KR20110064610A - 리니어 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 리니어 압축기는 냉매가 흡/토출되는 흡입관 및 토출관이 구비된 밀폐공간인 쉘; 쉘 내부에 설치된 압축공간이 구비된 실린더; 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하고, 압축공간의 냉매를 압축시키는 피스톤; 피스톤에 구동력을 제공하고, 설정된 운전주파수로 운전시키는 리니어 모터; 실린더, 피스톤, 리니어 모터를 포함하는 조립체를 쉘의 바닥면에 탄성 지지하는 복수개의 지지 스프링; 그리고, 압축공간에서 압축된 냉매를 토출관으로 안내하도록 구비된 루프 파이프;를 포함하고, 루프 파이프의 쉘 가진력은 지지 스프링들의 쉘 가진력과 반대 위상을 가지는 것을 특징으로 하기 때문에 위상 반전을 통하여 본체 진동을 루프 파이프 진동과 상쇄시켜 전체 진동을 저감시킬 수 있다.

Description

리니어 압축기 {LINEAR COMPRESSOR}
본 발명은 진동 인자들 사이의 위상 반전을 통하여 진동을 저감시킬 수 있는 리니어 압축기에 관한 것이다.
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.
이러한 압축기를 크게 분류하면, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor)와, 선회 스크 롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 나뉘어진다.
최근에는 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.
도 1은 일반적인 리니어 압축기의 진동 인자가 도시된 구성도이다.
일반적으로 리니어 압축기는 도 1에 도시된 바와 같이 밀폐된 공간인 밀폐용기(10)와, 밀폐용기(10) 내부에서 냉매를 압축시키는 실린더, 피스톤 및 리니어 모터로 구성된 본체(20)로 이루어진다. 이때, 본체(20)는 밀폐용기(10) 내에 복수개의 지지 스프링(S) 및 냉매의 토출유로를 형성하는 루프 파이프(L)에 의해 탄성 지지되고, 밀폐용기(10)는 그 저면에 구비된 마운트(11)에 의해 설치 면에 탄성 지지되도록 고정된다.
보통, 리니어 압축기는 피스톤을 구동시키는 리니어 모터 중 영구자석이 피스톤과 같이 구동되기 때문에 왕복 직선 운동하는 기구부의 질량이 커질 뿐 아니라 진동도 커지게 된다. 하지만, 리니어 압축기는 압축 효율을 높이기 위하여 공진 상태에서 운전되기 때문에 진동을 줄이기 위하여 기구부의 질량을 줄이는 것은 압축기 전체 효율을 저하시킬 수 있어 부적합하다. 따라서, 리니어 압축기는 진동을 저감시키기 위하여 밀폐용기(10)와 본체(20) 사이의 진동 전달 특성을 최적화하는 것이 필요하다. 이때, 진동 전달 특성에 영향을 미치는 인자로는 마운트(11), 지지 스프링(S), 루프 파이프(L)로 볼 수 있는데, 마운트(11)의 강성, 지지 스프링(S)의 강성 및 높이는 전체 효율에 영향을 미치지 않는 반면, 루프 파이프(L)는 소정의 강성과 질량을 가지기 때문에 공진을 이용하는 리니어 압축기의 설계 측면에 전체 효율에 영향을 크게 미치는 것으로 볼 수 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 루프 파이프의 진동 변위가 도시된 그래프이다.
종래의 리니어 압축기는 도 2에 도시된 바와 같이 정격 운전주파수가 60Hz로 설계되고, 루프 파이프의 고유진동수는 정격 운전주파수보다 높은 70 ~ 90Hz 대역에서 설계된다. 이때, 기동 시 리니어 모터는 기존의 왕복동식 압축기와 같이 운전주파수를 0Hz에서부터 60Hz까지 올리게 된다. 즉, 리니어 압축기의 운전주파수보다 루프 파이프의 고유주파수가 낮으면, 기동시 리니어 압축기의 운전주파수가 정격 운전주파수까지 상승하는 구간에서 리니어 압축기의 운전주파수가 루프 파이프의 고유주파수와 일치하는 지점에서 공진이 일어나 루프 파이프가 파손될 수 있기 때문에 루프 파이프의 고유진동수가 리니어 압축기의 정격 운전주파수보다 높게 설계되는 것이 바람직하다.
하지만, 종래의 리니어 압축기는 본체는 밀폐용기 내에 지지 스프링과 루프 파이프에 의해 탄성 지지되고, 루프 파이프의 운전주파수가 정격 운전주파수보다 높게 설계되는데, 기동 시에 운전주파수가 정격 운전주파수까지 상승하는 동안 루프 파이프의 가진력이 지지 스프링의 가진력과 동일한 방향으로 증가하기 때문에 기동 시에 압축기 전체로 전달되는 진동은 지지 스프링의 가진력과 루프 파이프의 가진력이 더해져서 증폭되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 위상 반전을 통한 진동을 저감시킬 수 있는 리니어 압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 리니어 압축기는 냉매가 흡/토출되는 흡입관 및 토출관이 구비된 밀폐공간인 쉘; 쉘 내부에 설치된 압축공간이 구비된 실린더; 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하고, 압축공간의 냉매를 압축시키는 피스톤; 피스톤에 구동력을 제공하고, 설정된 운전주파수로 운전시키는 리니어 모터; 실린더, 피스톤, 리니어 모터를 포함하는 조립체를 쉘의 바닥면에 탄성 지지하는 복수개의 지지 스프링; 그리고, 압축공간에서 압축된 냉매를 토출관으로 안내하도록 구비된 루프 파이프;를 포함하고, 루프 파이프의 쉘 가진력은 지지 스프링들의 쉘 가진력과 반대 위상을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 루프 파이프의 고유진동수가 리니어 모터의 정격 운전주파수 이하로 설정된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 리니어 모터의 정격 운전주파수가 60Hz이고, 루프 파이 프의 고유진동수는 50Hz 이하로 설정된 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 리니어 압축기는 본체를 밀폐용기 내에 지지 스프링과 루프 파이프에 의해 탄성 지지하고, 루프 파이프의 고유진동수를 정격 운전주파수보다 낮게 설정하며, 인버터 모터를 적용하여 기동 시에 바로 정격 운전주파수로 운전하기 때문에 정격 운전주파수에서 루프 파이프의 가진력이 지지 스프링의 가진력과 반대 방향으로 거동하도록 하여 압축기 전체로 전달되는 진동을 저감시키는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 일예가 도시된 측단면도이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기의 일예는 도 3에 도시된 바와 같이 밀폐된 공간인 밀폐용기(110) 내에 실린더(200), 피스톤(300), 이너스테이터(420)와 아우터스테이터(440) 및 영구자석(460)을 포함하는 리니어 모터(400)를 포함하되, 영구자석(460)이 이너스테이터(420) 및 아우터스테이터(440) 사이에서 상호 전자기력에 의해 직선 왕복 운동하면, 영구자석(460)과 연결된 피스톤(300)이 영구자석(460)과 함께 직선 왕복 운동하게 된다.
이너스테이터(420)는 실린더(200)의 외주에 고정되고, 아우터스테이터(440) 는 축방향으로 프레임(520)과 모터 커버(540)에 의해 고정되되, 프레임(520)과 모터 커버(540)가 볼트와 같은 체결 부재에 의해 체결되어 서로 결합되어, 프레임(520)과 모터 커버(540) 사이에서 아우터스테이터(440)가 고정된다. 프레임(520)은 실린더(200)와 일체로 형성될 수도 있으며, 실린더(200)와 별도로 제조되어 실린더(200)와 결합될 수도 있다. 도 3에 도시된 실시예에서는 프레임(520)과 실린더(200)가 일체로 형성된 예가 도시되어 있다.
피스톤(300)의 후방에는 서포터(320)가 연결된다. 네 개의 전방 메인 스프링(800)은 서포터(320)와 모터 커버(540)에 의해 양단이 지지된다. 또한, 네 개의 후방 메인 스프링(800)은 서포터(320)와 백 커버(560)에 의해 양단이 지지되며, 백 커버(560)는 모터 커버(540)의 후방에 결합된다. 피스톤(300)의 후방에는 또한 흡입 머플러(700)가 구비되며, 흡입 머플러(700)를 통해 피스톤(300)으로 냉매가 유입되면서, 냉매 흡입시의 소음을 저감한다.
피스톤(300) 내부는 흡입 머플러(700)를 통해 유입된 냉매가 실린더(200)와 피스톤(300) 사이에 형성되는 압축 공간(P)로 유입되어 압축될 수 있도록 중공되어 있다. 피스톤(300)의 선단에는 흡입밸브(610)가 설치되어 있으며, 흡입밸브(610)는 냉매가 피스톤(300)에서 압축 공간(P)으로 유입되도록 개방되며, 압축 공간(P)에서 다시 피스톤(300)으로 유입되지 않도록 피스톤(300)의 선단을 폐쇄한다.
압축 공간(P)에서 피스톤(300)에 의해 냉매가 소정의 압력 이상으로 압축되면, 실린더(200)의 선단에 위치하는 토출밸브(620)가 개방된다. 토출밸브(620)는 실린더(200) 일단에 고정된 지지캡(640) 내측에 나선형의 토출밸브 스프링(630)에 의해 탄성 지지되도록 설치된다. 압축된 고압의 냉매는 지지캡(640)에 형성된 홀을 통해 토출캡(660) 내로 토출된 뒤, 루프 파이프(L)를 통해 리니어 압축기(100) 외부로 토출되어 냉동 사이클을 순환한다.
상술한 리니어 압축기(100)의 각 부품들은, 조립된 상태에서 전방 지지 스프링(120) 및 후방 지지 스프링(140)에 의해 지지되며, 밀폐용기(110)의 바닥으로부터 이격되어 있다. 밀폐용기(110)의 바닥에 직접 접촉하고 있지 않으므로, 냉매를 압축하면서 압축기(100)의 각 부품들에서 발생한 진동이 밀폐용기(110)로 직접 전달되지 않는다. 따라서 쉘(100)의 외부로 전달되는 진동 및 밀폐용기(110)의 진동에 의해 발생하는 소음을 저감할 수 있다.
이와 같은 리니어 압축기는 종래 기술에서 설명한 바와 같이 진동을 저감시키기 위하여 전동 전달 특성을 최적화하는 것이 필요하며, 압축 효율에 영향을 미칠 수 있는 인자인 루프 파이프(L)의 설계를 제한하는 것이 필요하다. 물론, 실린더(200), 피스톤(300) 및 리니어 모터(400)를 포함하는 본체가 밀폐용기(110) 내부에 지지 스프링(120,140)과 루프 파이프(L)에 의해 탄성 지지되기 때문에 밀폐용기(110)로 전달되는 진동은 지지 스프링(120,140)의 가진력과 루프 파이프(L)의 가진력을 합한 것으로 볼 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 루프 파이프(L)의 가진력을 지지 스프링(120,140)의 가진력과 반대 방향의 위상을 가지도록 설계하여 압축기 전체로 전달되는 진동을 저감시키도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 루프 파이프의 진동 변위가 도시된 그래프이다.
본 발명의 리니어 압축기는 도 4에 도시된 바와 같이 위상 반전을 통한 진동 저감을 위하여 루프 파이프의 고유주파수(flp)를 정격 운전주파수(f)보다 낮게 설계된다. 이때, 그래프에 도시된 바와 같이 루프 파이프의 고유주파수(flp)보다 낮은 주파수에서 루프 파이프는 (+) 방향으로 진동하지만, 루프 파이프의 고유주파수(flp)보다 높은 주파수에서 루프 파이프는 (-) 방향으로 진동한다. 따라서, 정격 운전주파수(f)가 루프 파이프의 고유주파수(flp)보다 높으면, 루프 파이프의 진동이 위상 반전되고, 루프 파이프의 가진력은 지지 스프링의 가진력과 반대 방향으로 작용하기 때문에 밀폐용기 전체로 전달되는 진동이 저감된다.
또한, 루프 파이프의 파손을 방지하기 위하여 리니어 모터를 기동 시에 바로 정격 운전주파수(f)로 운전된다. 이때, 리니어 모터를 기동 시에 0에서 정격 운전주파수(f)까지 스윕(sweep)되면, 운전주파수가 정격 운전주파수(f)에 도달하기 전에 루프 파이프의 고유주파수(flp)와 일치하여 공진 현상으로 루프 파이프가 파손되기 때문에 리니어 모터를 기동 시에 바로 정격 운전주파수(f)로 운전되는 인버터 모터가 적용되는 것이 바람직하다.
일예로, 정격 운전주파수(f)는 60Hz로 설계되어 기동 시에 바로 정격 운전주파수(f)로 운전되고, 루프 파이프의 고유주파수(flp)는 정격 운전주파수(f)보다 낮은 50Hz 이하로 설계될 수 있다.
도 5는 본 발명의 리니어 압축기에서 루프 파이프의 고유진동수 변화에 따른 밀폐용기의 진동 크기가 도시된 그래프이다.
본 발명의 리니어 압축기의 실험 결과인 도 5는 정격 운전주파수를 60Hz로 설정하고, 루프 파이프의 고유진동수를 변화시키면서 밀폐용기 전체로 전달되는 진동을 측정한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 루프 파이프의 고유진동수(flp)가 정격 운전주파수(f)인 60Hz에 근접할수록 밀폐용기 전체로 전달되는 진동이 크게 나타나고, 루프 파이프의 고유진동수(flp)가 정격 운전주파수(f)인 60Hz보다 낮은 주파수 영역에서 설정되는 것이 밀폐용기 전체로 전달되는 진동을 저감시킨다.
보다 상세하게, 루프 파이프의 고유진동수(flp)를 35 ~ 50Hz로 변경하면, 밀폐용기의 진동이 13 ~ 57Gal로 증가하지만, 루프 파이프의 고유진동수 변화(Δflp)에 따른 밀폐용기의 진동 변화(Δf)가 작게 나타나기 때문에 압축기로 전달되는 진동이 안정된 구간으로 볼 수 있다. 하지만, 루프 파이프의 고유진동수(flp)를 50 ~ 60Hz로 변경하면, 밀폐용기의 진동이 57 ~ 1120Gal로 증가하고, 루프 파이프의 고유진동수 변화(Δflp)에 따른 밀폐용기의 진동 변화(Δf)가 크게 나타나기 때문에 압축기로 전달되는 진동이 증폭된 구간으로 볼 수 있다. 또한, 루프 파이프의 고유진동수(flp)를 60 ~ 70Hz로 변경하면, 밀폐용기의 진동이 1120 ~ 452Gal로 감소하지만, 루프 파이프의 고유진동수 변화(Δflp)에 따른 밀폐용기의 진동 변화(Δf)가 상기의 진동 증폭 구간보다 작게 나타나기 때문에 실제 밀폐용기로 전달되는 진동값 이 감소되더라도 상기의 진동 안정 구간보다 매우 크게 나타난다. 또한, 루프 파이프의 고유진동수(flp)를 70 이상으로 변경하면, 밀폐용기의 진동이 452Gal 이하로 감소하지만, 루프 파이프의 고유진동수 변화(Δflp)에 따른 밀폐용기의 진동 변화(Δf)가 진동 증폭 구간보다 작게 나타나기 때문에 마찬가지로 실제 밀폐용기로 전달되는 진동값이 감소되더라도 상기의 진동 안정 구간보다 크게 나타난다.
따라서, 압축기 전체의 진동을 고려하면, 정격 운전주파수(f)가 60Hz인 압축기에서 루프 파이프의 고유진동수(flp)는 50HZ 이하의 주파수 영역에서 설계되는 것이 바람직하다. 또한, 상기와 같이 정격 운전주파수(f)에 비례하여 루프 파이프의 고유진동수(flp)가 결정되는 것을 고려하면, 정격 운전주파수(f)가 50Hz인 압축기에서 루프 파이프의 고유진동수(flp)는 41.6Hz 이하의 주파수 영역에서 설계되는 것이 바람직하다.
이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예 및 첨부도면에 기초하여 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.
도 1은 일반적인 리니어 압축기의 진동 인자가 도시된 구성도.
도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 루프 파이프의 진동 변위가 도시된 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 일예가 도시된 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 루프 파이프의 진동 변위가 도시된 그래프.
도 5는 본 발명의 리니어 압축기에서 루프 파이프의 고유진동수 변화에 따른 밀폐용기의 진동 크기가 도시된 그래프.

Claims (3)

  1. 냉매가 흡/토출되는 흡입관 및 토출관이 구비된 밀폐공간인 쉘;
    쉘 내부에 설치된 압축공간이 구비된 실린더;
    실린더 내부에서 왕복 직선 운동하고, 압축공간의 냉매를 압축시키는 피스톤;
    피스톤에 구동력을 제공하고, 설정된 운전주파수로 운전시키는 리니어 모터;
    실린더, 피스톤, 리니어 모터를 포함하는 조립체를 쉘의 바닥면에 탄성 지지하는 복수개의 지지 스프링; 그리고,
    압축공간에서 압축된 냉매를 토출관으로 안내하도록 구비된 루프 파이프;를 포함하고,
    루프 파이프의 쉘 가진력은 지지 스프링들의 쉘 가진력과 반대 위상을 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    루프 파이프의 고유진동수가 리니어 모터의 정격 운전주파수 이하로 설정된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    리니어 모터의 정격 운전주파수가 60Hz이고, 루프 파이프의 고유진동수는 50Hz 이하로 설정된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
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