KR20060020014A - Linear compressor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가동부재가 리니어 모터에 의해 구동되어 고정부재 내측에서 왕복 직선운동하면서 냉매를 흡입, 압축, 토출시키는 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 리니어 모터의 운전주파수가 증가함에 따라 가동부재를 지지하는 탄성력이 커지도록 하여 효과적으로 공진 운전이 이루어지도록 하는 리니어 압축기에 관한 것이다.The present invention relates to a linear compressor in which a movable member is driven by a linear motor and sucks, compresses, and discharges refrigerant while reciprocating linear motion inside the fixed member. In particular, an elastic force supporting the movable member as the operating frequency of the linear motor increases. It is related with the linear compressor which makes it become large and makes resonance operation effective.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 압축공간이 내부에 형성된 고정부재와, 상기 고정부재 내측에 왕복 직선 운동하면서 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 상기 가동부재와 연결되어 상기 가동부재를 왕복 직선 운동하도록 구동시키는 리니어 모터와, 상기 압축공간에 포함된 냉매가 상기 가동부재를 일방향으로 탄성 지지하는 가스 스프링과, 상기 가동부재의 양측에 상기 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치되어 상기 리니어 모터의 운전주파수가 증가함에 따라 탄성력이 증가하는 적어도 하나 이상의 기계 스프링으로 이루어진다.The linear compressor according to the present invention includes a fixed member having a compression space formed therein, a movable member compressing sucked refrigerant while reciprocating linear motion inside the fixed member, and connected to the movable member to reciprocally linearly move the movable member. A linear motor for driving, a gas spring in which the refrigerant contained in the compression space elastically supports the movable member in one direction, and installed on both sides of the movable member so as to elastically support in the movement direction of the movable member; It consists of at least one mechanical spring whose elastic force increases with increasing frequency.
리니어 압축기, 실린더, 피스톤, 리니어 모터, 스프링, 코일 스프링Linear compressors, cylinders, pistons, linear motors, springs, coil springs
Description
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크 및 효율이 도시된 그래프,1a and 1b is a graph showing the stroke and efficiency according to the load in the linear compressor according to the prior art,
도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 스프링 지지구조가 도시된 측단면도,Figure 2 is a side sectional view showing a spring support structure of the linear compressor according to the prior art,
도 3은 도 2에 적용된 기계 스프링 상수가 도시된 그래프,3 is a graph showing the mechanical spring constant applied to FIG.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기가 도시된 측단면도,4 is a side sectional view showing a linear compressor according to the present invention;
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크 및 효율이 도시된 그래프,5a and 5b is a graph showing the stroke and efficiency according to the load in the linear compressor according to the present invention,
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 스프링 지지구조의 제1,2,3실시예가 각각 도시된 측단면도,6 to 8 are side cross-sectional views showing first, second and third embodiments of the spring support structure of the linear compressor according to the present invention, respectively;
도 9는 도 6 내지 도 8에 적용된 기계 스프링 상수가 도시된 그래프,9 is a graph showing the mechanical spring constant applied to FIGS. 6 to 8;
도 10은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 스프링 지지구조의 제4실시예가 도시된 측단면도,10 is a side sectional view showing a fourth embodiment of a spring supporting structure of the linear compressor according to the present invention;
도 11은 도 10에 적용된 기계 스프링 상수가 도시된 그래프이다.FIG. 11 is a graph showing the mechanical spring constant applied to FIG. 10.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명><Explanation of symbols on main parts of the drawings>
2 : 밀폐용기 4 : 실린더2: airtight container 4: cylinder
6 : 피스톤 7 : 머플러6: piston 7: muffler
8a,8b : 제1,2기계 스프링 10 : 리니어 모터8a, 8b: 1st, 2nd mechanical spring 10: linear motor
12 : 이너 스테이터 14 : 아웃터 스테이터12: inner stator 14: outer stator
16 : 영구자석 22 : 흡입밸브16: permanent magnet 22: suction valve
24 : 토출밸브 어셈블리24: discharge valve assembly
본 발명은 가동부재가 리니어 모터에 의해 구동되어 고정부재 내측에서 왕복 직선운동하면서 냉매를 흡입, 압축, 토출시키는 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 리니어 모터의 운전주파수가 증가함에 따라 가동부재를 지지하는 탄성력이 커지도록 하여 효과적으로 공진 운전이 이루어지도록 하는 리니어 압축기에 관한 것이다.The present invention relates to a linear compressor in which a movable member is driven by a linear motor and sucks, compresses, and discharges refrigerant while reciprocating linear motion inside the fixed member. In particular, an elastic force supporting the movable member as the operating frequency of the linear motor increases. It is related with the linear compressor which makes it become large and makes resonance operation effective.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치로써, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.In general, a compressor is a mechanical device that increases pressure by receiving power from a power generator such as an electric motor or a turbine to compress air, refrigerant, or various other working gases. It is widely used throughout.
최근에는 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기 중에서, 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없어 압축효율을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 간단한 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.Recently, a reciprocating linear movement of a reciprocating linear movement, in which a piston compresses a refrigerant while the piston reciprocates linearly in a cylinder, allows a compression space for operating gas to be absorbed and discharged between the piston and the cylinder. In order to improve the compression efficiency because there is no mechanical loss due to the motion conversion by connecting directly to the drive motor, a linear compressor having a simple structure has been developed.
구체적으로, 상기 리니어 압축기는 밀폐용기 내부에 실린더가 고정되도록 설치되고, 상기 실린더 내부에 피스톤이 왕복 직선운동 가능하게 설치되며, 상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 왕복 직선 운동 함에 따라 상기 실린더 내부의 압축공간으로 냉매를 유입되도록 하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 구성되며, 상기 압축공간에는 흡입밸브 어셈블리 및 토출밸브 어셈블리가 설치되어 상기 압축공간 내부의 압력에 따라 냉매의 유입 및 토출을 조절한다.Specifically, the linear compressor is installed so that the cylinder is fixed inside the sealed container, the piston is installed in the cylinder to reciprocate linear movement, the compression space in the cylinder as the piston reciprocating linear movement in the cylinder It is configured to compress and then discharge the refrigerant into the inlet, the inlet and outlet valve assembly is installed in the compression space to adjust the inflow and discharge of the refrigerant in accordance with the pressure in the compression space.
또한, 상기 피스톤에 직선 운동력을 발생시키는 리니어 모터가 서로 연결되도록 설치되는데, 상기 리니어 모터는 상기 실린더 주변에 복수개의 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성된 이너 스테이터 및 아웃터 스테이터가 소정의 간극을 두고 설치되되, 상기 이너 스테이터 또는 아웃터 스테이터 내측에는 코일이 감겨지도록 설치되며, 상기 이너 스테이터와 아웃터 스테이터 사이의 간극에는 영구자석이 상기 피스톤과 연결되도록 설치된다.In addition, the linear motor for generating a linear movement force to the piston is installed to be connected to each other, the linear motor is installed in the inner stator and the outer stator configured to have a plurality of laminations circumferentially stacked around the cylinder with a predetermined gap. The coil is wound around the inner stator or the outer stator, and a permanent magnet is installed in the gap between the inner stator and the outer stator so as to be connected to the piston.
이때, 상기 영구자석은 상기 피스톤의 운동방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 코일에 전류가 흐름에 따라 발생되는 전자기력에 의해 상기 피스톤의 운동방향으로 왕복 직선 운동하게 되는데, 보통 상기 리니어 모터는 일정한 운전주파 수(fc)로 작동될 뿐 아니라 상기 피스톤이 소정의 스트로크(S)로 왕복 직선 운동하도록 한다.At this time, the permanent magnet is installed to be movable in the direction of movement of the piston, and the reciprocating linear motion in the direction of movement of the piston by the electromagnetic force generated as the current flows in the coil, the linear motor is a constant operation Not only is it operated at a frequency f c but also causes the piston to reciprocate linearly with a predetermined stroke S.
한편, 상기 피스톤은 상기 리니어 모터에 의해 왕복 직선 운동하더라도 운동방향으로 탄성 지지될 수 있도록 각종 스프링이 설치되는데, 구체적으로 기계 스프링의 일종인 코일 스프링이 상기 피스톤의 운동방향으로 상기 밀폐용기 및 실린더에 탄성 지지되도록 설치되며, 상기 압축공간으로 흡입된 냉매 역시 가스 스프링으로 작용하게 된다.On the other hand, the piston is provided with a variety of springs to be elastically supported in the direction of movement even if the linear motor reciprocating linear movement, specifically, a coil spring which is a kind of mechanical spring to the closed container and the cylinder in the direction of movement of the piston It is installed to be elastically supported, and the refrigerant sucked into the compression space also acts as a gas spring.
이때, 상기 코일 스프링은 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가지고, 상기 가스 스프링은 부하에 따라 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가지며, 상기 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링 상수(Kg)를 고려하여 하기의 수학식 1에 따라 피스톤(리니어 압축기)의 고유주파수(fn)가 산출된다.At this time, the coil spring has a constant mechanical spring constant (K m ), the gas spring has a gas spring constant (K g ) that is variable according to the load, the mechanical spring constant (K m ) and gas spring constant (K In consideration of g ), the natural frequency f n of the piston (linear compressor) is calculated according to
[수학식 1][Equation 1]
이와 같이 산출된 피스톤의 고유주파수(fn)는 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)를 결정하게 되는데, 상기 리니어 모터는 운전주파수(fc)를 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치되도록 하여 상기 공진 상태에서 운전시킴으로 효율을 높일 수 있다.The calculated natural frequency f n of the piston determines the operating frequency f c of the linear motor, and the linear motor matches the operating frequency f c with the natural frequency f n of the piston. The efficiency can be increased by operating in the resonance state.
상기와 같이 구성된 리니어 압축기는 상기 리니어 모터가 설계 상에서 고려한 부하 하에서 상기 코일 스프링의 기계 스프링 상수(Km) 및 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg)에 의해 산출되는 피스톤의 고유주파수(fn)에 일치하는 운전주파수(fc)로 운전되도록 구성되기 때문에 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 단지 설계 상에서 고려한 중간부하 영역에서만 상기 리니어 모터가 공진상태에서 운전됨으로 상기 피스톤이 상사점까지 도달하면서 압축작용이 이루어지는 동시에 압축효율을 높일 수 있다.The linear compressor configured as described above has a natural frequency f n of the piston which is calculated by the mechanical spring constant K m of the coil spring and the gas spring constant K g of the gas spring under the load considered by the linear motor in design. Since the linear motor is operated in a resonance state only in the intermediate load region considered in the design, as shown in FIGS. 1A and 1B, since the piston is configured to operate at an operating frequency f c corresponding to At the same time, the compression efficiency can be increased.
그런데, 상기와 같은 리니어 압축기는 실제 부하가 가변됨에 따라 상기 가스 스프링의 가스 스프링 상수(Kg) 및 이를 고려하여 산출된 피스톤의 고유주파수(fn)가 변경되기 때문에 설계 상에서 고려하지 않은 저부하 영역 및 고부하 영역에서는 상기 리니어 모터가 공진상태에서 운전되지 않으므로 상기 피스톤이 상사점(TDC) 이상으로 도달하여 마찰 및 마모가 발생되거나, 상기 피스톤이 상사점에 도달하지 못하여 압축력이 떨어지고, 압축효율 역시 떨어진다.However, the linear compressor as described above has a low load not considered in the design because the gas spring constant (K g ) of the gas spring and the natural frequency (f n ) of the piston calculated by considering the same change as the actual load varies. In the region and the high load region, since the linear motor is not operated in a resonance state, the piston reaches more than the top dead center (TDC) to generate friction and wear, or the piston does not reach the top dead center, thereby reducing the compressive force and the compression efficiency. Falls.
결과적으로, 종래의 리니어 압축기는 부하가 가변됨에 따라 피스톤의 고유주파수(fn)가 가변되는 반면, 리니어 모터의 운전주파수(fc)는 일정하기 때문에 상기 리니어 모터가 공진 상태에서 운전되지 않으므로 그 효율이 떨어지고, 능동적으로 부하에 대응하지 못하여 신속하게 부하를 해소할 수 없는 문제점이 있다.As a result, in the conventional linear compressor, the natural frequency f n of the piston is variable as the load is varied, whereas the linear motor is not operated in a resonance state because the operating frequency f c of the linear motor is constant. There is a problem in that the efficiency is lowered and the load cannot be released quickly due to the failure to actively respond to the load.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 부하에 비례하여 입력전류를 조절하여 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)를 가변시키도록 작동한다.In order to solve the above problems, the input current is adjusted in proportion to the load so as to change the operating frequency f c of the linear motor.
구체적으로, 종래의 리니어 압축기는 도 2에 도시된 바와 같이 피스톤(56)이 운동방향으로 동일한 기계 스프링 상수(Km)를 가진 한 쌍의 코일 스프링(58a,58b)에 의해 지지되도록 설치되고, 상기 실린더(54) 내부의 압축공간(P)에 포함된 냉매 역시 가스 스프링 상수(Kg)를 가진 가스 스프링으로 작용한다.Specifically, the conventional linear compressor is installed so that the
이때, 상기 코일 스프링(58a,58b)은 도 3에 도시된 바와 같이 일정한 기계 스프링 상수(Km)를 가질 수 있도록 일정한 일방향으로 동일한 피치와 선경을 가지도록 형성된 것으로써, 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 가변됨에 따라 상기 피스톤(56)에 소정의 하중이 작용되더라도 일정한 탄성력을 부여한다.At this time, the coil spring (58a, 58b) is formed to have the same pitch and wire diameter in a constant one direction to have a constant mechanical spring constant (K m ), as shown in Figure 3, the operating frequency of the linear motor It imparts a certain elastic force, even if (f c), a predetermined load is applied to the
따라서, 소정의 부하 상태에서 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 상기 피스톤의 고유주파수(fn)에 동기화되어 공진 상태에서 운전되지만, 부하가 증가하여 가스 스프링 상수(Kg)가 증가하더라도 그 증가분이 미약함으로 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 미약하게 증가하게 되는데, 이에 비해 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)는 크게 증가하게 됨으로 공진 상태에서 운전이 이루어지기 어려울 뿐 아니라 불안정한 상태에서 운전되기 때문에 압축용량 및 압축효율이 저감되는 문제점이 있다.Therefore, although the operating frequency f c of the linear motor is operated in a resonant state in synchronization with the natural frequency f n of the piston in a predetermined load state, even if the gas spring constant K g increases due to the load increase. As the increase is small, the natural frequency of the piston (f n ) is also slightly increased. On the contrary, the operating frequency (f c ) of the linear motor is greatly increased, making it difficult to operate in a resonance state and in an unstable state. There is a problem that the compression capacity and compression efficiency is reduced because it is operated.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 리니어 모터의 운전주파수가 증가함에 따라 기계 스프링의 탄성력이 증가되도록 함으로 리니어 모터의 운전주파수가 피스톤의 고유주파수에 일치하여 공진 운전이 이루어지도록 하는 리니어 압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, the elastic force of the mechanical spring is increased as the operating frequency of the linear motor increases so that the operating frequency of the linear motor matches the natural frequency of the piston, the resonance operation is It is an object to provide a linear compressor to be achieved.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 리니어 압축기는 압축공간이 내부에 형성된 고정부재와, 상기 고정부재 내측에 왕복 직선 운동하면서 흡입된 냉매를 압축시키는 가동부재와, 상기 가동부재와 연결되어 상기 가동부재를 왕복 직선 운동하도록 구동시키는 리니어 모터와, 상기 압축공간에 포함된 냉매가 상기 가동부재를 일방향으로 탄성 지지하는 가스 스프링과, 상기 가동부재의 양측에 상기 가동부재의 운동방향으로 탄성 지지하도록 설치되어 상기 리니어 모터의 운전주파수가 증가함에 따라 탄성력이 증가하는 적어도 하나 이상의 기계 스프링으로 구성된다.The linear compressor according to the present invention for solving the above problems is a fixed member having a compression space therein, a movable member for compressing the sucked refrigerant while reciprocating linear movement inside the fixing member, and is connected to the movable member A linear motor for driving the movable member to reciprocate linearly, a gas spring for elastically supporting the movable member in one direction, and a refrigerant contained in the compression space, and elastically supporting both sides of the movable member in the movement direction of the movable member; It is installed is composed of at least one or more mechanical spring that the elastic force increases as the operating frequency of the linear motor increases.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기가 도시된 측단면도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 부하에 따른 스트로크 및 효율이 도시된 그래프이다.4 is a side cross-sectional view showing a linear compressor according to the present invention, Figures 5a and 5b is a graph showing the stroke and efficiency according to the load in the linear compressor according to the present invention.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 4에 도시된 바와 같이 밀폐용기(2) 일측에 냉매가 유,출입되는 유입관(2a) 및 유출관(2b)이 설치되고, 상기 밀폐용기(2) 내측에 실린더(4)가 고정되도록 설치되며, 상기 실린더(4) 내부의 압축공간(P)으로 흡입된 냉매를 압축시킬 수 있도록 상기 실린더(4) 내부에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되고, 상기 피스톤(6)을 직선 왕복시킬 수 있도록 구동력을 발생시키는 리니어 모터(10)가 상기 피스톤(6)과 연결되도록 설치되며, 상기 압축공간(P)의 냉매 역시 부하에 따라 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가진 가스 스프링으로 작용하는 동시에 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 제1,2기계 스프링(8a,8b)이 탄성 지지되도록 설치되되, 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)은 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 가변되어 상기 피스톤(6)에 작용하는 하중이 커질수록 탄성력이 커지도록 구성된다.As shown in FIG. 4, the linear compressor according to the present invention is provided with an inlet pipe 2a and an outlet pipe 2b through which refrigerant flows in and out of one side of the sealed
이때, 상기 리니어 모터(10)는 부하에 따라 피스톤의 고유주파수(fn)가 가변되더라도 소정의 주파수 추정 알고리즘에 따라 상기 피스톤의 고유주파수(fn)를 추정하고, 그에 따라 운전주파수(fc)를 동시화시키도록 제어함으로 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 피스톤(6)이 상사점(TDC)까지 도달하면서 압축작용이 이루어질 뿐 아니라 모든 부하 영역에서 압축효율을 향상시킬 수 있다.At this time, the
아울러, 상기 압축공간(P)과 접하고 있는 상기 피스톤(6)의 일단에 흡입밸브(22)가 설치되고, 상기 압축공간(P)과 접하고 있는 상기 실린더(4)의 일단에 토출 밸브 어셈블리(24)가 설치되며, 상기 흡입밸브(22) 및 토출밸브 어셈블리(24)는 각각 상기 압축공간(P) 내부의 압력에 따라 개폐되도록 자동적으로 조절된다.In addition, a
여기서, 상기 밀폐용기(2)는 내부가 밀폐되도록 상,하부 쉘이 서로 결합되도록 설치되고, 일측에 냉매가 유입되는 유입관(2a) 및 냉매가 유출되는 유출관(2b)이 설치되며, 상기 실린더(4) 내측에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 운동방향으로 탄성 지지되도록 설치됨과 아울러 상기 실린더(4) 외측에 상기 리니어 모터(10)가 프레임(18)에 의해 서로 조립되어 조립체를 구성하고, 이러한 조립체가 상기 밀폐용기(2) 내측 바닥면에 지지스프링(29)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다.Here, the airtight container (2) is installed so that the upper and lower shells are coupled to each other so that the inside is sealed, the inlet pipe (2a) and the outlet pipe (2b) for the coolant flow in one side is installed, the The
아울러, 상기 밀폐용기(2) 내부 바닥면에는 소정의 오일이 담겨지고, 상기 조립체 하단에는 오일을 펌핑하는 오일공급장치(30)가 설치됨과 아울러 상기 조립체 하측 프레임(18) 내부에는 오일을 상기 피스톤(6)과 실린더(4) 사이로 공급될 수 있도록 오일공급관(18a)이 형성되며, 이에 따라 상기 오일공급장치(30)는 상기 피스톤(6)의 왕복 직선 운동함에 따라 발생되는 진동에 의해 작동되어 오일을 펌핑하고, 이러한 오일은 상기 오일공급관(18a)을 따라 상기 피스톤(6)과 실린더(4) 사이의 간극으로 공급되어 냉각 및 윤활 작용을 하도록 한다.In addition, a predetermined oil is contained in the bottom surface of the airtight container (2), and an oil supply device (30) for pumping oil is installed at the bottom of the assembly, and oil is provided in the lower frame (18) of the assembly. An oil supply pipe 18a is formed to be supplied between the 6 and the cylinder 4, so that the oil supply device 30 is operated by vibration generated by the reciprocating linear motion of the
다음, 상기 실린더(4)는 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동할 수 있도록 중공 형상으로 형성됨과 아울러 일측에 압축공간(P)이 형성되고, 상기 유입관(2a) 내측에 일단이 근접하게 위치된 상태에서 상기 유입관(2a)과 동일 직선상에 설치되는 것이 바람직하다.Next, the cylinder 4 is formed in a hollow shape so that the
물론, 상기 실린더(4)는 상기 유입관(2a)과 근접한 일단 내부에 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동 가능하게 설치되고, 상기 유입관(2a)과 반대방향 측 일단에 상기 토출밸브 어셈블리(24)가 설치된다.Of course, the cylinder (4) is installed in one end close to the inlet pipe (2a) so as to reciprocate linear movement, the discharge valve assembly ( 24) is installed.
이때, 상기 토출밸브 어셈블리(24)는 상기 실린더(4)의 일단 측에 소정의 토출공간을 형성하도록 설치되는 토출커버(24a)와, 상기 실린더의 압축공간(P) 측 일단을 개폐하도록 설치되는 토출밸브(24b)와, 상기 토출커버(24a)와 토출밸브(24b) 사이에 축방향으로 탄성력을 부여하는 일종의 코일 스프링인 밸브 스프링(24c)으로 이루어지되, 상기 실린더(4)의 일단 내둘레에 오링(R)이 끼움되도록 설치되어 상기 토출밸브(24a)가 상기 실린더(4) 일단을 밀착되도록 한다. At this time, the discharge valve assembly 24 is provided to open and close the discharge cover 24a which is installed to form a predetermined discharge space on one end side of the cylinder 4, and one end of the compression space P side of the cylinder. And a discharge valve 24b and a valve spring 24c, which is a kind of coil spring that imparts an elastic force in the axial direction between the discharge cover 24a and the discharge valve 24b, and at one end of the cylinder 4 The O-ring (R) is installed in the fitting so that the discharge valve 24a is in close contact with one end of the cylinder (4).
아울러, 상기 토출커버(24a)의 일측과 상기 유출관(2b) 사이에는 굴곡지게 형성된 루프 파이프(28)가 연결 설치되는데, 상기 루프 파이프(28)는 압축된 냉매가 외부로 토출될 수 있도록 안내할 뿐 아니라 상기 실린더(4), 피스톤(6), 리니어 모터(10)의 상호 작용에 의한 진동이 상기 밀폐용기(2) 전체로 전달되는 것을 완충시켜 준다.In addition, a bent loop pipe 28 is installed between one side of the discharge cover 24a and the outlet pipe 2b. The loop pipe 28 guides the compressed refrigerant to be discharged to the outside. In addition, the vibration caused by the interaction of the cylinder 4, the
따라서, 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 토출압력 이상이 되면, 상기 밸브 스프링(24c)이 압축되어 상기 토출밸브(24b)를 개방시키고, 냉매가 상기 압축공간(P)으로부터 토출된 다음, 상기 루프 파이프(28) 및 유출관(2b)을 따라 완전히 외부로 토출된다.Therefore, when the pressure of the compression space P becomes equal to or greater than a predetermined discharge pressure as the
다음, 상기 피스톤(6)은 상기 유입관(2a)으로부터 유입된 냉매가 유동될 수 있도록 냉매유로(6a)가 중앙에 형성되고, 상기 실린더(4) 내부에 삽입되는 일단에 흡입밸브(22)가 설치되고, 그 반대측 일단에 형성된 피스톤 플랜지(6b)가 상기 리니어 모터(10)와 연결되어 왕복 직선 운동하게 된다.Next, the
이때, 상기 흡입밸브(22)는 박판 형상으로 중앙부분이 상기 피스톤의 냉매유로(6a)를 개폐시키도록 중앙부분이 일부 절개되도록 형성되고, 일측이 상기 피스톤(6a)의 일단에 스크류에 의해 고정되도록 설치된다.At this time, the
따라서, 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동함에 따라 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력보다 더 낮은 소정의 흡입압력 이하가 되면, 상기 흡입밸브(22)가 개방되어 냉매가 상기 압축공간(P)으로 흡입되고, 상기 압축공간(P)의 압력이 소정의 흡입압력 이상이 되면, 상기 흡입밸브(22)가 닫힌 상태에서 상기 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.Therefore, as the
다음, 상기 리니어 모터(10)는 복수개의 라미네이션(12a)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 상기 프레임(18)에 의해 상기 실린더(4) 외측에 고정되도록 설치되는 이너 스테이터(12)와, 코일이 감겨지도록 구성된 코일 권선체(14a) 주변에 복수개의 라미네이션(14b)이 원주방향으로 적층되도록 구성되어 상기 프레임(18)에 의해 상기 실린더(4) 외측에 상기 이너 스테이터(12)와 소정의 간극을 두고 설치되는 아웃터 스테이터(14)와, 상기 이너 스테이터(12)와 아웃터 스테이터(14) 사이의 간극에 위치되어 상기 피스톤(6)과 연결부재(17)에 의해 연결되도록 설치되는 영구자석(16)으로 이루어지되, 상기 코일 권선체(14a)는 상기 이너 스테이터(12) 외측에 고정되도록 설치될 수도 있다. Next, the
상기와 같은 리니어 모터(10)에서 상기 코일 권선체(14a)에 전류가 인가됨에 따라 전자기력이 발생되고, 이와 같은 전자기력과 상기 영구자석(16)의 상호작용에 의해 상기 영구자석(16)이 왕복 직선 운동하게 되고, 상기 영구자석(16)과 연결된 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 내부에서 왕복 직선 운동하게 된다.As the current is applied to the coil winding 14a in the
물론, 상기 리니어 모터(10)는 그 운전주파수(fc)를 소정의 주파수 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 피스톤의 고유주파수(fn)와 일치하도록 조절됨으로 공진운전이 이루어지도록 한다.Of course, the
상기와 같이 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 가변되면서 상기 피스톤(6)을 왕복 직선 운동시키더라도 상기 피스톤(6)이 상기 실린더(4) 등과 같은 주변 부품에 부딪히지 않고 운동방향으로 안정적으로 탄성 지지되는데, 구체적으로 상기 압축공간(P)의 냉매가 가스 스프링으로 작용하여 상기 피스톤(6)에 일방향으로 탄성력을 부여하는 동시에 상기 피스톤 플랜지(6b) 양측에 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)이 설치되어 상기 피스톤(6)에 양방향으로 탄성력을 부여한다.As described above, even when the
여기서, 상기 가스 스프링은 부하에 의존하는 가변되는 가스 스프링 상수(Kg)를 가지되, 상기 압축공간(P)에 포함된 가스는 주변온도가 높아질수록 냉매의 압력이 커짐에 따라 자체 탄성력이 커짐으로 상기 가스 스프링은 부하가 커질수록 가스 스프링 상수(Kg)가 커지게 된다.In this case, the gas spring has a variable gas spring constant (K g ) depending on the load, the gas contained in the compression space (P) increases its elastic force as the pressure of the refrigerant increases as the ambient temperature increases As the gas spring loads, the gas spring constant K g increases.
반면, 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)은 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc) 에 비례하여 가변되는 기계 스프링 상수(Km)를 가지되, 상기 피스톤 플랜지(6b)를 기준으로 양측에 탄성 지지되도록 설치되는데, 상기 피스톤(6)이 상기 압축공간(P)의 냉매를 압축시키는 방향으로 이동되면, 상기 제1기계 스프링(8a)이 복원되는 동시에 상기 제2기계 스프링(8b)이 압축되도록 설치되고, 상기 피스톤(6)이 왕복 직선 운동함에 따라 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)이 압축 및 복원을 교대로 반복하게 된다.On the other hand, the first and second mechanical springs (8a, 8b) has a mechanical spring constant (K m ) which is changed in proportion to the operating frequency (f c ) of the linear motor, based on the piston flange (6b) It is installed to be elastically supported on both sides. When the
일예로, 상기 제1기계 스프링(8a)은 상기 피스톤 플랜지(6a)의 일측과 상기 리니어 모터(10)에 고정되는 소정의 지지프레임(26) 사이에 설치되고, 상기 제2기계 스프링(8b)은 상기 피스톤 플랜지(6b)의 타측과 상기 실린더(4) 사이에 설치되며, 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)은 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 주변 구성부품에 다양하게 탄성 지지되도록 설치될 수 있다.For example, the
이때, 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)은 상기 피스톤 플랜지(6b)를 기준으로 양측에 각각 하나씩만 설치될 수도 있지만, 상기 피스톤(6)을 양측 방향에서 안정적으로 지지할 수 있도록 상기 피스톤(6)의 원주방향으로 각각 네 개씩 설치될 수도 있으며, 상기 피스톤(6)을 안정적으로 지지할 수 있도록 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 동일한 직선 상에 설치되는 것이 더욱 바람직하다.At this time, the first and second mechanical springs (8a, 8b) may be installed on each side of the piston flange (6b) only one, respectively, so that the
보통, 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)은 다양한 종류의 스프링이 적용될 수 있지만, 코일 스프링이 많이 적용되며, 이와 같은 코일 스프링의 스프링 상수는 하기의 수학식2에 따라 산출된다.In general, the first and second
[수학식 2][Equation 2]
이때, G 는 재료의 탄성계수이고, d는 재료의 굵기(선경)이며, Na 는 재료의 유효권수이고, D 는 코일 스프링의 중심경이며, 상기와 같은 변수를 가변시켜 다양한 스프링 상수를 가진 코일 스프링을 적용할 수 있다. In this case, G is the elastic modulus of the material, d is the thickness (wire diameter) of the material, Na is the effective winding number of the material, D is the central diameter of the coil spring, a coil having various spring constants by varying the above variables Spring can be applied.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 스프링 지지구조의 제1,2,3실시예가 각각 도시된 측단면도이고, 도 9는 도 6 내지 도 8에 적용된 기계 스프링 상수가 도시된 그래프이다.6 to 8 are side cross-sectional views showing first, second and third embodiments of the spring support structure of the linear compressor according to the present invention, and FIG. 9 is a graph showing the mechanical spring constant applied to FIGS. 6 to 8. .
일예로, 제1실시예에 적용된 제1,2기계 스프링(8a,8b)은 도 6에 도시된 바와 같이 일방향으로 갈수록 피치(a)가 더 좁게 형성된 가변피치 코일 스프링이 적용되는데, 이러한 가변피치 코일 스프링은 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)에 모두 적용될 수도 있고, 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b) 중 하나에만 적용될 수도 있다.For example, the first and second
이때, 상기 리니어 압축기의 운전주파수(fc)가 커짐에 따라 상기 피스톤(6)에 작용하는 하중이 커질수록 상기 가변피치 코일 스프링의 스프링 상수(Km) 역시 커지도록 구성하기 위하여 상기 가변피치 코일 스프링은 피치(a)가 큰 일단이 상기 피스톤(6)과 접하도록 설치되는 것이 바람직하다.In this case, as the operating frequency fc of the linear compressor increases, the variable pitch coil spring is configured so that the spring constant K m of the variable pitch coil spring also increases as the load acting on the
또한, 제2실시예에 적용된 제1,2기계 스프링(8a,8b)은 도 7에 도시된 바와 같이 일방향으로 갈수록 선경(D)이 더 좁게 형성된 원추형 코일 스프링이 적용되는 데, 이러한 원추형 코일 스프링 역시 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b) 중 하나에만 적용될 수도 있고, 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)에 모두 적용될 수도 있다.In addition, the first and second machine springs 8a and 8b applied to the second embodiment are applied with a conical coil spring in which the wire diameter D is narrower in one direction as shown in FIG. 7. It may also be applied to only one of the first and second machine springs 8a and 8b, or may be applied to both the first and second machine springs 8a and 8b.
이때, 상기 리니어 압축기의 운전주파수(fc)가 커짐에 따라 상기 피스톤(6)에 작용하는 하중이 커질수록 상기 원추형 코일 스프링의 기계 스프링 상수(Km) 역시 커지도록 구성하기 위하여 상기 원추형 코일 스프링은 선경이 큰 일단이 상기 피스톤(6)과 접하도록 설치되는 것이 바람직하다.In this case, as the operating frequency f c of the linear compressor increases, the conical coil spring increases so that the mechanical spring constant K m of the conical coil spring also increases as the load acting on the
또한, 제3실시예에 적용된 제1,2기계 스프링(8a,8b)은 도 8에 도시된 바와 같이 중앙에서 양단으로 갈수록 선경(D)이 더 좁게 형성된 대칭 원추형 코일 스프링이 적용되는데, 이러한 대칭 원추형 코일 스프링 역시 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b) 중 하나에만 적용될 수도 있고, 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)에 모두 적용될 수도 있다.In addition, the first and second
이때, 상기 대칭 원추형 코일 스프링은 상기 제2실시예에 적용된 원추형 코일 스프링보다 상기 피스톤(6)을 보다 안정적으로 지지할 수 있으므로 작동의 신뢰성을 높일 수 있다.At this time, the symmetrical conical coil spring can support the
상기와 같이 가변피치 코일 스프링, 원추형 코일 스프링, 대칭 원추형 코일 스프링 등과 같이 하중이 가해짐에 따라 변위와 함께 스프링 상수가 변화하는 비선형 스프링이 상기 피스톤(6)을 탄성 지지하도록 설치된 리니어 압축기의 작동을 살펴보면, 도 9에 도시된 바와 같이 부하가 증가함에 따라 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 가변되어 상기 피스톤(6)에 실제적으로 가해지는 하중이 가변되고, 이와 같이 피스톤(6)에 하중이 가변됨에 따라 기계 스프링 상수(Km) 역시 가변된다.As described above, a nonlinear spring whose spring constant changes with displacement as a load is applied such as a variable pitch coil spring, a conical coil spring, a symmetrical conical coil spring, and the like is operated by a linear compressor installed to elastically support the
따라서, 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 부하에 능동적으로 대응하기 위하여 가변되고, 이와 동시에 부하에 따라 상기 가스 스프링 상수(Kg) 및 기계 스프링 상수(Km)가 가변됨으로 상기 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 비교적 크게 가변됨으로 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)를 상기 피스톤의 고유주파수(fn)에 손쉽게 동기화시켜 공진 운전이 이루어지도록 한다.Accordingly, the operating frequency f c of the linear motor is varied to actively respond to the load, and at the same time the gas spring constant K g and the mechanical spring constant K m vary according to the load. The natural frequency f n is also relatively large, so that the operating frequency f c of the linear motor is easily synchronized with the natural frequency f n of the piston to achieve resonance operation.
도 10은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 스프링 지지구조의 제4실시예가 도시된 측단면도이고, 도 11은 도 10에 적용된 기계 스프링 상수가 도시된 그래프이다.FIG. 10 is a side sectional view showing a fourth embodiment of the spring support structure of the linear compressor according to the present invention, and FIG. 11 is a graph showing the mechanical spring constant applied to FIG.
한편, 제4실시예에 적용된 제1,2기계 스프링(8a,8b)은 도 10에 도시된 바와 같이 상기 피스톤(6)의 운동방향으로 지지하도록 주 코일 스프링 및 상기 피스톤(6)이 일정 변위 이상으로 왕복 운동시에만 탄성 지지하도록 설치된 보조 코일 스프링으로 이루어지되, 이러한 주 코일 스프링 및 보조 코일 스프링 역시 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b) 중 하나에만 적용될 수도 있고, 상기 제1,2기계 스프링(8a,8b)에 모두 적용될 수도 있다.On the other hand, the first and second machine springs 8a and 8b applied to the fourth embodiment have a constant displacement of the main coil spring and the
이때, 상기 주 코일 스프링은 상기 보조 코일 스프링보다 선경이 더 크게 형성되도록 하여 상기 보조 코일 스프링이 상기 주 코일 스프링 내측에 위치되도록 설치되되, 상기 주 코일 스프링은 상기 피스톤(6)에 직접 지지되도록 설치되는 반 면, 상기 보조 코일 스프링은 상기 피스톤(6)으로부터 운동방향 중 일방향으로 소정간격 떨어지도록 설치되는 것이 바람직하다.At this time, the main coil spring is installed so that the wire diameter is larger than the auxiliary coil spring is installed so that the auxiliary coil spring is located inside the main coil spring, the main coil spring is installed to be directly supported by the piston (6) On the other hand, the auxiliary coil spring is preferably installed so as to be spaced apart from the
물론, 상기 주 코일 스프링이 상기 보조 코일 스프링보다 선경이 더 크게 형성되지만, 상기 주코일 스프링의 스프링 상수가 상기 보조 코일 스프링 상수보다 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.Of course, although the main coil spring has a larger wire diameter than the auxiliary coil spring, it is preferable that the spring constant of the main coil spring is larger than the auxiliary coil spring constant.
또한, 상기 피스톤(6)과 직접 접촉되는 하나의 주 코일 스프링이 하나 설치되고, 그 내측에 상기 피스톤(6)과 단계적으로 간격을 두고 복수개의 보조 코일 스프링이 설치될 수도 있는데, 이와 같이 구성하여 하중이 가해짐에 따라 변위와 함께 스프링 상수(Km)가 단계적으로 변화하도록 할 수 있다.In addition, one main coil spring which is in direct contact with the
상기와 같이 주 코일 스프링 및 보조 코일 스프링이 상기 피스톤(6)을 탄성 지지하도록 설치된 리니어 압축기의 작동을 살펴보면, 도 11에 도시된 바와 같이 부하가 증가함에 따라 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 가변되어 상기 피스톤(6)에 실제적으로 가해지는 하중이 가변되고, 이와 같이 피스톤(6)에 하중이 가변됨에 따라 기계 스프링 상수(Km) 역시 상기 피스톤(6)의 일정 변위를 기점으로 가변된다.Referring to the operation of the linear compressor in which the main coil spring and the auxiliary coil spring are elastically supporting the
이때, 상기 피스톤(6)이 일정 변위 미만으로 왕복 직선 운동할 때에는 상기 주 코일 스프링만 상기 피스톤(6)을 탄성 지지하는 반면, 상기 피스톤(6)이 일정 변위 이상으로 왕복 직선 운동할 때에는 상기 주 코일 스프링 및 보조 코일 스프링이 함께 상기 피스톤(6)을 탄성 지지하기 때문에 기계 스프링 상수(Km)는 상기 피스 톤(6)의 일정 변위를 기점으로 제1기계 스프링 상수(Km1)에서 더 증가한 제2기계 스프링 상수(Km2)로 가변된다.At this time, only the main coil spring elastically supports the
따라서, 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)가 부하에 능동적으로 대응하기 위하여 가변되더라도 상기 가스 스프링 상수(Kg) 및 기계 스프링 상수(Km)가 가변됨에 따라 상기 피스톤의 고유주파수(fn) 역시 비교적 크게 가변됨으로 상기 리니어 모터의 운전주파수(fc)를 상기 피스톤의 고유주파수(fn)에 손쉽게 동기화시켜 공진 운전이 이루어지도록 할 수 있다.Therefore, even if the operating frequency f c of the linear motor is varied to actively respond to the load, the natural frequency f n of the piston is varied as the gas spring constant K g and the mechanical spring constant K m are varied. ) Is also relatively large, so that the operating frequency f c of the linear motor can be easily synchronized with the natural frequency f n of the piston to achieve resonance operation.
이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예 및 첨부도면에 기초하여 무빙 마그네트 타입의 리니어 모터가 작동되고, 이와 연결된 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선 이동되면서 냉매를 흡입, 압축, 토출시키는 리니어 압축기를 예로 들어 상세하게 설명하였다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.In the above, the present invention is based on the embodiment of the present invention and the accompanying drawings in which a moving magnet type linear motor is operated, and a linear compressor that sucks, compresses, and discharges a refrigerant while the piston connected thereto reciprocates linearly inside the cylinder. It explained in detail. However, the scope of the present invention is not limited by the above embodiments and drawings, and the scope of the present invention will be limited only by the contents described in the claims below.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 리니어 압축기는 하중이 가해짐에 따라 변위와 함께 스프링 상수가 가변되는 비선형 코일 스프링에 의해 피스톤이 탄성 지지되도록 설치되기 때문에 리니어 모터의 운전주파수가 증가하여 피스톤의 변위가 가변되는 동시에 피스톤의 고유주파수 역시 증가됨으로 리니어 모터의 운전주파수가 피스톤의 고유주파수에 동기화되어 공진 운전이 이루어지고, 이로 인하여 압축용량을 가변시킬 수 있어 부하에 능동적으로 대응할 수 있는 동시에 압축효율도 높일 수 있는 이점이 있다.Since the linear compressor according to the present invention configured as described above is installed such that the piston is elastically supported by a nonlinear coil spring whose spring constant is variable with displacement as the load is applied, the operating frequency of the linear motor is increased to displace the piston. And the natural frequency of the piston is also increased, so that the operating frequency of the linear motor is synchronized with the natural frequency of the piston to achieve resonant operation. There is an advantage to increase.
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