KR20070065447A - 리니어 압축기 - Google Patents

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.

장착 포인트, 스프링 아암부, 메인 스프링, 실린더 스프링, 피스톤 스프링

Description

리니어 압축기{LINEAR COMPRESSOR}

도 1은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도,

도 2는 도 1의 리니어 압축기용 메인 스프링의 제 1 실시예의 평면도,

도 3은 도 1의 리니어 압축기용 메인 스프링의 제 2 실시예의 평면도,

도 4는 도 1의 리니어 압축기용 메인 스프링의 제 3 실시예의 사시도,

도 5는 다른 방향에서 보았을 때의 도 4의 메인 스프링의 사시도,

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

도 7은 본 발명의 제 2 바람직한 실시예에 따른 실린더 라이너의 사시도.

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

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 압축기는 이러한 손실이 없으며, 가로방향의 이동에 대해 유연한 커넥팅 로드로 인해 낮은 베어링 부하를 가질 수 있는 미국특허 제5,525,845호에 개시되어 있는 바와 같은 공기 정역학적 가스 베어링의 사용을 허용할 정도로 충분히 낮은 베어링 부하를 가지도록 설계될 수 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, 이러 한 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 증가할 때, 압축 가스의 힘은 배출 압력이 증가함에 따라 작동 속도를 증가시키는 스프링("가스 스프링")력으로서 작용한다. 이것은, "제 3" 진동 모드(여기에서 피스톤과 실린더는 서로 동일한 위상으로 진동하지만 압축기 쉘과는 상이한 위상으로 진동한다)의 주파수가, 바람직한 "제 2" 모드(여기에서 쉘은 진동하지 않고 피스톤과 실린더는 위상이 상이하다)의 주파수보다 약간만 높기 때문에, 문제가 된다. 그래서 쉘은 "가스 스프링"이 작동을 시작하여 실제로 "제 2" 모드 주파수를 "제 3" 모드 주파수로, 그리고 결국은 "제 3" 모드 주파수 보다 높은 주파수로 상승시키기 때문에 과도하게 진동하기 시작한다.

본 발명의 목적은 상기의 결점을 극복하는 콤팩트한 리니어 압축기를 제공하 는 것이다.

본 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 제 1 본체와 상기 제 1 본체에 대해 제 1 방향을 따라서 왕복운동하는 제 2 본체 사이를 연결하는 스프링을 포함하고 있는 리니어 압축기로서, 상기 스프링은

상기 제 1 본체에 장착된 적어도 하나의 제 1 장착 포인트;

상기 제 2 본체에 장착된 적어도 하나의 제 2 장착 포인트;

하나의 상기 제 1 장착 포인트와 하나의 상기 제 2 장착 포인트 사이를 연결하며, 상기 왕복운동의 방향과 수직으로 뻗어 있는 반경방향의 섹션, 일정한 곡률을 가진 큰 반경의 만곡부 그리고 상기 반경방항의 섹션과 상기 큰 반경의 만곡부 사이에 있으며 상기 큰 반경의 만곡부보다 곡률이 작은 만곡부를 포함하고 있는 제 1 스프링 아암; 그리고

하나의 상기 제 1 장착 포인트와 하나의 상기 제 2 장착 포인트 사이를 연결하며, 상기 왕복운동의 축과 수직으로 뻗어 있는 반경방향의 섹션, 일정한 곡률을 가진 큰 반경의 만곡부 그리고 상기 반경방항의 섹션과 상기 큰 반경의 만곡부 사이에 있으며 상기 큰 반경의 만곡부보다 곡률이 작은 만곡부를 포함하고 있는 제 2 스프링 아암;을 포함하고 있고,

상기 제 1 스프링 아암과 상기 제 2 스프링 아암은, 각 스프링 아암의 형상이 상기 왕복운동의 방향과 수직이고 상기 반경방향의 섹션을 포함하는 평면에 투영되었을 때, 상기 반경방향의 섹션이 상기 제 1 장착 포인트와 상기 제 2 장착 포인트 중의 적어도 하나에서 상기 큰 반경의 만곡부에 대해 반경방향으로 뻗어 있고 각각의 상기 장착 포인트는 상기 큰 반경의 만곡부의 곡률 중심에 있거나 상기 곡률 중심에 인접해 있도록 하는 형상으로 되어 있는 리니어 압축기로 구성된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면,

실린더 부분;

피스톤 부분;

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

밀봉 하우징;

상기 실린더 부분과 상기 피스톤 부분 사이에서 작동하도록 배열된 리니어 전기 모터;

상기 실린더 부분과 상기 하우징 사이를 연결하고, 상기 왕복운동 방향으로 작용하는 실린더 부분 스프링 수단; 그리고

상기 피스톤 부분과 상기 하우징 사이를 연결하고, 상기 왕복운동 방향으로 탄성적으로 작용하는 피스톤 부분 스프링 수단;을 포함하고 있고,

상기 피스톤 부분 스프링 수단은 상기 실린더 부분의 질량에 대한 상기 피스톤 부분의 질량의 비와 상기 왕복운동 방향으로 작용하는 상기 실린더 부분 스프링 수단의 유효 스프링 상수를 곱한 값을 스프링 상수로 가지고 있는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기로 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면,

헤드, 실린더 및 상기 실린더 내부의 실린더 라이너를 포함하는 실린더 부 분;

피스톤 부분;

상기 피스톤 부분과 상기 실린더 부분 사이에서 작동하도록 구성된 리니어 모터;

상기 실린더 부분과 상기 피스톤 부분 사이를 연결하고, 상기 실린더 부분에 대한 상기 피스톤 부분의 왕복운동 방향으로 작용하는 메인 스프링; 그리고

상기 압축기에 의해 압축된 가스의 공급을 받도록 되어 있는 가스 베어링 매니폴드;

를 포함하고 있고,

상기 피스톤 부분은 반경방향으로는 유연성이 있지만 축방향으로는 강성인 연결장치 및 피스톤을 포함하고 있고, 상기 연결장치는 상기 피스톤과 상기 메인 스프링 사이를 연결하고, 상기 피스톤은 상기 실린더 라이너의 상기 관통 보어 내에서 이동하고,

상기 실린더 라이너는 하나의 관통 보어 및 실린더 라이너의 외측 표면으로부터 상기 보어까지 관통하는 복수의 개구부를 가지고 있고,

상기 실린더 라이너의 외측 표면은 상기 실린더의 내측 표면에 맞닿고;

상기 외측 표면과 상기 내측 표면 중의 하나의 표면은 상기 가스 베어링 매니폴드로부터 상기 실린더 라이너를 관통하는 각각의 상기 개구부까지 꾸불꾸불한 경로로 뻗어있는 하나 이상의 홈을 가지고 있고, 상기 홈은 상기 외측 표면과 상기 내측 표면 중의 다른 하나의 표면에 의해 둘러싸여서 통로를 형성하는 리니어 압축 기로 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면,

실린더 외측 부분;

상기 실린더 외측 부분 내에 있으며 관통 보어를 가지고 있는 실린더 내측 부분;

상기 관통 보어 내에서 왕복운동가능한 피스톤; 및

상기 실린더 내측 부분의 외측 표면으로부터 상기 관통 보어까지 상기 실린더 내측 부분을 관통하고 있으며, 상기 피스톤에 대해 가스 베어링 지지부를 제공하도록 배치되어 있고, 사용시에는 가스의 유동이 통과하는 개구부;

를 포함하고 있는 자유 피스톤 압축기에 있어서,

상기 실린더 내측 부분과 상기 실린더 외측 부분의 경계부나 이 경계부에 인접한 곳에 배치된 가스 베어링 공급 매니폴드;

상기 실린더 내측 부분의 상기 외측 표면과 맞닿는 상기 실린더 외측 부분의 내측 표면; 그리고

상기 내측 표면과 상기 외측 표면 중의 하나의 표면은 상기 매니폴드로부터 상기 개구부까지 꾸불꾸불한 경로로 뻗어있는 홈;

을 포함하고 있고, 상기 홈은 상기 내측 표면과 상기 외측 표면 중의 다른 하나의 표면에 의해 둘러싸여서 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 압축기로 구성된다.

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

[실시예]

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 있는 실린더 스프링(14)에 의해 지지된다. 피스톤(11)은 이하에서 설명되는 가스 베어링에 의해 반경방향으로 지지된다. 피스톤과 실린더가 공진 진동하는 동안 메인 스프링은 강성 ｋ_main을 가지고 있어서, 제 2 모드 공진 주파수 ｆ_natural은 이하의 관계식으로부터 추정될 수 있다,

여기에서 ｍ_piston, ｍ_cylinder는 피스톤 및 실린더 스프링의 스프링 상부 질량이고, ｆ_natural은 압축 가스, 유효 실린더 스프링(실린더 스프링(14)과 배출 튜브(18)의 조합), 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)와 반경방향으로 유연한 피스톤 로드(124)를 통하여 피스톤에 전달된다. 전자기력은 바이폴러 자석(22)으로부터 피스톤 플랜지(7)를 통하여 피스톤에 전달된다. 이 바이폴러 자석들은 서로 접합되어 있으며 또한 피스톤 플랜지(7)에 접합되어 있다.

압축기 모터는 2개 부분의 고정자와, 전기자를 포함한다. 이 고정자는 내측 고정자(6)와 백 아이언(back iron)(5)을 포함하고 있다. 상기 내측 고정자(6)는 코일(1, 2)을 가지고 있다. 상기 전기자는 바이폴러 자석(22)을 포함하고 있다. 고정자(5, 6)와 전기자 자석(22)의 자기적인 상호작용은 (플랜지(7)에 의해 전기자 에 부착된) 피스톤(11)에 왕복력을 발생시킨다.

코일(1, 2)에서의 진동 전류는, 반드시 사인 곡선일 필요는 없으며, 진동 전류의 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. 따라서, 내측 고정자(6)는 접착제, 수축 끼워맞춤 또는 클램프 등에 의해 실린더(9)에 강고하게 부착되어야 한다. 백 아이언(5)은 고정자 장착부(17)에 클램핑되거나 접착된다.

또한 고정자 장착부(17)는 메인 스프링(15)의 외측 끝부를 클램핑하고 또한 상대적으로 약한 백 아이언(5)을 둥글게 유지하고 내측 고정자(6)와 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 질량과, 피스톤 스프링, 실린더 스프링 및 메인 스프링(15)의 강성을 이용하는 복잡한 관계식에 의해 결정된다. 또한, 배출 압력이 높을 경우 압축 가스의 등가 스프링 강성은 메인 스프링의 강성에 더해져야만 한다. 그렇지만, 실린더 스프링은 꽤 연하기 때문에(즉 메인 스프링의 1/100의 강성), 작동 주파수는 상당히 정확하게 아래의 관계식에 의해 구해진다.

피스톤/실린더 운동에 기인하는 바람직한 제 2 모드 외의 다른 소스에 기인하는 외부 진동은 진동 질량을 줄임으로써 그리고 피스톤 및 실린더 스프링이 비교적 연성이 되게 보장함으로써 거의 제거될 수 있다. 유효 실린더 스프링 강성은 실린더 스프링을 전혀 가지지 않고, 배출 튜브(18)의 고유 강성(대략 1000N/m)만 남겨둠으로써 최소값으로 감소될 수 있다(즉, 냉각 튜브가 사용되는 경우에는 배출 튜브와 냉각 튜브 양자의 강성이 결합되어 2000N/m로 된다). 유효 실린더 스프링의 강성이 단지 배출 튜브(18)의 강성(예를 들면, 1000N/m)만을 포함하고 있으므로, 피스톤 스프링의 강성은 아래의 식으로 되어야 한다.

이 식에서 실린더 대 피스톤의 질량비가 10 대 1이라면, 매우 유연한 피스톤 스프링(100Ｎ/ｍ)인 것을 의미한다.

스프링 질량이 대략 100ｇ이고 실린더 대 피스톤의 질량비가 10대 1인 상태에서 대략 75㎐에서 공진하는 메인 스프링을 가진 압축기에 대해서는, 메인 스프링의 강성(ｋ_main)이 약 20,000Ｎ/ｍ으로 될 것이 요구된다. 전형적으로 가스 스프링의 값은 메인 스프링의 값보다 낮지만 크게 낮지는 않다. 상기의 경우에 가스 스프링의 ｋ_gas가 약 15,000Ｎ/ｍ인 상태에서 작동 주파수는 99㎐일 것으로 예상된다.

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

압축기의 실린더 부분은 관통 보어를 가진 실린더(9)와, 이 관통 보어 내의 실린더 라이너(10)를 포함하고 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. 부가적으로 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 베어링에서 발생하는 압력 강하는 피스톤과 실린더 라이너의 보어 사이의 배출류에서 발생하는 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 베어링 통로의 제작을 어렵게 한다.

그렇지만, 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 통로의 단면적도 증가될 수 있도록 통로(8)의 길이를 증가시킴으로써 압력 강하의 조절이 보다 용이하게 된다. 길고 넓은 단면적의 통로는 짧고 좁은 단면적의 통로와 유사한 유동 저항을 가지고 있다. 보다 먼저의 예를 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 매니폴와 각각의 가스 베어링 형성 개구부 사이의 직선 경로보다 상당히 길어질 수 있다. 2가지의 가능한 선택사양이 도 6 및 도 7에 도시되어 있고, 그 각각은 나선형 경로(80)와 꾸불꾸불한 경로(81)이다. 각 경로의 길이는 용이한 제작(기계가공 또는 정밀 성형과 같은 가능한 다른 형태의 가공)을 위해 선택될 수 있는 통로의 바람직한 단면적에 따라서 선택된다.

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 2의 제 1 실시예에 도시되어 있는 바와 같이, 메인 스프링은 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 연결 브릿지(53)의 중심에 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 위 해서, 사각 단면의 와이어가 사용되거나, 스프링의 연결 끝부가 도시되어 있는 바와 같이 평평해진 형상으로 스탬핑될 수 있다.

그렇지만, 메인 스프링의 대체 실시예로서 바람직한 제 2 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. 이들 만곡 섹션은 피스톤 장착 포인트(62)에서 실질적인 연속상태로 만나게 된다. 각 만곡 섹션은 만곡 섹션의 끝부(65, 66)에서 부드럽게 만곡하여 실린더 장착 포인트(67, 68)와 반경방향으로 정렬된다. 이 상기 끝부(65, 66)에서의 곡률이 더 크게 변환되는 만곡부는 곡률이 더 크게 변환되는 부분을 따라서 대체로 균일한 응력 분포를 유지하도록 선택되는 것이 바람직하다. 실린더 장착 끝부(67, 68)는 실린더 장착 포인트(60, 61) 사이를 잇는 라인과 정렬되는 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 서로 간섭하는 것을 가까스로 피하게 한다. 전체 스프링은 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(63, 64)을 따라 분포하는 비틀림 응력 또한 대체로 일정하다. 실린더 장착 섹션(67, 68)이 반경방향, 또는 대체로 반경방향으로 향함으로 인해서, 스프링의 실린더 장착부에서의 비틀림 응력은 최소로 되고 실린더 부분에 대한 스프링(59)의 장착성이 향상된다. 스프링의 중앙 장착 포인트(62)는 큰 비틀림 응력을 가지고 있지만, 이로 인해 장착이 아주 복잡하게 되지는 않는다. 왜냐하면 상기 장착부는 장착부 내에서의 스프링 아암부의 운동을 허용하기 위해 탄성(예를 들면, 고무) 부트(boot)로 스프링 아암부를 둘러싸도록 만들어질 수 있기 때문이다. 스프링의 대칭성(이 스프링은 180도 회전대칭이다)으로 인해, 장착부 내에서의 스프링 아암부의 운동은 주기적이고, 이러한 스프링 아암부를 주기적으로 운동시키는 힘이 상기 장착부를 스프링 아암부를 따라서 변형시키거나 어긋나게 해서는 않된다. 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(예를 들면, 균일한 응력이 일정한 단면의 와이어에 특히 적합하다는 점)이 구현되지 않을 수 있다.

도 3의 스프링에 대한 변경은 본 발명의 사상을 일탈하지 않고서도 가능하다 는 사실을 알아야 한다. 특히, 스프링 아암부가 압축기 장착부에서 압축기 장착부 사이의 라인에 수직이 되도록 스프링이 형성된다면, 상기 스프링 아암부는 제 1 루프의 아래 또는 위에, (비록 거울상이지만)동등한 루프를 형성하도록 다른 압축기 장착부 뒤에 연속될 수 있다. 물론 이 루프는 제 1 루프의 아래 또는 위에 제 2 피스톤 연결 포인트를 가질 수도 있다. 다른 압축기 연결 포인트에서 끝부는 만날 수 있고, 또는 그 대체 실시형태로서 이 제 2 루프는, 제 2 루프 아래에(또는 필요하다면 위에), 제 3 루프를 형성하도록 제 1 압축기 장착 포인트 뒤에(또는 적어도 장착 포인트 바로 위 또는 바로 아래에) 상기 연결 포인트를 통하여 계속될 수도 있다. 이러한 일련의 루프는 소정의 스프링 상수를 얻는데 필요한 만큼의 루프를 포함하도록 계속될 수 있다. 명백히 이것은 스탬핑 플레이트 방법에 의해서는 구성될 수 없는 평면 스프링 구성이다.

그렇지만, 메인 스프링에 대한 바람직한 제 3 실시예는 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.

바람직한 제 3 실시예에서, 메인 스프링은 평면 스프링과는 다른 형태를 가지고 있다. 제 3 실시예는 제 2 실시예의 스프링의 개념적인 특징을 많이 보유하고 있으므로 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 피스톤 부분에 장착하기 위한 추가적인 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. 상기 만곡 섹션의 양 끝부(65, 66)에서 상기 만곡 섹션은 실린더 장착 끝부에서의 구간(67, 68)이 반경방향으로 정렬되도록 만곡한다. 상기 양 끝부(65, 66)에서의 곡률이 더 크게 변경되는 만곡부는 이러한 곡률이 더 크게 변경되는 부분을 따라서 대체로 균일한 응력 분포를 유지하도록 선택된다. 도 4 및 도 5의 스프링(15)은 스프링(15)의 일정한 곡률부(63, 64)가 360도를 초과하는 것을 포함하는 임의의 각도 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. 각각의 만곡부(63, 64)를 따라서 분포하는 비틀림 응력 또한 대체로 일정하다. 실린더 장착 섹션(67, 68) 및 피스톤 장착 포인트(62)가 반경방향 또는 대체로 반경방향으로 향해있기 때문에, 실린더 장착 끝부 및 피스톤 장착 포인트에서의 비틀림 응력은 최소로 되고 실린더 부분 및 피스톤 부분에 대한 스프링(15)의 장착성이 향상된다.

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

Claims (3)

1. 실린더 부분;

   피스톤 부분;

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

   밀봉 하우징;

   상기 실린더 부분과 상기 피스톤 부분 사이에서 작동하도록 배열된 리니어 전기 모터;

   상기 실린더 부분과 상기 하우징 사이를 연결하고, 상기 왕복운동 방향으로 작용하는 실린더 부분 스프링 수단; 그리고

   상기 피스톤 부분과 상기 하우징 사이를 연결하고, 상기 왕복운동 방향으로 탄성적으로 작용하는 피스톤 부분 스프링 수단;

   을 포함하고 있고,

   상기 피스톤 부분 스프링 수단은 상기 실린더 부분의 질량에 대한 상기 피스톤 부분의 질량의 비와 상기 왕복운동 방향으로 작용하는 상기 실린더 부분 스프링 수단의 유효 스프링 상수를 곱한 값을 스프링 상수로 가지고 있는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 부분 스프링 수단은 상기 실린더 부분으로부 터 상기 하우징까지의 모든 연결부를 포함하고 있고 상기 연결부는 탄성적으로 변형가능하고, 낮은 강성을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 연결부는 상기 압축기로부터 상기 밀봉 하우징 외부로 압축 냉매를 운반하는 배출관과 상기 리니어 전기 모터의 고정자로의 전기 접속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.

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