랭크를 필요로 하지 않는 회전 압축기가 사용될 수 있지만 반면에 높은 구심성 부하가 있게 되고, 이 부하로 인해 상당한 마찰 손실이 야기된다. 리니어 모터에 의해 구동되는 리니어 압축기에서는 이러한 손실이 없을 수도 있고, 미국특허 제5,525,845호에 개시되어 있는 바와 같은 공기 정역학적 가스 베어링의 사용을 허용할 정도로 충분히 낮은 베어링 부하를 가지도록 설계될 수 있고, 여기에서 가로방향으로 유연한 커넥팅 로드는 이러한 낮은 베어링 부하를 고려하고 있다.

공기 정역학적 가스 베어링에 대해서는, 1970년 런던에서, The Machinery Publishing Company Limited에 의해 발행된, J W Powell 저술의, "Design of Aerostatic Bearings"에서 논의되어 있다. 그렇지만, 보통의 제조 공차 및 장비로서는 효율적인 가스 베어링의 생산이 용이하지 않다.

종래의 압축기는, 사용시 냉매 가스의 저장소로서 기능하는 밀봉형 하우징 내부에 장착된다. 냉매 가스는 이 저장소로부터 압축기 내로 인도되고 이 압축기로부터 뻗어 있는 배출관, 하우징을 통하여 배출된다.

압축기의 작동은 가동 부분의 왕복운동을 수반하게 되고 3축 전부에서 압축기 유닛의 진동을 일으킨다. 이러한 진동의 외부 소음 효과를 감소시키기 위해서, 압축기는 밀봉된 하우징 내부의 차단 스프링 상에 장착된다.

리니어 압축기에 있어서는, 피스톤은 단지 1축에서만 실린더에 대하여 진동하고, 그에 따르는 반력을, 어느 하나의 부분이 고정되어 있다면 고정되어 있는 부분 상에, 가한다. 이러한 문제점에 대해 제안된 하나의 해결수단은, 균형잡힌 그리고 대향한 구성의 한 쌍의 압축기를 동시에 작동시키는 것이다. 그렇지만, 이러한 설비는 가정용 냉동기와 같은 생활용품으로서는 너무 복잡하고 고가이다. 제안된 다른 해결수단은, 진동을 감소시키기 위해서 공진 균형추를 추가하는 것이다. 그렇지만, 이러한 접근방식은 균형추가 네거티브 피드백 장치이고 기본적인 불평형력에 한정되기 때문에 압축기의 작동을 제한한다. 또 다른 해결수단은 1990년 Massachusetts의 Plymouth에서 개최된 제6차 International Cryocooler Conference에서의 Gully 및 Hanes의 "Vibration characteristics of small rotary and linear cryogenic coolers for IR systems"에 제안되어 있다. 이 해결수단은 하우징 내부에서 압축기의 피스톤 부분과 실린더 부분을 독립적으로 지지하는 것을 포함하고 그래서 "고정자는 균형추로서 기능한다". 그렇지만 가정용 냉동기에 이러한 설계를 시행하는데 있어서 피스톤 질량이 작은 경우 문제가 있게 된다. 이와 같은 압축기에 있어서, 배출 압력이 증가함에 따라, 압축 가스의 힘은, 배출 압력이 증가함에 따라 작동 속도를 증가시키는 스프링("가스 스프링")으로서 기능한다. 이것은, "제 3" 진동 모드(여기에서 피스톤과 실린더는 서로에 대해서는 동일한 위상으로 그러나 압축기 쉘에 대해서는 상이한 위상으로 진동한다)가, 바람직한 "제 2" 모드(여기에서 쉘은 진동하지 않고 피스톤과 실린더는 상이한 위상이다)보다 아주 약간만 높기 때문에, 문제가 된다. 그래서 쉘은 "가스 스프링"이 작동을 시작하여 "제 2" 모드 주파수를 "제 3" 모드로, 그리고 결국은 "제 3" 모드 위로 효과적으로 상승시킴에 따라 과도하게 진동하기 시작한다.

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 냉동기에서 뿐만 아니라 다른 용도에서도 사용될 수 있는 리니어 압축기에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도,

도 2는 도 1의 리니어 압축기를 위한 메인 스프링의 평면도,

도 3은 도 1의 리니어 압축기를 위한 메인 스프링의 다른 실시예의 평면도,

도 4는 도 1의 압축기의 메인 스프링의 바람직한 실시예의 사시도,

도 5는 도 4의 메인 스프링의 다른 방향에서의 사시도,

도 6은 본 발명의 바람직한 한 형태에 따른 실린더 라이너의 사시도,

도 7은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 실린더 라이너의 사시도.

본 발명의 목적은 상기의 결점을 극복하는 콤팩트한 리니어 압축기를 제공하는 것이다.

이에 따라 제 1 태양에 있어서의 본 발명은:

실린더 부분,

피스톤 부분,

상기 실린더 부분과 상기 피스톤 부분 사이를 연결하고, 상기 실린더 부분에 대한 상기 피스톤 부분의 왕복운동 방향으로 작동하는 메인 스프링,

밀봉 하우징,

상기 실린더 부분과 상기 피스톤 부분 사이에서의 작동을 위해 배열된 리니어 전기 모터,

상기 실린더 부분과 상기 하우징 부분 사이를 연결하고, 상기 왕복운동 방향으로 작동하는 실린더 부분 스프링 수단; 및

상기 피스톤 부분과 상기 하우징 사이를 연결하고, 상기 왕복운동 방향으로 탄성적으로 작동하는 피스톤 부분 스프링 수단을 포함하고, 상기 피스톤 부분 스프링 수단은 상기 피스톤 부분 질량에 대한 상기 실린더 부분 질량의 분수의 곱인 스프링 상수를 가지고 있다.

또 다른 태양에 있어서의 본 발명은 제 1 본체에의 체결을 위한 한 쌍의 제 1 장착 포인트, 상기 제 1 본체에 대하여 왕복가능한 제 2 본체에의 체결을 위한 적어도 하나의 제 2 장착 포인트, 그리고 상기 제 2 장착 포인트를 지나 상기 제 1 장착 포인트 사이의 경로를 연결하는 스프링 아암부, 상기 제 1 장착 포인트의 하나 둘레의 만곡부를 가지고 있는 적어도 제 1 섹션과 또 하나의 상기 제 1 장착 포인트 둘레의 만곡부를 가지고 있는 제 2 섹션을 가지고 있는 (특히 리니어 압축기에 적합한) 스프링으로 구성되고, 상기 제 1 섹션 및 상기 제 2 섹션은 상기 제 2 장착 포인트에서 상기 제 1 장착 포인트 사이에서 만난다.

또 다른 태양에 있어서의 본 발명은 피스톤 부분과, 서로에 대하여 왕복가능한 실린더 부분, 그리고 상기 피스톤 부분과 상기 실린더 부분 사이를 연결하는 상술한 바와 같은 메인 스프링을 가지고 있는 리니어 압축기로 구성된다.

또 다른 태양에 있어서의 본 발명은;

헤드, 실린더, 그리고 상기 실린더 내부의 실린더 라이너를 포함하고, 관통하는 보어 및 상기 보어 내까지 상기 실린더 라이너를 관통하는 개구부를 가지고있는 실린더 부분,

피스톤 부분,

상기 피스톤 부분 및 상기 실린더 부분 사이에서 작동하도록 구성된 리니어 모터,

상기 실린더 부분 및 상기 피스톤 부분 사이를 연결하고, 상기 실린더 부분에 대한 상기 피스톤 부분의 왕복운동 방향으로 작동하는 메인 스프링,

상기 압축기에 의해 압축된 공급 가스를 수용하도록 되어 있는 가스 베어링 매니폴드, 및

상기 실린더 및 상기 실린더 라이너 사이에 형성되어 있고 상기 매니폴드로부터 가스를 수용하며, 상기 실린더 라이너의 벽을 통해서 상기 개구부까지 이르는 가스 베어링 통로로 구성되고,

상기 피스톤 부분은 반경방향으로는 유연하지만 축방향으로는 강성인 연동부 및 피스톤을 포함하고, 상기 연동부는 상기 피스톤 및 상기 메인 스프링 사이를 연결하고, 상기 피스톤은 상기 실린더 라이너의 상기 보어 내부에서 운동한다.

본 발명의 당업자에게는, 청구의 범위에 기재되어 있는 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서, 구성에 있어서의 다양한 변경과 본 발명의 상이한 실시 및 응용이 가능하다. 여기에서의 개시 및 설명은 단지 예시적인 것이고 여기에 한정하고자 하는 의도는 아니다.

도 1에 도시되어 있는 본 발명의 실시예는 왕복 자유 피스톤 압축기에 연결되어 있는 영구 자석 리니어 모터를 포함하고 있다. 실린더(9)는 압축기 쉘(30) 내부에서 실린더 스프링(14) 및 배출 튜브(18)에 의해 지지된다. 피스톤(11)은 실린더 보어에 의해 형성된 베어링과, 스프링 장착부(25)를 통하여 피스톤 스프링(13)에 의해 반경방향으로 지지된다. 메인 스프링(15)은 피스톤 부분(11)과 실린더 부분(9) 사이를 연결한다. 전체 왕복 운동은 피스톤(11)과 실린더(9)의 운동의 합계이다.

이러한 왕복 운동은 흡입 튜브(12), 흡입 포트(26), 흡입 머플러(20) 및 밸브 플레이트(21)의 흡입 밸브 포트(24)를 통하여 가스를 압축 공간(28) 내로 인도한다. 그리고 나서 압축 가스는 배출 밸브 포트(23)를 통과하고, 배출 머플러(19)에서 소음이 제거되고, 배출 튜브(18)를 통하여 빠져 나간다.

실린더(9)는 배출 튜브(18)와, 축방향으로 결합 강성 ｋ_cylinder를 가지고 있는실린더 스프링(14)에 의해 지지된다. 피스톤(11)은 이하에서 설명되는 가스 베어링에 의해 반경방향으로 지지된다. 피스톤과 실린더의 공진 진동을 얻기 위해서 메인 스프링은 강성 ｋ_main을 가지고 있고, 공진 주파수 ｆ_n은 이하의 관계식으로부터 추정될 수 있다,

여기에서 ｍ_piston, ｍ_cylinder는 피스톤 및 실린더 스프링의 스프링 질량이고, ｆ_n은 압축 가스, 실린더 스프링(14, 18), 및 피스톤 스프링(13)의 강성으로 인한 주파수에 있어서의 증가를 고려하여 소정의 작동 주파수보다 통상 10 내지 20 ㎐ 낮다. 피스톤 스프링의 강성 ｋ_piston은 아래의 관계식에 따라 선택된다.

스프링력은 로드 끝부(25)를 통하여 그리고 반경방향으로 유연한 피스톤 로드(24)를 통하여 피스톤에 전달된다. 전자기력은 바이폴러 자석(22)으로부터 피스톤 플랜지(7)를 통하여 피스톤에 전달된다. 이 자석들은 서로에 그리고 피스톤 플랜지(7)에 접합되어 있다.

압축기 모터는 2개 부분의 고정자(5, 6)와, 전기자(22)를 포함한다. 고정자(5, 6)와 전기자(22)의 자기적인 상호작용은 (플랜지(7)에 의해 전기자에 부착된) 피스톤(11) 상에 왕복력을 일으킨다.

코일(1, 2)에서의 진동 전류는, 반드시 사인 곡선일 필요는 없으며, 진동 주파수가 기계 시스템의 고유 공진 주파수에 가까운 경우, 실린더(9)에 대한 피스톤(11)의 실질적인 운동을 일으킨다. 이 진동력은 고정자 부분 상에 반력을 일으킨다. 그러므로, 고정자(6)는 접착제, 가열 끼워맞춤 또는 클램프 등에 의해 실린더(9)에 강고하게 부착되어야 한다. 백 아이언(back iron)은 고정자 장착부(17)에 클램핑되거나 접착된다.

또한 고정자 장착부(17)는 메인 스프링(15)의 외측 끝부를 클램핑하고 또한 상대적으로 약한 외측 고정자를 둥글게 유지하고 내측 고정자와 동심상태를 유지한다. 전체 압축기 조립체는 압축기 쉘(30) 내부에 밀봉되어 있다.

본 발명에 있어서, 메인 스프링(15)은 효과적인 실린더 스프링 및 피스톤 스프링의 강성보다 더 큰 강성을 가지는 것이 제안되어 있다. 이 "메인 스프링"은 "제 2" 모드 주파수를 "제 3" 모드 주파수 위로 상승시키고 그래서 "가스 스프링"은 이후에 모드 주파수를 단지 분리하기만 한다.

실제 작동 주파수("제 2" 모드 주파수)는 피스톤 및 실린더 질량의 복잡한 관계식에 의해 그리고 피스톤 스프링, 실린더 스프링, 및 메인 스프링(15)의 강성에 의해 결정된다. 또한 배출 압력이 높을 경우 압축 가스의 강성은 메인 스프링의 강성에 더해져야만 한다. 그렇지만, 실린더 스프링은 꽤 연하기 때문에(즉 메인 스프링의 1/100의 강성), 작동 주파수는 상당히 정확하게 아래의 관계식에 의해구해진다:

피스톤/실린더 운동에 기인하는 기본적인 소스로부터 외의 다른 소스에 기인하는 외부 진동은 진동 질량을 줄임으로써 그리고 피스톤 및 실린더 스프링이 비교적 연성이 되게 보장함으로써 거의 제거될 수 있다. 실린더 스프링의 강성은 실린더 스프링을 전혀 갖지 않음으로써 그리고 배출 튜브(18)의 고유 강성(대략 1000N/m 로부터)(또는 냉각 튜브가 사용되는 경우 배출 튜브 및 냉각 튜브의 강성은 결합되어 2000N/m로 된다)을 사용함으로써 최소한으로 감소될 수 있다. 이것은 피스톤 스프링의 강성은 아래의 식으로 된다는 것을 의미한다:

이 식에서 10 대 1의 실린더 대 피스톤의 질량비는 아주 유연한(대략 100 내지 200Ｎ/ｍ) 피스톤 스프링을 제공한다.

압축기가 대략 75㎐에서 공진하기 위해서는, 대략 100ｇ의 스프링 질량과 10대 1의 실린더 대 피스톤의 질량비, 메인 스프링의 강성 ｋ_main은 약 20000Ｎ/ｍ일 필요가 있다. 전형적으로 가스 스프링의 값은 메인 스프링의 값보다 낮지만 크게 낮지는 않다. 상기의 경우에 작동 주파수는 99㎐일 것으로 예상되고 가스 스프링의 ｋ_gas는 약 15000Ｎ/ｍ이다.

피스톤(11)은 공기 정역학적 가스 베어링에 의해 실린더 내부에 반경방향으로 지지된다.

압축기의 실린더 부분은 실린더(9)를 포함하고 있고 이 실린더는 실린더를 관통하는 보어와 보어 내부의 실린더 라이너(10)를 가지고 있다. 실린더 라이너(10)는 피스톤 마멸을 줄이는 적당한 재료로 제작될 수 있다. 예컨대, 15％ PTFE(바람직함)의 탄소 섬유 강화 나일론과 같은 섬유 강화 플라스틱 합성물로 형성될 수도 있고, 또는 그 흑연 박편의 자체 윤활 효과를 가지는 주철일 수도 있다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 실린더 라이너(10)는 라이너를 관통하는 개구부(31)를 가지고 있고, 이 개구부는 라이너의 외측 실린더 표면(70)으로부터 라이너의 내측 보어(71)까지 뻗어 있다. 피스톤(11)은 내측 보어(71) 내에서 주행하고, 이 개구부(31)는 가스 베어링을 형성한다. 공급 압축 가스는 일련의 가스 베어링 통로(8)에 의해 개구부(31)에 공급된다. 가스 베어링 통로(8)는 그 다른 쪽 끝부에서 가스 베어링 공급 매니폴드(16)에 개방되어 있고, 이 매니폴드는 라이너(10)와 실린더(9) 사이의 통로의 헤드 끝부에서 실린더 라이너(10) 둘레에 환형 챔버로서 형성되어 있다. 가스 베어링 공급 매니폴드(16)는 압축기 헤드의 압축 가스 매니폴드(20)를 통해서 그리고 작은 공급 통로(73)를 통해서 차례차례 공급받는다. 공급 통로(73)의 작은 크기는 베어링 공급 매니폴드(16)에 있어서의 압력을 제어하고, 그래서 가스 베어링의 가스 소비를 제한한다.

가스 베어링 통로(8)는 실린더의 보어(74) 또는 실린더 라이너의 외벽(70)에서의 홈(80 또는 81)으로서 형성되어 있다. 이 홈(80 또는 81)은 실린더 또는 실린더 라이너와 함께 결합하여 개구부(31)까지 이르는 폐쇄 통로(8)를 형성한다.이 홈은 양쪽 부분에 제공될 수도 있지만, 실린더 부분보다는, 홈이 내측면이 아니라 외측면에 나 있는 라이너 부분에 보다 용이하게 형성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 통로를 드릴가공 또는 보링가공하는 것이 아니라 한 부분 또는 다른 부분의 표면에 홈을 기계가공할 수 있다는 것은 상당한 제작상에 있어서 향상된 것이다.

가스 베어링에서의 압력 강하는 피스톤과 실린더 라이너의 보어 사이의 배출류에서의 압력 강하와 유사할 필요가 있다는 사실이 밝혀져 있다. 피스톤(11)과 실린더 라이너 보어(71) 사이의 갭은 (효율적인 콤팩트한 압축기를 위해) 단지 10 내지 15 마이크론이고, 통로(8)의 국부적인 치수는, 예컨대 40 마이크론의 깊이와 120 마이크론의 폭으로 아주 작을 필요가 있다. 이러한 작은 치수는 제작을 어렵게 한다.

그렇지만, 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 통로(8)의 길이를 증가시켜서 국부적인 면적 또한 증가될 수 있기 때문에 보다 용이하게 이러한 조건에 맞출 수 있다. 보다 먼저의 실시예를 취하면, 치수는 70 마이크론의 깊이와 200 마이크론의 폭으로 된다. 이것은 라이너 부분(10)의 표면 또는 실린더 부분(9)의 표면에 임의의 적당한 형상의 홈(80 또는 81)을 형성하고 다른 부분과 결합하여 통로(8)를 형성하는데 있어서 유리하다. 이 홈은 임의의 경로를 가지도록 형성될 수 있고, 꾸불꾸불한 경로가 선택되면, 홈의 길이는 가스 베어링 공급 매니폴드 및 각각의 가스 베어링 형성 개구부로부터의 직선 경로보다 상당히 길어질 수 있다. 2가지의 가능한 선택사양이 도 6 및 도 7에 도시되어 있고, 그각각은 헬리컬 경로(80)와 꾸불꾸불한 경로(81)이다. 각 경로의 길이는 통로의 바람직한 국지적인 영역에 따라서 선택되고, 용이한 제작(기계가공 또는 정밀 성형과 같은 가능한 다른 형태의 가공)을 위해 선택될 수 있다.

보다 높은 작동 주파수는 모터 크기를 감소시키지만, 보다 큰 스프링 강성을 필요로 하고 결과적으로 스프링에서의 보다 큰 응력을 필요로 한다. 그래서, 고품질의 스프링 재료가 사용되는 것은 압축기 수명을 위해서 중요하다. 종래의 리니어 압축기에 있어서는, 프레스가공된 스프링강 시트로 만들어진 메인 스프링이 자주 사용되었다. 그렇지만, 프레스 가공에서 절단된 가장자리는 스프링강 시트의 본래의 강도를 회복하기 위해서 철저한 폴리싱가공을 필요로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 메인 스프링은 원형 단면의 피아노선으로 형성된다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 이것은 감겨져서 스파이럴 스프링(15)을 형성할 수 있다. 이 스파이럴 스프링(15)은 한 쌍의 스파이럴 아암부(50, 51)를 가지고 있고, 이 아암부는 180도 어긋나 있어서 각 아암부의 경로는 다른 아암부의 인접하는 감김부 사이에 있게 된다. 피스톤 장착 포인트(52)는 중심의 연결 브릿지(53)에 있고, 스프링의 각 아암부에 대한 실린더 장착 포인트(54)는 아암부의 외측 끝부에 있다.

피아노선의 아주 높은 피로 강도가 효과적으로 활용되고 수반되는 폴리싱 작업이 필요없게 된다. 가로방향의 강성의 증가가 요구되면, 피아노선은 타원 섹션을 제공하기 위해 10%정도 변형될 수 있다. 메인 스프링의 부착을 간단히 하기 위해 사각 단면의 와이어가 사용될 수도 있고, 또는 스프링의 연결 끝부는 도시되어있는 바와 같이 평평해진 형상으로 스탬핑될 수 있다.

그렇지만, 메인 스프링의 대안적인 그리고 바람직한 실시예는 도 3에 도시되어 있다. 이 스프링은 피아노선으로부터 형성될 수 있고 높은 피로 강도를 이용한다.

도 3에 있어서, 스프링(59)은 압축기 부분(실린더 부분)의 하나에 장착하기 위한 한 쌍의 장착 포인트(60, 61)와 다른 압축기 부분(피스톤 부분)에 장착하기 위한 중앙의 장착 포인트(62)를 포함하고 있다. 스프링(59)은 대체로 일정한 곡률 반경의 한 쌍의 만곡 섹션(63, 64)을 포함하고 있고, 이 각 만곡 섹션의 중심은 각 실린더 장착 포인트(60, 61) 상에 있게 된다. 이 만곡 섹션은 피스톤 장착 포인트(62)에서 접선식으로 만나게 된다. 각 만곡 섹션은 만곡 섹션의 다른 끝부(65, 66)에서 부드럽게 만곡하여 실린더 장착 포인트에서 반경방향으로 정렬(67, 68)된다. 이 예리한 만곡부(65, 66)는 전환부를 따라 대체로 균일한 응력 분포를 유지하도록 선택되는 것이 바람직하다. 실린더 장착 끝부(67, 68)를 정렬시키는데 있어서는 실린더 장착 포인트(60, 61) 사이에서 직선상으로 정렬시키는 것이 바람직하다. 스프링이 차지하고 있는 전체 공간에 대하여 최상의 성능을 얻기 위해서, 스프링(59)의 일정한 곡률부(63, 64)는 가능한 한 길다. 따라서, 일정한 곡률부는 피스톤 장착 포인트(62)로부터 대략 325도까지 뻗어 있고, 그 후 실린더 장착 포인트(60 또는 61)까지 각각 보다 예리하게 만곡한다. 이러한 형상은 스프링부가 간섭을 가까스로 피하게 한다. 전체 스프링은 비록 가로지르지는 않지만 대략 8자 형상을 나타낸다.

일정한 반경의 만곡부(63, 64)는 실린더 장착 포인트(60, 61)에 대하여 피스톤 장착 포인트(62)의 (평면을 벗어나는) 변위에 의해 비틀림 상태에 있게 된다. 반경이 일정하기 때문에 각각의 섹션(60, 61)을 따라서의 비틀림 응력 또한 대체로 일정하다. 실린더 장착 섹션(67, 68)에서의 반경방향, 또는 대체로 반경방향으로의 향함은 실린더 장착부에서 비틀림 응력을 감소시키고 실린더 부분으로의 스프링(59)의 장착성을 향상시킨다. 높은 비틀림 응력을 가지고 있는 스프링의 부분에서의 피스톤 부분의 중앙 장착 포인트(62)는, 스프링 아암부를 포위하고 장착 중의 스프링 아암부 내부의 운동을 고려하도록 탄성(예, 고무) 부트(boot)를 가지도록 장착이 행해지기 때문에, 장착을 아주 복잡하게 하지는 않는다. 장착 중의 스프링 아암부의 운동은 주기적이고, 스프링(이 스프링은 180도 회전대칭이다)의 대칭성과 주기적인 힘에 기인하여, 그러한 장착이 스프링 아암부를 따라서 변형 또는 어긋나지 않아야 한다. 이 스프링 구성은 스탬핑 플레이트 접근방식보다는 와이어 형성 접근방식을 통합하기 위해 특히 개발되었다는 것을 주목해야 한다. 그렇지만, (이하에 언급되는 보다 복잡한 실시예에서의 제한사항에 종속되는) 이러한 기하학적 형태의 스프링은 스탬핑 플레이트 방법을 사용하여 또한 제작될 수 있지만, 일부 유리한 점(예: 일정한 응력은 일정한 단면의 와이어에 특히 적합하다는 점)이 인식되지 않을 수도 있다.

이 스프링의 변경은 본 발명의 사상을 일탈하지 않으면서 또한 가능하다는 사실을 이해해야 한다. 특히, 스프링 아암부가 압축기 장착부에서 압축기 장착부 사이의 라인에 수직이 되도록 스프링이 형성된다면, 제 1 루프의 아래 또는 위에,다른 압축기 장착부 뒤에 같은 루프를 계속 형성한다. 물론 이 루프는 첫번째 것 아래 또는 위에 제 2 피스톤 연결 포인트를 가질 수도 있다. 다른 압축기 연결 포인트에서 끝부는 만날 수 있고, 또는 그 대안으로써 이 제 2 루프는, 제 2 루프 아래(또는 필요하다면 위에), 제 1 압축기 장착 포인트(또는 적어도 장착 포인트 바로 위 아래에) 연결 포인트를 지나서 제 3 루프를 형성하도록 계속될 수도 있다. 이러한 일련의 루프는 소정의 스프링 상수를 얻는데 필요한 만큼의 루프를 포함하도록 계속될 수 있다. 명백하게 이것은 스탬핑 플레이트 방법에 의해서는 구성될 수 없는 평면 스프링 구성이다.

그렇지만, 메인 스프링에 대한 가장 바람직한 실시예는 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.

가장 바람직한 실시예에서, 메인 스프링은 평면 스프링과는 다른 형태를 가지고 있다. 도 3의 스프링의 개념적인 특징을 많이 보유하고 있고 그러므로 유사한 특징임이 명백한 부분에는 동일한 참조부호가 사용되었다.

스프링(15)은 압축기 부분의 하나, 예컨대 실린더 부분에 장착하기 위한 한 쌍의 자유 끝부를 가지고 있다. 스프링(15)은 다른 압축기 부분, 예컨대 피스톤 부분에 장착하기 위한 추가의 장착 포인트를 가지고 있다.

스프링(15)은 각각의 장착 끝부를 돌아서 각각 통과하는 대체로 일정한 곡률 반경의 한 쌍의 만곡 섹션(63, 64)을 포함하고 있다. 이들 만곡 섹션의 각각은 대략 360°의 범위에 걸쳐 뻗어 있다. 각 섹션은 그 양 끝부에서 부드럽게 만곡한다. 이 섹션의 양 끝부(65, 66)에서 그것들은 실린더 장착 끝부에서의 구간(67,68)이 반경방향으로 정렬되도록 만곡한다. 이러한 보다 예리한 만곡부(65, 66)는 전환부를 따라 대체로 균일한 응력 분포를 유지하도록 선택된다. 도 4 및 도 5의 스프링(15)은 스프링(15)의 일정한 곡률부(63, 64)는 임의의 범위로 될 수도 있다는 점에서 도 3의 스프링(59)을 향상시킨 것이다. 도시된 예에서, 그것들은 각각 대략 360도 범위이다.

도 4 및 도 5에 도시되어 있는 방식에서, 스프링(15)의 장착 포인트(60, 61)는 스프링의 위쪽에 있다. 중앙의 장착 포인트(62)는 스프링의 아래쪽에 있다. 일정한 만곡부(63, 64) 각각은 그 아래쪽의 끝부에서 부드럽게 만곡하여 장착 포인트(62)에서는 스프링의 일반 원을 가로질러 서로 반경방향으로 정렬 및 연속되어 있다. 이러한 직경부의 정렬은 실린더부 장착 포인트(60, 61)에서의 끝부(67, 68)의 정렬에 대체로 수직이다.

일정한 반경의 만곡부(63, 64)는 장착 포인트(60, 61)에 대한 피스톤 장착 포인트(62)의 변위에 의해 비틀림 상태에 있게 된다. 일정한 반경 때문에, 각각의 만곡부(63, 64)를 따라서의 비틀림 응력 또한 대체로 일정하다. 실린더 장착 끝부(67, 68) 및 피스톤 장착 포인트(62)에서의 반경방향 또는 대체로 반경방향으로의 향함은 실린더 장착 끝부 및 피스톤 장착 포인트에서의 임의의 비틀림 응력을 감소시키고 실린더부 및 피스톤부로의 스프링(15)의 장착성을 향상시킨다.

본 발명의 리니어 압축기에 의하면, 특히 냉동기에서 뿐만 아니라 다른 용도에서도 사용될 수 있는 리니어 압축기를 제공할 수 있다.

Claims

제 1 본체에의 체결을 위한 적어도 한 쌍의 제 1 장착 포인트, 상기 제 1 본체에 대하여 왕복가능한 제 2 본체에의 체결을 위한 적어도 하나의 제 2 장착 포인트, 그리고 상기 제 2 장착 포인트를 지나 상기 제 1 장착 포인트 사이의 경로를 연결하는 스프링 아암부, 하나의 상기 제 1 장착 포인트 둘레의 만곡부를 가지고 있는 적어도 하나의 제 1 섹션과 또 하나의 상기 제 1 장착 포인트 둘레의 만곡부를 가지고 있는 제 2 섹션을 가지고 있고, 상기 제 1 섹션 및 상기 제 2 섹션은 상기 제 2 장착 포인트에서 상기 제 1 장착 포인트 사이에서 만나는 것을 특징으로 하는 (특히 리니어 압축기에 적합한) 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 장착 포인트가 2개 있는 것을 특징으로 하는 스프링.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스프링 아암부는 장착 포인트로부터 대체로 반경방향으로 뻗어 있는 섹션을 각각의 상기 제 1 장착 포인트에 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 스프링.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 장착 포인트에서 상기 스프링 아암부의 경로는 상기 제 1 장착 포인트 사이의 라인에 수직인 것을특징으로 하는 스프링.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 섹션의 하나 또는 둘 다는 그 각각의 중심에 대하여 90도 이상으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 스프링.
제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 섹션의 하나 또는 둘 다는 그 각각의 중심에 대하여 270도 이상으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 스프링.
제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 섹션의 하나 또는 둘 다의 각각은 그 각각의 중심에 대하여 대략 135도 또는 315도 이상으로 뻗어 있고, 그 후에 각각의 상기 장착 포인트에 이르는 끝부에서, 상기 장착 포인트에서 상기 제 1 장착 포인트를 연결하는 라인에 일치하는 상기 장착 포인트틀 향하여 보다 예리하게 만곡하고 상기 제 2 장차 포인트에 이르는 끝부에서 상기 섹션은 일치하는 상기 제 1 섹션 및 제 2 섹션의 다른 것과 만나는 것을 특징으로 하는 스프링.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스프링은 180도 회전 대칭인 것을 특징으로 하는 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 장착 포인트는 제 1 평면 내에 있고, 상기 스프링 아암부의 상기 제 1 및 제 2 섹션은 제 1 및 제 2 일정 곡률의 헬리컬 섹션을 포함하고, 상기 제 2 장착 포인트는 상기 제 1 및 제 2 헬리컬 섹션 사이를 연결하는 상기 스프링 아암부의 대체로 직선의 직경 섹션 상에 있고 상기 제 1 평면에 적어도 대체로 평행인 제 2 평면 상에 있는 것을 특징으로 하는 스프링.
제 9 항에 있어서, 상기 제 2 평면에서의 상기 제 2 섹션의 배향은 상기 제 1 장착 포인트와 상기 제 1 평면 사이의 라인의 배향에 수직인 것을 특징으로 하는 스프링.
피스톤 부분과, 서로에 대하여 왕복가능한 실린더 부분, 그리고 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 스프링을 가지고 있고, 상기 메인 스프링은 상기 피스톤 부분과 상기 실린더 부분 사이를 연결하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
제 1 항에 있어서, 상기 스프링의 상기 제 1 장착 포인트는 상기 실린더 부분에 연결되어 있고, 상기 피스톤 부분은 상기 제 2 장착 포인트에서 상기 스프링에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스프링에의 상기 피스톤 부분의 장착은 상기 제 2 장착 포인트에서 상기 스프링 아암부를 에워싸거나 포위하는 비교적가요성의 장착부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
실린더 부분,

피스톤 부분,

상기 실린더 부분과 상기 피스톤 부분 사이를 연결하고, 상기 실린더 부분에 대한 상기 피스톤 부분의 왕복운동 방향으로 작동하는 메인 스프링,

밀봉 하우징,

상기 실린더 부분과 상기 피스톤 부분 사이에서의 작동을 위해 배열된 리니어 전기 모터,

상기 실린더 부분과 상기 하우징 부분 사이를 연결하고, 상기 왕복운동 방향으로 작동하는 실린더 부분 스프링 수단; 및

상기 피스톤 부분과 상기 하우징 사이를 연결하고, 상기 왕복운동 방향으로 탄성적으로 작동하는 피스톤 부분 스프링 수단을 포함하고, 상기 피스톤 부분 스프링 수단은 상기 피스톤 부분 질량에 대한 상기 실린더 부분 질량의 분수의 곱이고 상기 왕복운동 방향으로 작동하는 상기 실린더 부분 스프링 수단의 유효 스프링 상수인 스프링 상수를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
제 14 항에 있어서, 상기 실린더 부분으로부터 상기 하우징까지의 임의의 상기 연결부는 탄성적으로 변형가능하고, 적어도 조합상태에서, 예측가능하고 낮은 강성을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
제 15 항에 있어서, 상기 연결부는 상기 압축기로부터 상기 밀봉 하우징 밖으로 압축 냉매를 운반하는 배출관, 상기 밀봉 하우징의 외부로부터 상기 실린더 부분에 액체 냉매를 운반하는 액체 냉매 복귀 튜브, 그리고 상기 리니어 전기 모터의 고정자로의 임의의 전기 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
헤드, 실린더, 그리고 상기 실린더 내부의 실린더 라이너를 포함하고, 관통하는 보어 및 상기 보어 내까지 상기 실린더 라이너를 관통하는 개구부를 가지고 있는 실린더 부분,

피스톤 부분,

상기 피스톤 부분 및 상기 실린더 부분 사이에서 작동하도록 구성된 리니어 모터,

상기 실린더 부분 및 상기 피스톤 부분 사이를 연결하고, 상기 실린더 부분에 대한 상기 피스톤 부분의 왕복운동 방향으로 작동하는 메인 스프링,

상기 압축기에 의해 압축된 공급 가스를 수용하도록 되어 있는 가스 베어링 매니폴드, 및

상기 실린더 및 상기 실린더 라이너 사이에 형성되어 있고 상기 매니폴드로부터 가스를 수용하며, 상기 실린더 라이너의 벽을 통해서 상기 개구부까지 이르는 가스 베어링 통로를 포함하고,

상기 피스톤 부분은 반경방향으로는 유연하지만 축방향으로는 강성인 연동부및 피스톤을 포함하고, 상기 연동부는 상기 피스톤 및 상기 메인 스프링 사이를 연결하고, 상기 피스톤은 상기 실린더 라이너의 상기 보어 내부에서 운동하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
제 17 항에 있어서, 상기 가스 베어링 통로는 통로에서의 압력 강하가 피스톤과 실린더 라이너 벽 보어 사이의 배출류에서의 압력 강하와 유사하도록 길이 및 국부 영역을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 통로의 국부 영역은 충분히 커서 용이한 제작이 가능하고, 상기 통로의 길이는 요구되는 압력 강하에 따라 세팅되고, 상기 국부 영역, 상기 통로는 필요한 경우 꾸불꾸불한 경로를 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
제 17 항 내지 제 19 항 중의 어느 한 항에 있어서, 통로는 헬리컬 또는 꾸불꾸불한 형상을 가지고 있어서 상기 통로의 길이는 상기 매니폴드로부터 상기 개구부까지의 거리보다 더 긴 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.