KR20100112483A - 리니어 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 리니어 압축기는 압축공간이 내부에 구비된 실린더; 실린더의 축방향 일단 외주면에 고정된 프레임; 프레임에 맞닿도록 실린더 외주면에 끼워지는 이너스테이터; 프레임에 맞닿도록 이너스테이터 외주면에 간극을 유지하도록 끼워지되, 이너스테이터의 축방향 일단을 프레임에 눌러주도록 겹쳐지는 아우터스테이터; 그리고, 아우터스테이터의 축방향에서 결합되고, 프레임과 볼트 체결되어 스테이터들을 프레임에 고정시키는 고정력을 제공하는 모터 커버;를 포함하기 때문에 아우터스테이터를 고정시키는 동시에 이너스테이터를 고정시킬 수 있어 조립 공정을 단순화시켜 생산성을 높일 수 있다.
리니어 압축기, 프레임, 실린더, 이너스테이터, 아우터스테이터, 모터 커버

Description

리니어 압축기 {LINEAR COMPRESSOR}
본 발명은 저압축 용량 및 소형 설치공간이라는 요구에 부응하면서 고효율을 담보할 수 있는 리니어 압축기에 관한 것으로서, 특히 두 개의 스테이터를 한꺼번에 고정시킬 수 있는 리니어 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키도록 구성된다.
최근에는 왕복동식 압축기는 구동모터의 회전력을 피스톤의 왕복 직선 운동력으로 전환하기 위하여 크랭크 축 등과 같은 구성부품을 포함하기 때문에 운동전환에 의한 기계적인 손실이 크게 발생되는 문제점이 있는데, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.
이러한 리니어 압축기는 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 리니어 모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없어 압축효율을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 간단하고, 이러한 리니어 모터로 입력되는 전원을 제어하여 그 작동을 제어할 수 있기 때문에 다른 압축기에 비해 소음이 작아 실내에서 사용되는 냉장고 등과 같은 가전기기에 많이 적용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기 일예가 도시된 평단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터 일예가 도시된 분해 측단면도이다.
종래의 리니어 압축기는 도 1에 도시된 바와 같이 밀폐용기(1) 내측에 프레임(2), 실린더(3), 피스톤(4), 흡입밸브(5), 토출밸브 어셈블리(6), 모터 커버(7), 서포터(8), 백 커버(9), 머플러 어셈블리(10), 8개의 스프링(20), 리니어 모터(30)로 이루어진 구조체가 탄성 지지되도록 설치된다. 물론, 밀폐용기(1)에는 냉매가 흡입되는 흡입관(1a) 및 압축된 냉매가 토출되는 토출관(1b)이 구비된다.
스프링들(20)은 피스톤(4)이 축방향으로 탄성 지지하도록 설치되는데, 4개의 제1스프링들(21)이 모터 커버(7)와 서포터(8) 사이에 설치되고, 4개의 제2스프링들(22)이 서포터(8)와 백 커버(9) 사이에 설치된다. 따라서, 피스톤(4)이 냉매를 압축시키는 방향으로 이동할 때, 제1스프링들(21)이 압축되면서 피스톤(4)을 탄성 지지하는 반면, 피스톤(4)이 냉매를 흡입시키는 방향으로 이동할 때, 제2스프링들(22)이 압축되면서 피스톤(4)을 탄성 지지한다.
리니어 모터(30)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32) 사이에 간극(Air-gap)을 유지하고, 그 사이에 영구자석(33)이 왕복 직선 운동 가능하도록 설치되되, 영구자석(33)이 연결부재(34)에 의해 피스톤(4)과 연결됨에 따라 피스톤(4)을 왕복 구동시킨다. 이너스테이터(31)는 라미네 이션이 원주방향으로 적층된 원통형상으로 형성되는데, 이너스테이터(31)의 축방향 일단이 프레임(2)의 일면에 맞닿도록 실린더(3)의 외주면에 끼워진 다음, 고정링(C)이 실린더(3)에 구비된 고정홈(3h)과 이너스테이터(31)의 단부에 구비된 고정홈(31h)에 끼워지면서 이너스테이터(31)의 축방향 다른 일단이 실린더(3) 외주면에 고정된다. 아우터스테이터(32)는 코일 권선체(32A)에 원주 방향으로 일정 간격을 두고 복수개의 코어들(32B)이 결합되는데, 코어(32B)는 코일 권선체(32A)의 외주면을 감싸도록 설치되고, 코일 권선체(32A)의 내주면 일부를 감싸도록 한 쌍의 폴이 구비된다. 물론, 아우터스테이터(32)는 이너스테이터(31) 외주면과 간극을 유지하도록 설치되는데, 아우터스테이터(32)는 축방향으로 프레임(2)과 모터 커버(7)에 맞닿도록 위치된 다음, 모터 커버(7)가 프레임(2)에 볼트 체결됨에 따라 고정된다. 영구자석(33)은 N-S 극을 가지되, 이너스테이터(31)와 마주보는 면과 아우터스테이터(32)와 마주보는 면에 각 극(N-S)이 위치하도록 설치되며, 연결부재(34)에 의해 피스톤(4)과 연결되도록 설치된다. 따라서, 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32) 및 영구자석(33) 사이에 상호 전자기력에 의해 영구자석(33)이 왕복 직선 운동하면서 피스톤(4)을 작동시킨다.
따라서, 피스톤(4)과 영구자석(33)으로 구성되는 이동부재는 실린더(3)와 스테이터들(31,32)로 구성되는 고정부재에 대하여 직선 운동 방향을 기준으로 양쪽에서 기계 스프링(20)에 의해 지지되기 때문에 이동부재의 질량(mass : M)과 이를 지지하는 스프링들의 스프링 상수(spring constant : K)에 의해 정의되는 M-K 공진 주파수를 산출하고, 리니어 모터(30)에 인가되는 전원 주파수를 M-K 공진 주파수를 추종하도록 설계함으로써, 리니어 압축기의 효율을 최적화시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 종래 기술의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
코일 권선체(32A)에 전원이 입력되면, 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32)는 N/S 극이 번갈아가면서 착화되고, 그 사이에 위치한 영구자석(33)은 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32)의 극 변화에 따라 인력 또는 척력에 의해 움직이면서 왕복 직선 운동하게 된다. 이때, 영구자석(33)의 중심이 아우터스테이터(32)의 두 개의 폴 끝단을 벗어나면, 영구자석(33)에 인력이 미치지 않거나 전자기장의 외부 발산이 커지기 때문에 영구자석(33)이 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32) 사이에서 이탈되거나 외부로 발산된 전자기장에 의해 밀폐용기(1) 혹은 밀폐용기(1) 내의 다른 구성부품을 자화시키면서 작동 신뢰성을 떨어뜨리기 되는데, 이를 방지하기 위하여 피스톤(4)의 스트로크 즉, 영구자석(33)의 이동 거리는 영구자석(33)의 중심이 아우터스테이터(32)의 두 개의 폴 끝단까지로 엄격히 제한되어 왔고, 이를 위해 고강성의 스프링강으로 만들어진 여러 개의 기계 스프링이 도 1에 보인 바와 같이 이동부재를 탄성 지지하는데 사용되어 왔다.
이와 같이 리니어 모터(30)가 작동되면, 피스톤(3) 및 이와 연결된 머플러 어셈블리(10)가 왕복 직선 운동하게 되고, 압축공간(P)의 압력이 가변됨에 따라 흡입밸브(5) 및 토출밸브 어셈블리(6)가 작동되며, 이와 같은 작동에 의해 냉매가 밀폐용기(1)의 흡입관(1a), 백 커버(9)의 개구부, 머플러 어셈블리(10), 피스톤(3)의 흡입구들을 지나 압축공간(P)으로 흡입되어 압축된 다음, 토출밸브 어셈블리(6), 루프 파이프(미도시) 및 밀폐용기(1)의 토출관(1b)을 통하여 외부로 빠져나간다.
최근의 리니어 압축기는 저용량에도 쉽게 적용될 수 있을 뿐 아니라 좁은 공간에서도 쉽게 설치될 수 있도록 개발되고 있다. 그런데, 종래의 리니어 압축기 및 이에 적용된 리니어 모터는, 피스톤(4)의 스트로크 길이를 전술한 이유 때문에 영구자석(33)의 중심이 아우터스테이터(32)의 두 개의 폴 사이에서 왕복 직선 운동하는 거리로 엄격히 제한하고, 이를 위하여 여러 개의 스프링(20)을 사용하는 까닭에 저용량의 단순한 구조에 사용되기에 부적합하다.
따라서, 본 발명에서는, 이너스테이터와 아우터스테이터의 일단이 서로 연결됨에 따라 이너스테이터와 아우터스테이터의 하나의 폴 사이에서만 영구자석이 왕복 직선 운동하는 리니어 모터의 구조로 개선되고, 영구자석 및 이와 연결된 피스톤의 스트로크가 줄어듦에 따라 피스톤이 삽입되는 실린더의 길이도 짧아진다. 하지만, 실린더의 길이가 이너스테이터의 길이보다 더 짧아지기 때문에 이너스테이터를 실린더의 외주면에 고정링으로 고정시킬 수 없고, 별도의 고정 구조가 요구된다.
본 발명은 리니어 모터 구조를 변경함으로써, 구성 부품을 일체화 또는 삭제하여 경량화 또는 소형화시킬 수 있고, 자기 스프링 상수를 이용하여 효율을 높일 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 두 개의 스테이터를 한꺼번에 고정시킬 수 있는 리니어 압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 압축공간이 내부에 구비된 실린더; 실린더의 축방향 일단 외주면에 고정된 프레임; 프레임에 맞닿도록 실린더 외주면에 끼워지는 이너스테이터; 프레임에 맞닿도록 이너스테이터 외주면에 간극을 유지하도록 끼워지되, 이너스테이터의 축방향 일단을 프레임에 눌러주도록 겹쳐지는 아우터스테이터; 그리고, 아우터스테이터의 축방향에서 결합되고, 프레임과 볼트 체결되어 스테이터들을 프레임에 고정시키는 고정력을 제공하는 모터 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.
또한, 본 발명에서, 이너스테이터는 축방향 일단 외주면에 외주 방향으로 돌출된 고정용 돌기가 구비되고, 아우터스테이터는 축방향 일단 내주면에 이너스테이터의 고정용 돌기를 축방향으로 눌러주는 고정용 홈이 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 프레임은 이너스테이터의 고정용 돌기가 일부 수용되는 위치결정용 홈이 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 이너스테이터의 고정용 돌기와 아우터스테이터의 고정용 홈이 결합되면, 이너스테이터의 축방향 일단은 프레임과 맞닿고, 아우터스테이터의 축방향 일단은 프레임과 간극을 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 리니어 압축기는 실린더 내측에서 왕복 직선 운동하면서 작동가스를 압축시키는 피스톤과, 이너스테이터와 아우터스테이터의 간극에서 상호 전자기력에 의해 피스톤을 왕복 직선 운동시키는 복수개의 영구자석;을 더 포함하고, 아우터스테이터는 이너스테이터와 연결된 부분과 반대 방향에 이너스테이터와 간극을 이루는 폴을 구비하며, 영구자석들은 이터스테이터와 아우터스테이터 사이의 간극에서 왕복 직선 운동할 시에, 그 상사점 및 하사점에서, 하나 이상의 영구자석이 이너스테이터와 아우터스테이터의 폴 사이의 간극 공간부를 벗어나는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 리니어 압축기는 피스톤을 왕복 직선 운동 방향의 양쪽에서 탄성 지지하는 스프링들;을 포함하고, 피스톤과 영구자석들을 포함하는 가동부재의 질량(M), 스프링들의 복원력에 의해 정의되는 기계 스프링 상수(Kmechanical), 압축공간 내의 작동유체 압력에 의해 정의되는 가스 스프링 상수(Kgas), 영구자석들이 이너스테이터와 아우터스테이터 사이의 간극에서 왕복 직선 운동 시에 영구자석의 한 극 중심이 아우터스테이터의 폴 중심과 일치하려는 복원력에 의해 정의되는 자기 스프링 상수(Kmagnet)에 의해 정의되는 공진 주파수(fo)를 이용하여 운전되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 스프링들은 피스톤을 축방향 양쪽에서 지지하는 제1,2스프링인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 피스톤과 축방향으로 간격을 유지하도록 설치된 백 커버;를 더 포함하고, 제1스프링은 피스톤 플랜지와 백 커버 사이에 설치되고, 제2스프링은 실린더와 피스톤의 플랜지 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 실린더는 이너스테이터 또는 아우터스테이터보다 축방향 길이가 짧게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 실린더와 프레임은 자성 재질로 일체로 제작된 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 리니어 압축기는 이너스테이터와 아우터스테이터의 하나의 폴 사이에서 운동 방향으로 연결된 두 개의 영구자석이 왕복 직선 운동하는 리니어 모터가 채용되고, 이러한 리니어 모터가 채용된 리니어 압축기는 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 고려하여 기존과 같은 공진 주파수를 설계함에 따라 기계 스프링 상수(Kmechanical)를 낮게 설계할 수 있기 때문에 두 개의 스프링만 피스톤을 지지하도록 구성할 수 있고, 그에 따라 두 개의 스프링이 피스톤을 직접 탄성 지지하도록 하기 때문에 서포터를 생략하거나, 모터 커버 형상을 단순화시킬 수 있어 저용량화, 경량화, 소형화시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 이너스테이터와 아우터스테이터의 일단이 서로 연결된 리니어 모터 구조로 개선되기 때문에 실린더의 길이가 이너스테이터의 길이보다 짧아지더라도 아우터스테이터를 프레임에 모터 커버로 고정시키면, 이너스테이터도 아우터스테이터와 같이 고정됨에 따라 조립 공정을 단순화시킬 뿐 아니라 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기 일예가 도시된 평단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구조체 일예가 도시된 측단면도이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 냉매가 흡/토출되는 흡입관(101a) 및 토출관(101b)이 구비된 밀폐용기(101)와, 밀폐용기(101) 내측에 프레임(102), 실린더(103), 피스톤(104), 흡입밸브(105) 및 토출밸브 어셈블리(106), 모터 커버(107), 백 커버(108), 흡입 머플러(110), 두 개의 스프링(120: 121,122), 리니어 모터(130)로 이루어진 구조체가 탄성 지지되도록 설치된다.
프레임(102)과 실린더(103)는 일체로 제작되는데, 본 발명에 따른 리니어 모터(130)의 특성상 자성 재질로 형성되더라도 무방하다. 즉, 종래의 리니어 압축기에서는 전술한 바와 같이 리니어 모터에 두 개의 폴이 존재했고, 실린더 측의 폴에 존재하는 간극을 통해 자속이 누설됨에 따라 프레임을 자화시키기 때문에 불가피하게 프레임, 실린더, 피스톤 중 하나 이상을 알루미늄과 같은 비자성체로 제작하여야 했다. 하지만, 본 발명에 따른 리니어 모터(130)에서는 후술하는 바와 같이, 프레임(102) 및 실린더(103) 측에서 리니어 모터(130)의 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)가 서로 맞닿아서, 이들 간에 폐루프가 형성됨에 따라 외부로 자속이 누설될 염려가 없기 때문에 프레임(102)이나 실린더(103)을 비자성체로 형성할 필요가 없고, 주철 등으로 프레임(102)과 실린더(103)를 일체로 주조할 수 있게 된다.
실린더(103)는 압축공간(P)이 구비될 수 있는 원통형상으로 형성되는데, 기존의 리니어 압축기에 비해 피스톤의 스트로크 길이가 짧게 구성되기 때문에 기존 의 실린더보다 축방향으로 짧게 형성되며, 하기에서 설명될 리니어 모터(130)의 스테이터들(131,132)의 축방향 길이보다 짧게 형성된다.
피스톤(104)은 원통형의 막힌 일단에 구비되어 압축공간(P)으로 냉매를 흡입시키는 흡입구(104h)가 구비된 헤드부(104a)와, 원통형의 개방된 다른 일단에 반경 방향으로 확장되도록 형성된 플랜지부(104b)로 이루어지되, 리니어 모터(130)에서 자력 누설을 방지하기 위하여 일부가 비자성 재질로 제작될 수도 있다. 이것은 후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 리니어 모터(130)에도 피스톤(104)의 플랜지부(104b) 쪽으로 폴이 존재하기 때문인데, 이 폴의 간극을 통해 누설된 자속이 그 부근의 자성체 부재를 자화시키기 때문이다. 이때, 피스톤(104)의 헤드부(104a)는 실린더(103) 내측에 삽입되도록 설치되고, 피스톤(104)의 플랜지부(104b)는 하기에서 설명될 리니어 모터(130)의 자석부(133)와 연결되는 동시에 두 개의 스프링(120: 121,122)에 의해 축방향으로 탄성 지지되도록 설치된다.
물론, 피스톤(104)의 헤드부(104a)에는 흡입밸브(105)가 장착되고, 실린더(103)의 압축공간(P) 일단에는 토출밸브 어셈블리(106)가 장착되되, 압축공간(P)의 압력 변화에 따라 개폐되도록 작동된다.
모터 커버(107)는 하기에서 설명될 리니어 모터(103)를 프레임(102)에 고정시키되, 리니어 모터(130)의 축방향 일단을 프레임(102)에 지지되도록 하고, 리니어 모터(130)의 축방향 다른 일단을 모터 커버(107)로 덮어준 다음, 모터 커버(107)를 프레임(102)에 볼트 체결시킨다. 이때, 리니어 모터(130)의 아우터스테이터(132)가 실제 프레임(102)과 모터 커버(107) 사이에 고정되는데, 리니어 모 터(130)의 아우터스테이터(132)를 고정시키면서 이너스테이터(131)도 함께 고정시키도록 구성할 수 있는데, 그 일예를 하기에서 자세하게 설명한다.
백 커버(108)는 평판을 피스톤(104)의 플랜지부(104b) 및 흡입 머플러(110)를 수용할 수 있도록 절곡시켜 형성되고, 선단이 리니어 모터(130)와 반대 방향에 위치하도록 모터 커버(107)에 볼트 체결된다. 백 커버(108)는 스프링(122)이 안착되도록 후방에 추가적인 캡(108a)이 돌출되는데, 구조체가 진동되더라도 추가적인 스토퍼가 구비될 수도 있지만, 백 커버(108)의 캡(108a)이 밀폐용기(101)와 충돌하면서 스토퍼 역할을 할 수 있도록 원형 또는 모서리 부분이 둥글게 형성되는 것이 바람직하다. 물론, 백 커버(108)의 캡(108a)에는 흡입 머플러(110)로 냉매가 유입될 수 있도록 개구부(108h)가 구비되고, 밀폐용기(101)의 흡입관(101a)과 일직선 상에 위치되는 것이 바람직하다.
흡입 머플러(110)는 피스톤(104)의 플랜지부(104b)에 고정되고, 각종 소음 공간 및 소음관이 구비되도록 하여 냉매가 피스톤(104)의 헤드부(104a)까지 흡입되도록 안내하는 동시에 흡입밸브(105)의 개폐 소음을 감쇄시킨다. 물론, 흡입 머플러(110)도 리니어 모터(130)의 자력 누설을 방지하기 위하여 일부 또는 전체가 비자성 재질로 형성될 수 있다.
스프링들(120)은 실린더(103) 단부와 피스톤(104)의 플랜지(104b)에 지지되는 제1스프링(121)과, 피스톤(104)의 플랜지(104b)와 백 커버(108)의 캡(108b)에 지지되는 제2스프링(122)으로 이루어진다. 제1스프링(121)은 피스톤(104)이 냉매를 압축시키는 방향으로 이동될 때에 압축되는 반면, 제2스프링(122)은 피스톤(104)이 냉매를 흡입시키는 방향으로 이동될 때에 압축되되, 제1,2스프링(121,122)은 서로 반대로 거동한다. 하기에서 설명될 리니어 모터(130)에서는 기존의 리니어 모터와 달리 자기 스프링 상수(Kmagnet) 값이 의미를 가질 수 있기 때문에 상대적으로 기계 스프링 상수(Kmechanical) 값을 작게 할 수 있어서, 전체 스프링들의 스프링 상수를 줄이는 것 즉, 전체 스프링의 개수를 줄이거나, 개별 스프링의 스프링 상수를 줄이는 것 즉, 개별 스프링의 직경(D), 선경(d) 및 길이(l)를 줄이도록 설계하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 두 개의 스프링(120: 121,122)만 적용될 수 있고, 나아가 기존에 많은 스프링들을 보다 효과적인 공간에 설치하기 위하여 구비되었던 서포터도 생략하거나, 모터 커버에 구비된 스프링 지지부도 없앨 수 있어 압축기를 소형화, 경량화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터 결합 일예가 도시된 측단면도이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용되는 리니어 모터 일예는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 축방향 일단이 서로 연결되는 동시에 그 이외 부분은 간극을 유지하도록 설치되고, 자석부(133)가 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 간극 사이에 위치하여 상호 전자기력에 의해 왕복 직선 운동할 수 있도록 설치된다.
이너스테이터(131)는 종래 기술과 마찬가지로 원주방향으로 라미네이션이 적층되는 형식으로 제작될 수 있는데, 아우터스테이터(132)와 연결될 수 있도록 축방 향 일단의 외주면에 반경 방향으로 확장된 고정용 돌기(131a)가 구비되고, 전자기력을 높이기 위하여 축방향 일단의 외주면이 축방향으로 확장된 돌출부(131b)가 구비된다. 이때, 이너스테이터(131)는 실린더(103)의 축방향 길이보다 길게 형성되기 때문에 기존과 같이 이너스테이터가 실린더 외주면에 고정되기 어렵고, 이를 보완하기 위하여 이너스테이터(131)를 아우터스테이터(132)에 의해 고정시키도록 하되, 하기에서 자세하게 설명하기로 한다.
아우터스테이터(132)는 원주방향으로 코일이 권선된 코일 권선체(132A)와, 코일 권선체(132A)의 원주 방향으로 일정 간격을 두고 코일 권선체(132A)의 내주면을 제외한 부분을 감싸도록 설치된 복수개의 코어(132B)으로 이루어지되, 코어(132B)는 측단면이 '┗┛' 형상인 라미네이션이 원주방향으로 일부만 적층되도록 구성된다. 이때, 코어(132B)는 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a) 및 돌출부(131b)와 마주보도록 위치한 두 개의 단부가 구비되되, 코어(132B)의 하나의 단부에는 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a)와 축방향으로 겹쳐지는 고정용 홈(132a)이 구비되고, 코어(132B)의 다른 하나의 단부에는 이너스테이터(131)의 외주면 및 돌출부(131b)와 간극을 이주는 폴(132b)이 구비된다. 나아가, 코어(132B)의 고정용 홈(132a)은 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a)와 형합되거나, 축방향으로 작용하는 체결력에 의해 이너스테이터(131)를 눌러줄 수 있도록 겹쳐지도록 형성되고, 코어(132B)의 폴(132b)은 이너스테이터(131)의 돌출부(131b)와 마찬가지로 전자기력을 높이기 위하여 이너스테이터(131)와 마주보는 면의 면적을 넓히기 위해 양축 방향으로 모두 확장되는 돌출부(132b')가 형성되는 것이 바람직하다.
물론, 기존의 아우터스테이터에 적용된 코어는 두 개의 폴이 구비되되, 전자기력을 높이기 위하여 이너스테이터와 마주보는 폴들의 면적을 축방향으로 확장되도록 형성하고, 이와 같은 형상의 폴들을 가진 코어를 코일 권선체에 조립하기 위하여 측단면 형상이 '┗'와 '┛'인 라미네이션이 각각 적층된 두 개의 코어 블록으로 형성시킨 다음, 두 개의 코어 블록을 복잡한 결합 부재, 결합 방법으로 코일 권선체에 결합하여 사용하였지만, 본 발명의 아우터스테이터(132)에 적용된 코어(132B)는 하나의 폴(132b)만 구비되기 때문에 측단면 형상이 '┗┛' 인 라미네이션이 적층된 하나의 코어 블록으로 구성하여 바로 코일 권선체(132A)에 결합할 수 있어 제작 공정이 간단해질 수 있다.
자석부(133)는 N-S 극을 가진 제1,2영구자석(미도시)이 서로 다른 극과 맞닿아 결합되도록 구성되되, 제1,2영구자석이 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이에서 축방향으로 나열되도록 위치되는 것이 바람직하다. 즉, 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)가 축방향으로 일단이 서로 연결되기 때문에 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이에서만 전자기력을 형성시키고, 아우터스테이터(132)의 하나의 폴(132b)에서만 극이 변화되더라도 자석부(133)가 왕복 직선 운동하기 위하여서는 자석부(133) 자체가 두 개의 영구자석(미도시)이 축방향으로 서로 연결되도록 구성되되, 두 개의 영구자석이 서로 다른 극끼리 연결되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 리니어 모터(130)는 프레임(102), 실린더(103) 및 모터 커버(107) 사이에 결합되는데, 프레임(102)에는 이너스테이터(131)의 설치 위치를 결 정하기 위하여 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a)가 일부 수용될 수 있는 위치 결정용 홈(102h)이 구비된다. 이때, 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a)의 두께는 프레임(102)의 위치 결정용 홈(102h)의 깊이보다 두껍게 형성되고, 마찬가지로 아우터스테이터(132)의 고정용 홈(132a)의 깊이보다 두껍게 형성되되, 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a)의 두께는 프레임(102)의 위치 결정용 홈(102h)의 깊이와 아우터스테이터(132)의 고정용 홈(132a)의 깊이를 합한 값보다 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 리니어 모터의 결합 과정을 살펴보면, 다음과 같다.
이너스테이터(131)가 실린더(103) 외주면에 끼워지면, 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a)가 프레임(102)의 위치 결정용 홈(102h)에 안착된 다음, 아우터스테이터(132)가 이너스테이터(131) 외주면에 끼워지면, 아우터스테이터(132)의 고정용 홈(132a)이 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a)와 맞물리게 된다. 이때, 이너스테이터(131)와 맞물리는 아우터스테이터(132)의 축방향 일단은 프레임(102)과 간극을 유지하고, 아우터스테이터(132)의 폴(132b)은 이너스테이터(131)의 외주면과 간극을 유지하도록 결합된다.
이후, 모터 커버(107)가 아우터스테이터(132)의 축방향 일단 외주면을 덮어주도록 결합된 다음, 모터 커버(107)를 프레임(102)에 볼트 체결시킨다. 물론, 볼트는 아우터스테이터(132)의 코어들(132B) 사이의 공간을 관통하여 프레임(102)과 모터 커버(107)를 결합하되, 프레임(102)과 모터 커버(107) 사이에 아우터스테이터(132)를 고정시키고, 아우터스테이터(132)에 작용하는 체결력에 의해 아우터스테 이터(132)의 고정용 홈(132a)이 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a)를 프레임(102)에 눌러주면서 손쉽게 이너스테이터(131)를 아우터스테이터(132)와 같이 고정시킬 수 있다. 따라서, 이너스테이터(131)의 고정용 돌기(131a)가 프레임(102)의 위치 결정용 홈(102h)에 안착되는 동시에 아우터스테이터(132)의 고정용 홈(132a)과 결합되면, 이너스테이터(131)는 프레임(102)과 맞닿는 반면, 아우터스테이터(132)는 프레임(102)과 간극을 유지하도록 하되, 모터 커버(107)가 체결됨에 따라 아우터스테이터(132)가 프레임(102)과 맞닿으면서 이너스테이터(131)를 소정의 힘으로 눌러주도록 하여 체결력을 더욱 높게 유지하도록 한다.
이와 같이, 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)가 서로 연결된 부분이 폐루프를 형성하므로, 설사 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)가 프레임(102)과 맞닿더라도 자력이 프레임(102)으로 누설될 염려가 없기 때문에 프레임(102) 및 실린더(103)가 알루미늄과 같은 비자성체로 사출 성형 등의 방법으로 제작될 필요가 없고, 자성 재질 일예로, 주철에 의해 손쉽게 주물로 일체로 형성될 수 있다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터의 작동 일예가 도시된 도면이다.
도 6a 내지 도 6b에 도시된 바와 같이, 코일 권선체(132A)에 전원이 입력됨에 따라 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b)이 서로 N-S극을 번갈아가면서 띄게 된다. 따라서, 도 6a에 도시된 바와 같이 아우터스테이터(132)의 폴(132b)이 N극을 띄면, 자석부(133)의 S극을 끌어당기는 동시에 자석부(133)의 N 극을 밀어내기 때문에 제1영구자석(133a)이 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이에 위치하도록 자석부(133)가 일축 방향으로 움직이는데, 제1영구자석(133a)의 중심이 아우터스테이터(132)의 외측 돌출부(132b') 끝단을 벗어나지 않는 범위까지 이동하고, 따라서 제2영구자석(133b)은 아우터스테이터(132)의 외측 돌출부 끝단(132b')을 벗어남에 따라 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이의 간극 공간부를 완전히 벗어나게 된다. 반면, 도 6b에 도시된 바와 같이 아우터스테이터(133)의 폴(132b)이 S극을 띄면, 자석부(133)의 N극을 끌어당기는 동시에 자석부(133)의 S극을 밀어내기 때문에 제2영구자석(133b)이 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이에 위치하도록 자석부(133)이 반대 방향으로 움직이는데, 마찬가지로 제2영구자석(133b)의 중심이 아우터스테이터(132)의 내측 돌출부(132b') 끝단을 벗어나지 않는 범위까지 이동하고, 따라서 제1영구자석(133a)은 아우터스테이터(132)의 내측 돌출부 끝단(132b')을 벗어남에 따라 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이의 간극 공간부를 완전히 벗어나게 된다. 즉, 자석부(133)의 움직이는 거리 즉, 피스톤(104)의 스트로크는 제1영구자석(133a)의 중심이 아우터스테이터(132)의 외측 돌출부(132b') 끝단에 위치한 지점부터 제2영구자석(133b)의 중심이 아우터스테이터(132)의 내측 돌출부(132b') 끝단에 위치한 지점 사이의 이동 거리로 볼 수 있다.
그런데, 이상과 같은 본 발명에 따른 리니어 모터에서는 위와 같은 두 개의 영구자석(133a,133b)이 구비된 자석부(133)가 왕복 직선 운동을 하면서 또 다른 복 원력이 리니어 모터의 자석부(133)에 작용하게 된다. 이것은 도 6a 및 도 6b 에서와 같이 자석부(133) 중 하나의 영구자석이 이너스테이터의 돌출부(131b)와 아우터스테이터의 폴(132b) 사이를 지나치되, 자석부(133) 중 하나의 영구자석이 서로 다른 극을 가진 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 중심에서 벗어남에 따라 전자기력에 의해 다시 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 중심으로 되돌아오려고 작용하는 전자기적 복원력이 작용하는데, 이것이 피스톤(104)과 자석부(133)로 구성되는 이동부재를 지지하는 스프링들(120)의 복원력과 같은 메커니즘으로 작용하기 때문에 이를 본 발명에서는 자기 스프링(magnet spring)이라 하고, 자기 스프링에 의한 복원력으로 정의되는 것을 자기 스프링 상수(magnet spring constant : Kmagnet)라 한다. 물론, 자기 스프링 상수(Kmagnet)는 자석부(133) 중 하나의 영구자석 중심이 서로 다른 극을 가진 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 중심으로부터 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 단부까지 이동되는 범위 내에서만 작용한다.
따라서, 본 발명의 리니어 모터가 채용된 리니어 압축기는, 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 고려함에 따라 기계 스프링 상수(Ktmechanical)가 작게 설계되기 때문에 스프링들의 사이즈를 축소시킬 수 있는 효과가 있다. 보다 상세히 설명하면, 리니어 압축기는 가장 효율적으로 운전시키기 위하여 전원 주파수(f)를 공진 주파수(fo)에 맞추도록 설계되는데, 본 발명의 리니어 모터 특성상 본 발명의 리니어 압축기를 설계하는 경우, 하기의 수학식과 같이 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 고려하여 공진 설 계가 이루어지는 것이 바람직하다.
Figure 112009021568409-PAT00001
즉, 리니어 모터로 공급되는 전원 주파수(f)가 결정되면, 전원 주파수(f)를 공진점에 맞추기 위하여 피스톤 및 영구자석으로 이루어지는 이동부재의 질량(M), 피스톤을 축방향 양쪽으로 지지하는 스프링들의 복원력으로 정의되는 기계 스프링 상수(Kmechanical), 압축공간 내로 흡입되는 가스가 작용하는 압력으로 정의되는 스프링 상수(Kgas), 영구자석의 중심이 스테이터의 폴 중심을 벗어남에 따라 작용하는 복원력으로 정의되는 자기 스프링 상수(Kmagnet)가 조절될 수 있다. 이때, 이동부재의 질량(M)은 제품 별로 정해지고, 가스 스프링 상수(Kgas) 역시 냉매 종류에 따라 결정되는데, 가스 스프링 상수(Kgas)는 부하에 따라 변하기 쉽지만, 이동부재의 질량(M)을 소정 크기 이상으로 유지하면, 이동부재에 작용하는 가스 스프링의 영향을 줄일 수 있기 때문에 이동부재의 질량(M), 가스 스프링 상수(Kgas)는 고정된 값으로 간주한다. 따라서, 전원 주파수(f)를 공진점에 맞추기 위하여, 기계 스프링 상수(Kmechanical)와 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 조절하는 것이 바람직하며, 상기에서 설명한 바와 같이 기존에 비해 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 고려함에 따라 기존에 비해 기계 스프링 상수(Kmechanical)는 작게 설계되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 일예에서는 상기에서 설명한 바와 같이 피스톤을 왕복 직선 운동하는 피스톤을 양축 방향으로 지지하는 스프링들의 개수(n), 직경(D), 선경(d) 및 길이(l)를 작게 설계할 수 있고, 스프링들을 지지하는 부품들을 생략할 수 있어 경량화, 소형화시킬 수 있다.
이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예 및 첨부도면에 기초하여 예로 들어상세하게 설명하였다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기 일예가 도시된 평단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터 일예가 도시된 분해 측단면도.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기 일예가 도시된 평단면도.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구조체 일예가 도시된 측단면도.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터 결합 일예가 도시된 측단면도.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터의 작동 일예가 도시된 도면.

Claims (10)

  1. 압축공간이 내부에 구비된 실린더;
    실린더의 축방향 일단 외주면에 고정된 프레임;
    프레임에 맞닿도록 실린더 외주면에 끼워지는 이너스테이터;
    프레임에 맞닿도록 이너스테이터 외주면에 간극을 유지하도록 끼워지되, 이너스테이터의 축방향 일단을 프레임에 눌러주도록 겹쳐지는 아우터스테이터; 그리고,
    아우터스테이터의 축방향에서 결합되고, 프레임과 볼트 체결되어 스테이터들을 프레임에 고정시키는 고정력을 제공하는 모터 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    이너스테이터는 축방향 일단 외주면에 외주 방향으로 돌출된 고정용 돌기가 구비되고,
    아우터스테이터는 축방향 일단 내주면에 이너스테이터의 고정용 돌기를 축방향으로 눌러주는 고정용 홈이 구비된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    프레임은 이너스테이터의 고정용 돌기가 일부 수용되는 위치결정용 홈이 구 비된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제2항에 있어서,
    이너스테이터의 고정용 돌기와 아우터스테이터의 고정용 홈이 결합되면,
    이너스테이터의 축방향 일단은 프레임과 맞닿고,
    아우터스테이터의 축방향 일단은 프레임과 간극을 유지하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    리니어 압축기는 실린더 내측에서 왕복 직선 운동하면서 작동가스를 압축시키는 피스톤과, 이너스테이터와 아우터스테이터의 간극에서 상호 전자기력에 의해 피스톤을 왕복 직선 운동시키는 복수개의 영구자석;을 더 포함하고,
    아우터스테이터는 이너스테이터와 연결된 부분과 반대 방향에 이너스테이터와 간극을 이루는 폴을 구비하며,
    영구자석들은 이터스테이터와 아우터스테이터 사이의 간극에서 왕복 직선 운동할 시에, 그 상사점 및 하사점에서, 하나 이상의 영구자석이 이너스테이터와 아우터스테이터의 폴 사이의 간극 공간부를 벗어나는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제5항에 있어서,
    리니어 압축기는 피스톤을 왕복 직선 운동 방향의 양쪽에서 탄성 지지하는 스프링들;을 포함하고,
    피스톤과 영구자석들을 포함하는 가동부재의 질량(M), 스프링들의 복원력에 의해 정의되는 기계 스프링 상수(Kmechanical), 압축공간 내의 작동유체 압력에 의해 정의되는 가스 스프링 상수(Kgas), 영구자석들이 이너스테이터와 아우터스테이터 사이의 간극에서 왕복 직선 운동 시에 영구자석의 한 극 중심이 아우터스테이터의 폴 중심과 일치하려는 복원력에 의해 정의되는 자기 스프링 상수(Kmagnet)에 의해 정의되는 공진 주파수(fo)를 이용하여 운전되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  7. 제6항에 있어서,
    스프링들은 피스톤을 축방향 양쪽에서 지지하는 제1,2스프링인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 제7항에 있어서,
    피스톤과 축방향으로 간격을 유지하도록 설치된 백 커버;를 더 포함하고,
    제1스프링은 피스톤 플랜지와 백 커버 사이에 설치되고,
    제2스프링은 실린더와 피스톤의 플랜지 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    실린더는 이너스테이터 또는 아우터스테이터보다 축방향 길이가 짧게 형성된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 제9항에 있어서,
    실린더와 프레임은 자성 재질로 일체로 제작된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
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