KR20090043375A - 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 실린더를 비자성체와 자성체로 구분하여 형성함으로써, 상기 실린더로 누설되는 자속을 최소화하여 모터의 철손을 최소한으로 줄이는 동시에 상기 피스톤과의 마모를 줄일 수 있다. 이를 통해 상기 왕복동 압축기의 효율을 높이는 반면 상기 왕복동식 압축기의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

왕복동식 압축기, 왕복동모터, 자속, 철손, 자성체

Description

왕복동식 압축기{RECIPROCATING COMPRESSOR}

본 발명은 왕복동식 압축기에서 실린더에 관한 것이다.

일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤이 실린더의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입 압축하여 토출하는 방식이다. 상기 왕복동식 압축기는 피스톤의 구동방식에 따라 연결형과 진동형으로 구분할 수 있다. 상기 연결형 왕복동식 압축기는 상기 피스톤이 회전모터의 회전축에 컨넥팅 로드로 연결되어 실린더에서 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이다. 반면, 상기 진동형 왕복동식 압축기는 상기 피스톤이 왕복동모터의 가동자에 연결되어 진동하면서 실린더에서 왕복운동을 하여 냉매를 압축하는 방식이다. 본 발명은 진동형 왕복동식 압축기에 관한 것으로 이하에서는 진동형 왕복동식 압축기를 왕복동식 압축기라고 약칭한다.

상기 왕복동식 압축기는 원통형으로 형성되는 외측고정자와 내측고정자 그리고 양쪽 고정자 사이에 위치하여 왕복운동을 하거나 또는 코일이 감기지 않은 고정자에 고정되어 함께 왕복운동을 하는 가동자로 된 왕복동모터와, 상기 왕복동모터의 내측고정자에 압입되어 프레임에 고정되거나 또는 상기 내측고정자에 압입되어 가동자와 함께 왕복운동을 하는 실린더와, 상기 가동자에 결합되거나 또는 케이싱 에 결합되어 상기 실린더에 대해 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 피스톤과, 상기 실린더의 전후 양측, 또는 상기 피스톤의 전후 양측에는 상기 왕복동모터의 왕복운동을 공진시켜 상기 피스톤의 상대운동을 유도하는 공진스프링으로 이루어져 있다. 그리고 상기 피스톤의 내부에는 냉매를 흡입하는 흡입유로가 형성되고, 상기 흡입유로의 끝단에는 흡입밸브가, 상기 실린더의 선단에는 토출밸브가 각각 설치되어 있다.

상기 왕복동식 압축기는 상기 왕복동모터의 자속(magnet flux) 방향을 따라 상기 피스톤이 실린더에 대해 상대 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입, 압축하여 토출하는 일련의 과정을 반복하게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기에 있어서는, 상기 왕복동모터에서 자력누설이 발생되는 것을 감안하여 상기 프레임은 비자성체인 알루미늄 재질로 제작되는 반면 상기 실린더는 피스톤과의 마모를 고려하여 상대적으로 경도가 큰 자성체의 주철로 제작하는 것이나, 상기 프레임에서는 모터 코어와 도체에 쇄교하는 자속의 변화에 의해 와전류가 발생하게 되고 이 와전류에 의해 자속이 상기 실린더로 누설되는 모터의 철손(iron loss)이 증가되어 결국 압축기 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 상기 실린더의 경도를 유지하면서 상기 왕복동모터의 철손을 줄여 압축기의 효율저하를 방지할 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 가동자가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터; 상기 왕복동모터를 지지하는 프레임; 상기 프레임에 일체로 형성되는 제1 실린더부와, 상기 프레임에 결합되는 제2 실린더부로 된 실린더; 및 상기 실린더에 삽입되어 상대왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 피스톤;을 포함한 왕복동식 압축기가 제공된다.

본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 상기 실린더를 비자성체와 자성체로 구분하여 형성함으로써 상기 실린더로 누설되는 자속을 최소화하여 모터의 철손을 최소한으로 줄이는 동시에 상기 피스톤과의 마모를 줄일 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 가스흡입관(SP)과 가스토출관(DP)이 연통되는 케이싱(10)과, 상기 케이싱(10)의 내부에 탄력 지지되는 프레임유닛(20)과, 상기 프레임유닛(20)에 지지되어 후술할 가동자(33)가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터(30)와, 상기 왕복동모터(30)의 가동자(33)에 후술할 피스톤(42)이 결합되어 상기 프레임유닛(20)으로 지지되는 압축 유닛(40)과, 상기 왕복동모터(30)의 가동자(33)와 상기 압축유닛(40)의 피스톤(42)을 운동방향으로 탄력 지지하여 공진운동을 유도하는 복수 개의 공진유닛(50)을 포함한다.

상기 프레임유닛(20)은 상기 압축유닛(40)이 지지되고 상기 왕복동모터(30)의 전방측을 지지하는 제1 프레임(21)과, 상기 제1 프레임(21)에 결합되어 상기 왕복동모터(30)의 후방측을 지지하는 제2 프레임(22)과, 상기 제2 프레임(22)에 결합되어 후술할 복수 개의 제2 공진스프링들(53)을 지지하는 제3 프레임(23)으로 이루어진다. 상기 제1 프레임(21)과 제2 프레임(22) 그리고 제3 프레임(23)은 모두 철손을 줄일 수 있도록 알루미늄과 같은 비자성체로 형성될 수 있다. 그리고 상기 제1 프레임(21)은 도너츠 모양으로 형성되고, 그 후측면, 즉 상기 왕복동모터(30)가 지지되는 일측면에는 후술할 내측고정자(32)의 전방면을 지지하도록 고정돌부(21a)가 원통모양으로 돌출 형성된다.

상기 왕복동모터(30)는 상기 제1 프레임(21)과 제2 프레임(22) 사이에 지지되고 코일(C)이 권선되는 외측고정자(31)와, 상기 외측고정자(31)의 안쪽에 일정 간격을 두고 결합되어 후술할 제1 실린더부(47)에 삽입 설치되는 내측고정자(32)와, 상기 외측고정자(31)의 코일(C)에 대응되도록 자석(M)이 구비되어 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에서 자속 방향을 따라 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(33)로 이루어진다. 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32)는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 낱장씩 원통형으로 적층하거나 또는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 블록모양으로 적층하여 그 스테이터블록을 방사상으로 적층하여 이루어진다.

상기 압축유닛(40)은 상기 제1 프레임(21)에 일체로 형성되는 동시에 별개로 삽입되어 고정되는 실린더(41)와, 상기 왕복동모터(30)의 가동자(33)에 결합되어 상기 실린더(41)의 압축공간(P)에서 왕복운동을 하는 피스톤(42)과, 상기 피스톤(42)의 선단에 장착되어 그 피스톤(42)의 흡입유로(42a)를 개폐하면서 냉매가스의 흡입을 조절하는 흡입밸브(43)와, 상기 실린더(41)의 토출측에 장착되어 상기 실린더(41)의 압축공간(P)을 개폐하면서 압축가스의 토출을 조절하는 토출밸브(44)와, 상기 토출밸브(44)를 탄력적으로 지지하는 밸브스프링(45)과, 상기 토출밸브(44)와 밸브스프링(45)을 수용하도록 상기 실린더(41)의 토출측에서 상기 제1 프레임(21)에 고정되는 토출커버(46)로 이루어진다.

상기 실린더(41)는 도 2에서와 같이 상기 제1 프레임(21)에 일체로 형성되는 제1 실린더부(47)와, 상기 제1 실린더부(47)의 전방측, 즉 상기 토출밸브(44)쪽에 위치하도록 별개로 제작되어 상기 제1 프레임(21)에 결합되는 제2 실린더부(48)로 이루어진다. 상기 제1 실린더부(47)는 상기 제1 프레임(21)과 같이 알루미늄과 같은 비자성체로 형성되고, 상기 제2 실린더부(48)는 상기 피스톤(42)과의 마모를 고려하여 가급적 경도가 높은 재질, 즉 주철이나 적어도 상기 제1 프레임(21)보다 경도가 높은 재질로 형성될 수 있다.

상기 제1 실린더부(47)는 상기 제1 프레임(21)의 고정돌부(21a)에서 연장되는 단순 원통모양으로 형성될 수 있고, 상기 제2 실린더부(48)는 상기 제1 프레임(21)의 내주면에 삽입되어 후측 방향으로 고정될 수 있도록 그 외주면에 걸림돌기(41a)가 환형 또는 돌기모양으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제1 실린더 부(47)는 제1 프레임(21)의 고정돌부(41a) 내주면에 제1 오일포켓(21b)을 음각지게 형성할 수 있도록 그 제1 오일포켓(21b)의 끝단에서부터 형성될 수 있도록 할 수 있고, 상기 제2 실린더부(48)는 그 내주면에 상기 피스톤(42)의 외주면과 사이에 제2 오일포켓(41b)이 음각지게 형성될 수 있다.

그리고 상기 제2 실린더부(48)는 인서트 다이캐스팅으로 상기 제1 프레임(21)에 결합되는 것이 조립공정을 간소화할 수 있고 조립강도를 높일 수 있어 바람직할 수 있고, 상기 제2 실린더부(48)의 베어링 길이(L1)는 도 3에서와 같이 적어도 피스톤(42)의 왕복길이(L2)보다 길고 상기 피스톤(42)의 왕복범위를 항상 수용할 수 있게 형성되는 것이 상기 실린더(41)와 피스톤(42)의 마모를 줄일 수 있어 바람직할 수 있다.

상기 피스톤(42)은 상기 제2 실린더부(48)의 재질과 동일한 재질로 형성되거나 적어도 경도가 비슷한 재질로 형성되는 것이 상기 실린더(41)와의 마모를 줄일 수 있어 바람직하다. 그리고 상기 피스톤(42)의 내부에는 냉매가 상기 실린더의 압축실(P)로 흡입되도록 흡입유로(42a)가 관통 형성되고, 상기 피스톤(42)의 외주면에는 그 선단측, 즉 상기 흡입밸브(43)가 설치되는 쪽에는 상기 제2 실린더부(48)의 내주면과 미끄럼 접촉되는 제1 베어링부(42b)가 형성되며, 상기 피스톤(42)의 후단측 외주면에는 상기 제1 실린더부(47)에 지지되도록 제2 베어링부(42c)가 형성된다. 그리고 상기 제1 베어링부(42b)와 제2 베어링부(42c) 사이에는 상기 실린더(41)의 제2 오일포켓(41b)과 함께 오일저장공간을 형성하도록 음각진 오일저장부(42d)가 형성된다. 상기 제1 베어링부(42b)의 외경이 상기 제2 베어링부(42c)의 외경보다는 약간 크게 형성됨에 따라 상기 제2 실린더부(48)의 경도가 제1 실린더부(47)의 경도보다 높게 형성되는 것이다.

상기 공진유닛(50)은 상기 가동자(33)와 피스톤(42)의 연결부에 결합되는 스프링서포터(51)와, 상기 스프링서포터(51)의 전방측에 지지되는 제1 공진스프링들(52)과, 상기 스프링서포터(51)의 후방측에 지지되는 제2 공진스프링들(53)로 이루어진다.

상기와 같은 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 왕복동모터(30)에 전원이 인가되어 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32)의 사이에 자속이 형성되면, 도 4 및 도 5에서와 같이 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이의 공극에 놓인 상기 가동자(33)가 자속의 방향을 따라 움직이면서 상기 공진유닛(50)에 의해 지속적으로 왕복운동을 하게 된다. 그리고 상기 피스톤(42)이 상기 실린더(41)의 내부에서 후진운동을 할 때 상기 케이싱(10)의 내부공간에 채워져 있던 냉매가 상기 피스톤(42)의 흡입유로(42a)와 상기 흡입밸브(43)를 통과하여 상기 실린더(41)의 압축공간(P)으로 흡입된다. 그리고 상기 피스톤(42)이 실린더(41)의 내부에서 전진운동을 할 때 상기 압축공간(P)으로 흡입된 냉매가스가 압축되어 상기 토출밸브(44)를 열면서 토출하는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이때, 상기 왕복동모터(30)에서 발생되는 자속은 상기 왕복동모터(30)의 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에서만 형성되는 것이 모터의 효율을 가장 높일 수 있으나, 상기 왕복동식 압축기는 그 구조적인 특성상 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32)의 주변에 제1 프레임(21)과 제2 프레임(22) 그리고 실린더(41) 등이 위치하게 된다. 따라서 상기 왕복동모터(30)의 효율을 높이기 위하여는 그 왕복동모터(30)의 자속이 제1 프레임(21)과 제2 프레임(22) 그리고 실린더(41)로 누설되는 것을 최소화할 수 있도록 하여야 한다. 이를 위해, 상기 제1 프레임(21)과 제2 프레임(22) 그리고 실린더(41)를 모두 비자성체인 알루미늄 재질로 형성할 수도 있으나, 이 경우 상기 실린더(41)의 경우 피스톤(42)과의 마모, 특히 상기 피스톤(42)의 제1 베어링부(42b)는 상기 실린더(41)와 베어링면을 이루면서 미끄럼 접촉함에 따라 그만큼 마모될 위험이 많은 부위이므로 자속누설은 물론 마모로부터 보호할 수 있는 구조를 제공하여야 한다. 따라서, 본 발명에서는 앞선 두 가지의 과제 모두를 해소할 수 있는 방안으로 상기 실린더(41)를 제1 실린더부(47)와 제2 실린더부(48)로 구분하였다. 그리고 상기 제1 실린더부(47)는 비자성체인 상기 제1 프레임(21)과 일체로 형성함에 따라 도 3에서와 같이 상기 제2 실린더부(48)로 누설되는 자속을 최소화하여 모터의 철손을 최소한으로 줄이는 동시에 상기 제2 실린더부(48)는 비록 자성체이나 경도가 높은 재질로 형성하여 상기 피스톤(42)과의 마모를 줄일 수 있도록 하였다.

이렇게 하여, 상기 왕복동모터의 철손을 줄여 왕복동식 압축기의 효율을 높이는 동시에 상기 실린더와 피스톤의 마모를 줄여 왕복동식 압축기의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 왕복동식 압축기는 냉장고 또는 에어콘과 같은 냉동기계에 폭넓게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명 왕복동식 압축기를 보인 종단면도,

도 2는 도 1에 따른 제1 프레임과 실린더를 확대하여 보인 종단면도,

도 3은 도 1에 따른 왕복동모터의 자속을 보인 개략도,

도 4 및 도 5는 도 1에 따른 왕복동식 압축기의 왕복운동을 보인 종단면도.

Claims (7)

1. 가동자가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터;

   상기 왕복동모터를 지지하는 프레임;

   상기 프레임에 일체로 형성되는 제1 실린더부와, 상기 프레임에 결합되는 제2 실린더부로 된 실린더; 및

   상기 실린더에 삽입되어 그 실린더에 대해 상대왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 피스톤;을 포함한 왕복동식 압축기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 실린더부는 제1 실린더부와 다른 재질로 형성되는 왕복동식 압축기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제2 실린더부는 제1 실린더부 보다 경도가 높은 재질로 형성되는 왕복동식 압축기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 실린더부는 상기 피스톤의 재질과 동일한 재질로 형성되는 왕복동식 압축기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제2 실린더부의 길이는 상기 피스톤의 행정거리보다 짧지 않게 형성되는 왕복동식 압축기.
6. 제1항에 있어서,

   제2 실린더부는 인서트 다이캐스팅으로 상기 프레임에 결합되는 왕복동식 압축기.
7. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 피스톤은 그 내부에 유체가 상기 실린더의 압축실로 흡입되도록 흡입유로가 길이방향으로 관통 형성되고, 상기 피스톤의 일측 선단면에는 상기 흡입유로를 개폐하기 위한 밸브가 설치되며, 상기 제2 실린더부는 그 내주면이 상기 밸브가 설치되는 피스톤의 선단부 외주면과 베어링 접촉되는 왕복동식 압축기.

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