KR20130026882A - 가스베어링을 구비한 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스베어링을 구비한 왕복동식 압축기에 관한 것이다. 본 발명은, 실린더와 피스톤 사이를 가스베어링으로 지지하면서도 압축코일스프링을 적용하여 피스톤의 공진운동을 유도하도록 구성함으로써, 판스프링을 적용하지 않고도 가스베어링을 이용하여 진동체의 원활한 공진운동을 유도할 수 있고 이를 통해 재료비용과 조립공수를 줄이고 압축기를 설치방향을 자유롭게 설정할 수 있다. .

Description

가스베어링을 구비한 왕복동식 압축기{RECIPROCATING COMPRESSOR WITH GAS BEARING}

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 가스베어링을 구비한 왕복동식 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤이 실린더의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입 압축하여 토출하는 방식이다. 왕복동식 압축기는 피스톤의 구동방식에 따라 연결형과 진동형으로 구분할 수 있다.

연결형 왕복동식 압축기는 피스톤이 회전모터의 회전축에 컨넥팅 로드로 연결되어 실린더에서 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이다. 반면, 진동형 왕복동식 압축기는 피스톤이 왕복동 모터의 무버(mover)에 연결되어 진동하면서 실린더에서 왕복운동을 하여 냉매를 압축하는 방식이다. 본 발명은 진동형 왕복동식 압축기에 관한 것으로 이하에서는 진동형 왕복동식 압축기를 왕복동식 압축기라고 약칭한다.

왕복동식 압축기는 실린더와 피스톤 사이가 긴밀하게 실링된 상태에서 원활하게 윤활되어야 압축기 성능이 향상될 수 있다. 이를 위해, 종래에는 실린더와 피스톤 사이에 오일과 같은 윤활제를 공급하여 유막을 형성함으로써 실린더와 피스톤 사이를 실링하는 동시에 윤활하는 방식이 널리 알려져 있다.

하지만, 윤활제를 공급하는 방식에서는 별도의 오일공급장치가 필요하게 될 뿐만 아니라, 운전조건에 따라서는 오일부족이 발생되면서 압축기 성능이 저하될 수 있었다. 또, 일정량의 오일을 수용하기 위한 공간이 필요하므로 압축기의 크기가 커지는 것은 물론, 오일공급장치의 입구가 항상 오일에 잠길 수 있어야 하므로 압축기의 설치방향이 제한적일 수밖에 없었다.

상기와 같은 오일 윤활 방식의 왕복동식 압축기가 가지는 단점을 감안하여 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤(1)과 실린더(2) 사이로 압축가스의 일부를 바이패스 시켜 상기 피스톤(1)과 실린더(2) 사이에 가스베어링이 형성되도록 하는 기술이 알려져 있다. 이는, 상기 실린더(2)에 직경이 작은 복수 개의 가스유로(2a)를 형성하거나, 또는 상기 실린더(2)의 내주면에 다공 형상을 갖는 소결 성형된 다공성부재(purous material member)(미도시)를 설치하고 있다. 이러한 기술은 피스톤(1)과 실린더(2) 사이에 오일을 공급하는 오일 윤활 방식에 비해 별도의 오일공급장치가 필요하지 않아 압축기의 윤활구조를 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 운전조건에 따른 오일부족을 예방하여 압축기의 성능을 일관되게 유지할 수 있다. 또, 압축기의 케이싱에 오일을 수용할 공간이 필요 없게 되므로 압축기를 소형화할 수 있고 압축기의 설치방향을 자유롭게 설계할 수 있는 이점이 있다.

한편, 상기 가스베어링이 왕복동식 압축기에 적용되는 경우에는 도 2에서와 같이 피스톤의 공진운동을 위해 판스프링(3)이 적용되고 있다.

상기와 같이 판스프링(3)이 적용되는 경우에는 압축부(4)를 이루는 피스톤(도 1에 도시)(1)이 실린더(도 1에 도시)(2) 내에서 직진성을 갖도록 피스톤(1)과 판스프링(도 2에 도시)(3)을 유연한(flexible) 커넥팅바(connecting bar)(미도시)로 연결하거나, 또는 커넥팅바(5a~5c)를 복수 개로 분할하여 적어도 한 개 이상(바람직하게는 두 개 이상)의 링크(6a~6b)로 연결하고 있다. 도면중 미설명 부호인 7은 왕복동 모터이다.

그러나, 상기와 같이 가스베어링을 갖는 왕복동식 압축기에서 피스톤의 공진운동을 위해 판스프링을 이용하는 경우에는, 전술한 바와 같은 유연한 커넥팅바로 부재 사이를 연결하거나 또는 복수 개의 커넥팅바 사이를 링크로 연결하여야 하므로 그만큼 재료비용과 조립공수가 증가하는 문제점이 있었다.

또, 판스프링의 특성상 피스톤 운동방향 변위(이하, 종변위)는 크게 발생되는 반면, 피스톤의 운동방향에 대한 직교방향 변위(이하, 횡변위)는 거의 발생되지 않으므로 피스톤이 수직방향으로 운동을 하도록 배열되는 경우에는 피스톤의 정지시 피스톤이 수직 하방으로 늘어져 초기 위치가 틀어질 수 있다. 이를 감안하여 피스톤이 수평방향으로 운동을 할 수 있도록 배열되어야 하므로 압축부와 구동부에 대한 설치상의 제약이 있었다.

본 발명의 목적은, 판스프링을 적용하지 않고도 가스베어링을 이용하여 진동체의 원활한 공진운동을 유도할 수 있고 이를 통해 재료비용과 조립공수를 줄이고 압축기의 설치방향을 자유롭게 설계할 수 있는 가스베어링을 구비한 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 압축공간이 구비되는 실린더; 상기 실린더의 압축공간에 삽입되어 그 실린더에 대해 상대 왕복운동을 하는 피스톤; 상기 실린더와 피스톤의 베어링면을 가스로 윤활하는 가스베어링; 및 상기 실린더 또는 피스톤 중에서 왕복운동을 하는 부재의 운동방향 양측을 지지하는 공진스프링;을 포함하고, 상기 공진스프링은, 압축코일스프링으로 이루어져 상기 왕복운동을 하는 부재의 양측에 각각 구비되는 제1 공진스프링 제2 공진스프링으로 이루어지며, 상기 제1 공진스프링과 제2 공진스프링 중에서 적어도 어느 하나는 복수 개가 구비되는 가스베어링을 구비하는 왕복동식 압축기가 제공된다.

본 발명에 의한 가스베어링을 구비한 왕복동식 압축기는, 실린더와 피스톤 사이를 가스베어링으로 지지하면서도 압축코일스프링을 적용하여 피스톤의 공진운동을 유도하도록 구성함으로써, 판스프링을 적용하지 않고도 가스베어링을 이용하여 진동체의 원활한 공진운동을 유도할 수 있고 이를 통해 재료비용과 조립공수를 줄이고 압축기를 설치방향을 자유롭게 설정할 수 있다.

도 1은 종래 가스베어링이 왕복동식 압축기에 적용된 예를 보인 종단면도,
도 2는 종래 판스프링이 왕복동식 압축기에 적용된 예를 보인 사시도,
도 3은 본 발명 왕복동식 압축기를 보인 종단면도,
도 4는 도 3에 따른 왕복동식 압축기에서 왕복동 모터를 분해하여 보인 사시도,
도 5은 도 3에 따른 왕복동 모터에서 스테이터의 일례를 보인 반단면도,
도 6은 도 3에 따른 왕복동 모터에서 스테이터의 다른 실시예를 보인 반단면도,
도 7은 도 3에 따른 왕복동식 압축기에서 가스베어링의 일실시예를 보인 단면도,
도 8은 5에서 "A"부를 확대하여 보인 단면도,
도 9는 도 3에 따른 왕복동식 압축기에서 가스베어링의 다른 실시예를 보인 단면도,
도 10은 7에서 "B"부를 확대하여 보인 단면도,
도 11은 도 3에 따른 왕복동식 압축기에서 가스베어링의 또다른 실시예를 보인 단면도,
도 12는 9에서 "C"부를 확대하여 보인 단면도,
도 13은 도 3에 따른 왕복동식 압축기에서 가스확산홈을 갖는 피스톤의 일실시예를 보인 사시도,
도 14는 도 13에 따른 가스확산홈을 갖는 피스톤과 실린더 사이에서 가스가 확산되는 과정을 보인 단면도,
도 15는 도 3에 따른 왕복동식 압축기에서 공진스프링을 설명하기 위해 보인 부분 단면도,
도 16는 도 15에 따른 공진스프링의 배열을 설명하기 위해 보인 정면도.

이하, 본 발명에 의한 가스베어링이 구비된 왕복동식 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 밀폐된 케이싱(10)의 내부에 프레임(20)이 설치되고, 상기 프레임(20)에는 왕복동 모터(30)와 실린더(41)가 고정되며, 상기 실린더(41)에는 왕복동 모터(30)의 무버(32)에 결합된 피스톤(42)이 삽입되어 왕복운동을 하도록 결합되고, 상기 피스톤(42)의 운동방향 양측에는 그 피스톤(42)의 공진운동을 유도하는 공진스프링(51)(52)이 각각 설치된다.

그리고 상기 실린더(41)에는 압축공간(S1)이 형성되고, 상기 피스톤(42)에는 흡입유로(F)가 형성되며, 상기 흡입유로(F)의 끝단에는 그 흡입유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(43)가 설치되고, 상기 실린더(41)의 선단면에는 그 실린더(41)의 압축공간(S1)을 개폐하는 토출밸브(44)가 설치된다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 상기 왕복동 모터(30)의 코일(35)에 전원이 인가되면 그 왕복동 모터(30)의 무버(32)가 왕복 운동을 하게 된다. 그러면 상기 무버(32)에 결합된 피스톤(42)이 상기 실린더(41)의 내부에서 직선으로 왕복 운동을 하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 토출하게 된다.

이를 상세히 살펴보면, 상기 피스톤(42)이 후퇴하면 밀폐용기(10)의 냉매가 상기 피스톤(42)의 흡입유로(F)를 통해 압축공간(S1)으로 흡입되고, 상기 피스톤(42)이 전진하면 상기 흡입유로(F)가 폐쇄되면서 압축공간(S1)의 냉매가 압축된다. 그리고 상기 피스톤(42)이 더 전진을 하게 되면, 상기 압축공간(S1)에서 압축되는 냉매가 토출밸브(44)를 열면서 토출되어 외부의 냉동사이클로 이동하게 된다.

여기서, 상기 왕복동 모터(30)는 도 4 및 도 5에서와 같이, 코일(35)을 가지며 그 코일(35)을 중심으로 한 쪽에만 공극을 가지는 스테이터(31)와, 상기 스테이터(31)의 공극에 삽입되고 마그네트(325)가 구비되어 운동방향으로 직선 운동을 하는 무버(32)로 이루어진다.

상기 스테이터(31)는 복수 개의 스테이터 블록(311)과, 상기 스테이터 블록(311)의 일측에 각각 결합되어 각각의 스테이터 블록(311)과 함께 공극부(31a)를 형성하는 복수 개의 폴 블록(315)으로 이루어진다.

상기 스테이터 블록(311)과 폴 블록(315)은 다수 장의 얇은 스테이터 코어를 겹겹이 적층하여 축방향 투영시 원호 형상으로 형성된다.

상기 스테이터 블록(311)은 축방향 투영시 요홈(ㄷ) 모양으로 형성되고, 상기 폴 블록(315)은 축방향 투영시 장방형(ㅣ)으로 형성된다.

여기서, 상기 스테이터 블록(또는, 스테이터 블록을 이루는 낱장의 스테이터 코어)(311)는 상기 무버(32)를 기준으로 그 무버(32)의 내측에 위치하여 이너 스테이터를 이루는 제1 자로부(312)와, 상기 제1 자로부(312)의 축방향 일측, 즉 공극부(31a)의 반대쪽 끝단에서 일체로 연장되고 상기 무버(32)를 기준으로 외측에 위치하여 아우터 스테이터를 이루는 제2 자로부(313)로 이루어진다.

상기 제1 자로부(312)는 계단(ㄱ) 모양으로 단차지게 형성되는 반면 상기 제2 자로부(313)는 장방형(ㅡ)으로 형성되어 상기 제1 자로부(312)의 내주측 측면에서 축방향으로 연장되어 요홈 모양으로 형성된다.

상기 제1 자로부(312)와 제2 자로부(313)의 내벽면에 형성되는 요홈은 축방향 일측, 즉 공극부 방향으로 개구된 코일수용홈(31b)이 형성되고, 상기 코일수용홈(31b)을 이루는 제1 자로부(312)의 축방향 단면에 상기 폴 블록(315)이 결합되어 상기 코일수용홈(31b)의 축방향 개구면을 복개하게 된다.

또, 상기 스테이터 블록(311)과 폴 블록(315)을 연결하여 자로연결부(미부호)를 형성하는 상기 스테이터 블록(311)의 결합면(311a)과 폴 블록(315)의 결합면(315a)에는 상기 스테이터 블록(311)과 폴 블록(315)이 견고하게 결합되는 동시에 일정한 곡률을 유지할 수 있도록 결합홈(311b)과 결합돌기(315b)가 각각 형성될 수 있다. 도면으로 도시하지는 않았으나 단차 결합될 수도 있다.

여기서, 상기 스테이터 블록(311)의 결합면(311a)과 폴 블록(315)의 결합면(315a)은 결합홈(311a)과 결합돌기(315a)를 제외하고는 평면지게 형성됨에 따라 상기 스테이터 블록(311)과 폴 블록(315) 사이에서 틈새가 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있고 이를 통해 상기 스테이터 블록(311)과 폴 블록(315) 사이에서의 자속누설을 방지하여 모터 성능을 높일 수 있다.

상기 스테이터 블록(311)의 제2 자로부(313) 끝단, 즉 공극부(31a)를 이루는 끝단에는 단면적이 넓어지는 제1 폴부(311c)가 형성되고, 상기 스테이터 블록(311)의 제1 폴부(311c)에 대응하는 폴 블록(315)의 끝단에도 단면적이 넓어지는 제2 폴부(315c)가 형성된다.

상기 무버(32)는 원통모양으로 형성되는 마그네트 홀더(321)와, 그 마그네트 홀더(321)의 외주면에 원주방향을 따라 결합되어 상기 코일(35)과 함께 자속을 형성하는 복수 개의 마그네트(325)로 이루어진다.

상기 마그네트 홀더(321)는 비자성체로 형성되는 것이 자속누설을 방지하는데 바람직하나, 굳이 비자성체로 한정할 필요는 없다. 그리고 상기 마그네트 홀더(321)의 외주면은 상기 마그네트(325)가 선접촉되어 부착될 수 있도록 원형으로 형성된다. 그리고 상기 마그네트 홀더(321)의 외주면에는 상기 마그네트(325)가 삽입되어 운동방향으로 지지될 수 있도록 띠 모양으로 마그네트 장착홈(미도시)이 형성될 수 있다.

상기 마그네트(325)는 육면체 모양으로 형성되어 상기 마그네트 홀더(321)의 외주면에 낱개씩 부착될 수도 있다. 그리고 상기 마그네트(325)가 낱개씩 부착될 경우 그 마그네트(325)의 외주면에는 별도의 고정링이나 복합재료로 된 테이프 등과 같은 지지부재(미도시)로 감싸 고정시킬 수 있다.

그리고 상기 마그네트(325)는 마그네트 홀더(321)의 외주면에 원주방향을 따라 연이어 부착될 수도 있지만, 상기 스테이터(31)가 복수 개의 스테이터 블록(311)으로 이루어지고 그 복수 개의 스테이터 블록(311)이 원주방향을 따라 소정의 간격을 가지도록 배열됨에 따라 마그네트(325) 역시 마그네트 홀더(321)의 외주면에서 원주방향을 따라 소정의 간격, 즉 스테이터 블록간 간격을 가지도록 부착되는 것이 마그네트의 사용량을 최소화할 수 있어 바람직하다. 이 경우, 상기 마그네트(325)는 각 스테이터 홀더(321)의 공극길이, 즉 공극의 원주방향 길이와 대응되는 길이를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 마그네트(325)는 그 운동방향 길이가 공극부(31a)의 운동방향 길이보다는 작지 않게, 정확하게는 상기 공극부(31a)의 운동방향 길이보다는 크게 형성되고, 초기위치 또는 운전시 적어도 운동방향의 한 쪽 끝단이 상기 공극부(31a)의 내부에 위치하도록 배치되는 것이 안정적인 왕복운동을 위해 바람직할 수 있다.

그리고 상기 마그네트(325)는 운동방향으로 한 개씩만 배치될 수도 있으나, 경우에 따라서는 운동방향을 따라 복수 개씩 배치될 수도 있다. 그리고 상기 마그네트는 운동방향을 따라 N극과 S극이 대응되도록 배치될 수 있다.

상기와 같은 왕복동 모터는 도 5에서와 같이 스테이터가 한 개의 공극부(314)을 가지도록 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 도 6에서와 같이 코일을 중심으로 왕복방향 양측에 각각 공극부(31a)(31c)를 가지도록 형성될 수도 있다. 이 경우에도 상기 무버(32)는 전술한 실시예와 동일하게 형성될 수 있다.

한편, 상기와 같은 왕복동식 압축기에서는 실린더와 피스톤 사이에서의 마찰손실을 줄여야 압축기의 성능을 높일 수 있다. 이를 위해, 종래에는 압축가스의 일부를 실린더의 내주면과 피스톤의 외주면 사이로 바이패스 시켜 가스력으로 실린더와 피스톤 사이를 윤활하는 가스베어링이 알려져 있다. 이 경우 상기 실린더에는 직경이 작은 가스유로가 형성되거나 또는 실린더의 내주면에 다공 형상으로 소결 성형된 다공성부재가 구비될 수 있다.

하지만, 미세구멍으로 된 가스유로가 형성되는 경우에는 그 가스유로를 미세구멍으로 형성하기도 난해할 뿐만 아니라 압축기의 동작 중에 발생되는 쇳가루와 같은 이물질이 미세한 가스유로를 막을 수도 있다. 그러면 가스유로의 일부가 막혀 가스력이 피스톤의 원주방향으로 균일하게 작용하지 못하면서 실린더와 피스톤 사이에 부분마찰이 발생될 수 있고 이로 인해 압축기의 성능과 신뢰성이 저하될 수 있으므로 매우 높은 청결도가 요구될 수 있다.

반면, 상기 실린더의 내주면에 다공형상으로 소결 성형된 다공성부재를 삽입하는 경우에는 그 다공성부재의 제조비용이 높을 뿐만 아니라 내마모성이 낮아 가스베어링이 형성되기 전인 초기 기동시에 상기 다공성부재에 마모가 발생되면서 수명이 저하될 수 있다. 또, 다공성부재의 특성상 구멍의 산포를 적절하게 조절하기가 어려워 실린더와 피스톤 사이가 적절하게 실링되면서 윤활될 수 있도록 가스베어링을 설계하기가 난해하게 될 수 있다.

또, 상기 실린더에 가스유로의 출구가 형성되는 경우에는 피스톤이 흡입행정을 실시할 때 상기 가스유로의 출구가 압축공간에 노출되어 고압의 냉매가 압축공간으로 유입되면서 흡입손실이 발생되는 반면, 상기 피스톤에 가스유로의 입구가 형성되는 경우에는 그 피스톤의 흡입행정시 상기 가스유로의 입구가 압축공간에 노출되어 가스베어링의 가스가 압축공간으로 역류하게 될 수 있다.

이를 감안하여, 본 실시예들에 의한 가스베어링은, 다수 개의 미세통공을 가지면서도 그 미세통공의 산포조절이 상대적으로 용이한 산화피막층(oxide film layer)을 실린더의 내주면 또는 피스톤의 외주면에 형성하거나, 또는 상기 실린더에 가스유로를 형성하는 동시에 그 가스유로를 통해 안내되는 고압의 압축가스를 실린더와 피스톤 사이로 고르게 분산 공급할 수 있는 다공성부재를 상기 피스톤의 외주면에 결합하거나, 또는 상기 실린더에 가스유로를 형성하는 동시에 그 가스유로를 통해 안내되는 고압의 압축가스가 실린더와 피스톤 사이로 고르게 분산 공급할 수 있도록 가스통공을 갖는 가스안내부재를 상기 피스톤의 외주면에 결합함으로써 고압의 압축가스가 실린더와 피스톤 사이로 고르게 분산되도록 하는 것이다.

도 7에서와 같이, 상기 실린더몸체(411)의 내주면(또는, 피스톤몸체의 외주면에 형성될 수도 있다)에 다수 개의 미세통공(412a)을 갖도록 산화피막층(412)을 형성할 수 있다. 이 경우에는 상기 가스유로(401)를 통해 상기 미세통공(412a)으로 안내되는 압축가스가 그 미세통공(412a)을 통해 상기 실린더(41)와 피스톤(42)의 사이로 고르게 공급되어 가스베어링을 형성하게 된다.

상기 산화피막층(412)은 양극산화법(anodizing)이나 초경플라즈마코팅법(microarc oxdation:MAO)이 사용될 수 있다.

여기서, 상기 가스유로(401)는 도 7에서와 같이 실린더몸체(411)에 형성될 수 있다. 상기 가스유로(401)는 토출커버(46)에 수용되는 실린더몸체(411)의 토출측 선단면(411a)에서 피스톤(42)의 왕복방향으로 형성되는 적어도 한 개 이상의 제1 유로(401a)와, 상기 제1 유로(401a)의 중간에서 실린더몸체(411)의 내주면을 향해 관통 형성되는 복수 개의 제2 유로(401b)로 이루어진다.

상기 실린더몸체(411)의 선단면(411a)은 소정의 높이만큼 돌출되어 돌출부(411b)를 형성하고 그 돌출부(411b)의 외주면에 상기 토출커버(46)가 삽입 결합된다.

상기 제1 유로(401a)의 시작단, 즉 토출공간(S2)에 접하는 제1 유로(401a)의 입구단은 상기 실린더몸체(411)의 선단면(411a)과 선택적으로 착탈되는 토출밸브(45)의 착탈범위 밖에 위치하도록 상기 토출밸브(45)의 중심을 기준으로 그 토출밸브(45)의 반경(Ds)보다 멀리 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제1 유로(401a)의 직경 대비 제2 유로(401b)의 직경은 1/10 ~ 1 범위내에서 형성될 수 있지만, 상기 제2 유로(401b)의 끝단은 상기 산화피막층(412)과 접하게 되므로 상기 제1 유로(401a)와 동일한 직경으로 형성하거나 약간 크게 형성하더라도 상관없다.

그리고, 상기 제1 유로(401a)의 선단측, 즉 실린더몸체(411)의 선단면(411a)에는 상기 가스유로(401)로 이물질이 유입되는 것을 방지하도록 환형으로 된 필터(47)가 설치될 수 있다.

상기 피스톤(42)의 외주면에는 적어도 한 개 이상의 가스확산홈(미도시)이 더 형성될 수도 있지만, 도 8에서와 같이 상기 산화피막층(412)이 다공형상으로 형성됨에 따라 굳이 피스톤(42)의 외주면에 가스확산홈을 형성하지 않더라도 고압의 압축가스가 실린더(41)와 피스톤(42) 사이의 베어링 영역으로 균일하게 분포될 수 있다.

상기와 같이 산화피막층으로 다공층을 형성하는 경우에는 상기 실린더몸체의 내주면에 다공층을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 산화피막층으로된 베어링면의 강도가 증가되어 높은 내마모성 및 내마찰성을 가지게 되므로 압축기의 신뢰성이 향상될 수 있다.

한편, 도 9 및 도 10에서와 같이, 상기 피스톤몸체(421)의 외주면(또는, 실린더몸체의 내주면)에 다공성부재(422)를 삽입하여 결합할 수도 있다. 이 경우에도 상기 가스유로(401)를 통해 다공성부재(422)의 미세통공(422a)으로 안내되는 압축가스가 그 미세통공(422a)을 통해 상기 실린더(41)와 피스톤(42) 사이로 고르게 공급되어 가스베어링을 형성하게 된다.

상기 가스유로(401)는 실린더(41)에 형성되는 실린더측 가스유로(402)와, 상기 실리더측 가스유로(402)에 연통되어 상기 피스톤(42)에 형성되는 피스톤측 가스유로(403)로 이루어질 수 있다.

상기 실린더측 가스유로(402)는 실린더(41)의 토출측 선단면에서 피스톤(42)의 왕복방향으로 형성되는 적어도 한 개 이상의 가스유입구멍(411c)과, 상기 실린더(41)의 내주면에 형성되어 상기 가스유입구멍(411c)이 측벽면에 연통되는 가스포켓(411d)으로 이루어진다. 상기 가스포켓(411d)의 단면적은 상기 가스유입구멍(411c)의 단면적보다 훨씬 크게 형성된다.

그리고 상기 피스톤측 가스유로(403)는 상기 다공성부재(422)의 중앙부위에 형성되어 상기 실린더(41)의 가스포켓(411d)과 연통되는 가스연통구멍(422b)과, 상기 피스톤몸체(421)의 외주면에 형성되어 상기 가스연통구멍(422b)과 연통되는 가스안내홈(421a)으로 이루어진다.

상기 가스안내홈(421a)은 환형으로 형성되고, 상기 가스안내홈(421a)의 왕복방향 폭은 그 가스안내홈(421a)으로 유입되는 가스가 베어링면 전체에 고르게 퍼지도록 상기 가스연통구멍(422b)의 왕복방향 폭보다 훨씬 크게, 즉 다공성부재(422)의 왕복방향 폭과 최대한 유사한 길이를 갖도록 형성하는 것이 베어링면적을 최대로 넓힐 수 있어 바람직할 수 있다.

여기서, 상기 다공성부재(422)의 외주면에는 적어도 한 개 이상의 가스확산홈(미도시)이 더 형성될 수도 있지만, 상기 다공성부재(422)가 다공형상으로 형성되어 가스가 고르게 분산됨에 따라 굳이 다공성부재(422)의 외주면에 가스확산홈을 형성하지 않더라도 가스가 실린더(41)와 피스톤(42) 사이의 베어링 영역으로 균일하게 분포될 수 있다.

본 실시예와 같이, 상기 다공성부재(422)가 피스톤몸체(421)에 삽입되어 결합되는 경우에는 토출공간(S2)으로 토출되는 압축가스의 일부가 상기 가스유입구멍(411c)를 통해 가스포켓(411d)으로 유입되고, 이 압축가스는 다공성부재(422)의 가스연통구멍(422b)을 통해 가스안내홈(421a)으로 유입되어 그 가스안내홈(421a)에서 퍼지면서 다공성부재(422)의 미세통공(422a)을 통해 실린더(41)와 피스톤(42) 사이로 공급된다.

이에 따라, 상기 실린더(41)와 피스톤(42) 사이로 공급되는 고압의 압축가스가 압축공간(S1)으로 유입되는 것이 방지되어 흡입손실을 미연에 방지할 수 있다. 또, 상기 피스톤(42)에 가스유입구멍을 형성하는 경우에는 그 가스유입구멍이 압축공간과 연통되어야 하므로 피스톤이 흡입행정을 실시할 때에는 압축공간으로 흡입되는 냉매가 가스유입구멍으로 누설되지 않도록 별도의 체크밸브를 설치하여야 하므로 그만큼 제조비용이 증가할 수 있으나 본 실시예와 같이 가스유입구멍이 실린더측에 형성됨에 따라 가공이 용이하여 제조비용을 낮출 수 있다.

한편, 도 11 및 도 12에서와 같이, 상기 피스톤(42)에 가스유로를 형성하는 경우에는 상기 피스톤이 흡입행정을 실시할 때에도 가스유로가 흡입공간에 노출되지 않아 흡입손실을 미연에 방지할 수 있다.

예를 들어, 상기 실린더몸체(411)의 토출측 선단면(411a)에서 피스톤몸체(421)의 왕복방향으로는 실린더측 가스유로(402)을 이루는 적어도 한 개 이상의 가스유입구멍(411c)이 형성되고, 상기 실린더몸체(411)의 내주면에는 상기 가스유입구멍(411c)이 측벽면에 연통되어 함께 실린더측 가스유로(402)를 이루는 가스포켓(411d)이 형성된다.

그리고 상기 피스톤몸체(421)의 외주면에는 원통모양으로 된 가스안내부재(423)가 삽입되어 결합된다. 상기 가스안내부재(423)의 중앙부위에는 상기 가스포켓(411d)과 연통되어 피스톤측 가스유로(403)을 이루는 가스연통구멍(423a)이 형성되고, 상기 피스톤몸체(421)의 외주면에는 상기 가스연통구멍(423a)과 연통되어 피스톤측 가스유로(403)을 이루는 가스안내홈(421a)이 형성되며, 상기 가스안내부재(423)의 양쪽 단부에는 피스톤측 가스유로(403)을 이루도록 상기 가스안내홈(421a)을 통해 안내되는 가스가 실린더(41)와 피스톤(42) 사이로 공급되도록 복수 개의 베어링구멍(423b)이 형성된다.

상기 베어링구멍(423b)의 크기는 가스연통구멍(423a)의 크기에 비해 현저하게 작게 형성되는 것이 압축가스의 과노출을 방지하여 바람직할 수 있다.

여기서, 상기 가스안내부재(423)의 외주면에는 한 개 이상의 가스확산홈(미도시)이 더 형성되는 것이 압축가스가 실린더(41)와 피스톤(42) 사이의 베어링 영역으로 냉매를 균일하게 분포시킬 수 있어 바람직할 수 있다.

이 경우, 상기 가스확산홈은 상기 가스연통구멍(423a) 또는 베어링구멍(423b)과 연통되도록 형성되는 것이 상기 가스안내홈(421a)으로 유입되거나 또는 유입된 압축가스가 상기 가스확산홈으로 신속하게 유입될 수 있어 바람직하다.

상기와 같은 본 실시예는, 상기 피스톤(42)에 가스유로를 형성함에 따라 상기 피스톤(42)의 흡입행정시 압축공간(S1)에 가스유로가 노출되지 않아 흡입손실로 인한 압축기의 성능 저하를 미연에 방지할 수 있다.

또, 상기 가스안내부재(423)가 단순한 원통 모양으로 형성됨에 따라 다공성부재로 형성하는 것에 비해 제조비용이 절감될 수 있다.

한편, 도 13 및 도 14에서와 같이 상기 피스톤(42)에 별도의 다공성부재나 가스안내부재를 설치하지 않고 상기 피스톤의 외주면에 가스확산홈(424)을 형성할 수도 있다.

상기 가스확산홈(424)은 실린더측 가스유로(402)의 가스포켓(411d)과 연통되는 선형홈(424a)과, 상기 선형홈(424a)에 연통되어 환형으로 형성되는 환형홈(424b)으로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 피스톤의 외주면에는 상기 실린더측 가스유로(402)의 가스포켓(411d)과 연통되도록 피스톤측 가스포켓(421b)이 형성되고, 상기 가스확산홈(424)의 선형홈(424a)은 상기 피스톤측 가스포켓(421b)에 연통되도록 형성될 수 있다.

상기와 같은 본 실시예는, 상기 가스확산홈(424)의 선형홈(424a)이 상기 피스톤측 가스포켓(421b)과 연통되도록 형성되는 것이 그 피스톤측 가스포켓(421b)으로 유입되는 냉매가 가스확산홈(424)으로 신속하게 이동되면서 실린더(41)와 피스톤(42) 사이의 베어링면으로 빠르게 확산될 수 있어 바람직하다.

한편, 상기와 같은 가스베어링이 구비되는 왕복동식 압축기는 피스톤(42)이 직진성이 유지되어야 하므로 상기 공진스프링은 횡변위가 적은 특성을 갖는 판스프링이 적용될 수 있다.

하지만, 상기 판스프링은 그 특성상 횡변위가 적은 대신 종변위가 커서 압축기가 피스톤의 운동방향으로 세워져 설치되는 경우에는 상기 피스톤이 수직 하방으로 처지면서 원활하게 압축행정이 실시되지 못할 수 있다. 아울러, 상기 판스프링이 사용되는 경우에는 피스톤의 직진성을 유지하기 위하여 상기 판스프링과 피스톤을 유연한 재질의 커넥팅바로 연결하거나, 또는 상기 커넥팅바의 중간에 적어도 한 개 이상(바람직하게는 두 개 이상)의 링크로 연결하여야 함에 따라 그만큼 재료비용과 조립공수가 증가할 수 있었다.

본 실시예는 상기와 같은 가스베어링이 구비되는 왕복동식 압축기에서 판스프링을 사용하지 않고 압축기의 설치형태를 다양하게 변경하는 동시에 별도의 커넥팅바 또는 링크의 사용을 배제하여 재료비용과 조립공수를 줄일 수 있도록 공진스프링으로 코일스프링을 적용하는 것이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 상기 공진스프링은 무버(32)와 피스톤(42)에 결합되는 스프링 서포터(53)의 전후방향 양측에 각각 설치되는 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)으로 이루어진다.

상기 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)은 각각 복수 개씩 구비되어 각각 원주방향을 따라 배열된다. 하지만, 상기 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52) 중에서 어느 한 쪽 공진스프링만 복수 개로 구비되고 다른 공진스프링은 한 개만 구비될 수도 있다.

상기 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)은 전술한 바와 같이 압축코일스프링으로 이루어짐에 따라 상기 공진스프링(51)(52)들이 신축운동을 할 때 측힘(side force)이 발생될 수 있다. 따라서 상기 공진스프링(51)(52)은 그 공진스프링(51)(52)들의 측힘(side force) 또는 토션모멘트(torsion moment)를 상쇄시킬 수 있도록 배열될 수 있다.

예를 들어, 도 16에서와 같이 상기 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)이 원주방향을 따라 2개씩 번갈아 배열되는 경우에는 상기 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)은 그 끝단이 상기 피스톤(42)의 중심을 기준으로 할 때 동일한 위치에서 모두 반시계방향으로 감기는 동시에, 각각의 대각선 방향에 위치하는 같은 쪽 공진스프링끼리는 서로 반대방향으로 측힘과 토션모멘트가 발생될 수 있도록 서로 대칭되게 귀맞춤되어 배열될 수 있다.

그리고 상기 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)은 원주방향을 따라 서로 반대방향으로 측힘과 토션모멘트가 발생될 수 있도록 각 공진스프링의 끝점을 서로 대칭되게 귀맞춤하여 배열할 수도 있다.

그리고 도면으로 도시하지는 않았으나 상기 제1 공진스프링(51)의 개수가 각각 홀수 개인 경우에는 각 스프링의 선단면에 직교하는 선이 서로 한 점에서 만나도록 배열됨으로써 측힘과 토션모멘트를 상쇄시킬 수 있다.

여기서, 상기 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)의 단부가 고정되는 프레임이나 스프링 서포터(53)에는 상기 공진스프링(51)(52)이 압입되어 고정될 수 있도록 스프링 고정돌부(531)(532)가 각각 형성되는 것이 귀맞춤된 공진스프링의 회전을 방지할 수 있어 바람직하다.

한편, 상기 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)은 서로 동일한 개수로 구비될 수 있고, 상기 서로 다른 개수로 구비될 수도 있다. 다만, 상기 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)은 각각 동일한 탄성력을 가지도록 구비되면 족하다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 가스베어링이 구비된 왕복동식 압축기는 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 상기 코일(35)로 전원이 인가되면, 상기 코일(35)의 주변에 자속(magnetic flux)이 형성되고, 상기 자속은 스테이터(31)의 제1 자로부(311)와 제2 자로부(312) 그리고 자로연결부(313)를 따라 폐루프(closed loop)를 형성하며, 상기 제1 자로부(311)와 제2 자로부(312) 사이에 형성되는 자속과 상기 마그네트(325)에 의해 형성되는 자속의 상호 작용에 의해 상기 마그네트(325)가 마그네트 홀더(321)와 함께 운동방향으로 직선 이동하게 된다. 그리고, 상기 코일(35)에 인가되는 전류의 방향을 번갈아 바꾸면 상기 코일(35)의 자속방향이 바뀌면서 마그네트(325)가 직선으로 왕복 운동을 하게 된다.

그러면, 상기 마그네트 홀더(321)에 결합된 피스톤(42)이 실린더(41)의 압축공간(S1)에 삽입된 상태에서 상기 마그네트 홀더(321)와 함께 왕복운동을 하게 되고, 상기 피스톤(42)이 왕복운동을 함에 따라 그 피스톤(42)의 운동방향 양측에 각각 설치되는 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)이 서로 번갈아 신축되면서 상기 피스톤(42)의 공진운동을 유도하게 된다.

이때, 상기 공진스프링(51)(52)은 압축코일스프링의 특성상 신축되는 과정에서 측힘과 토션 모멘트가 발생되어 피스톤(42)의 직진성이 틀어질 수 있다. 하지만, 본 실시예와 같이 상기 복수 개씩의 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)이 서로 반대방향으로 감기도록 배열됨에 따라 각각의 공진스프링(51)(52)에서 발생되는 측힘과 토션 모멘트가 대각선방향으로 대응하는 공진스프링에 의해 서로 상쇄된다. 이에 따라 상기 피스톤(42)의 직진성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 공진스프링(51)(52)과 접하는 면이 마멸되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또, 상기 공진스프링(51)(52)으로 종변형이 작은 압축코일스프링을 적용함에 따라 압축기를 횡형은 물론 입형으로도 설치할 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 커넥팅바 또는 링크가 필요없어 그만큼 재료비용과 조립공수를 줄일 수 있다.

한편, 전술한 실시예들에서는 왕복동 모터의 스테이터에 실린더가 삽입되는 것이나, 상기 왕복동 모터가 실린더를 포함한 압축유닛과 소정의 간격을 두고 기구적으로 결합되는 경우에도 상기와 같은 공진스프링은 동일하게 적용될 수 있다. 이에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.

또, 전술한 실시예들에서는 상기 피스톤이 왕복운동을 하도록 구성되어 그 피스톤의 운동방향 양측에 상기 공진스프링이 각각 설치되는 것이다. 하지만, 경우에 따라서는 상기 실린더가 왕복운동을 하도록 구성되어 그 실린더의 양측에 상기 공진스프링이 설치될 수도 있다. 그리고 이 경우에도 상기 공진스프링은 전술한 실시예들과 같이 복수 개씩의 압축코일스프링으로 이루어질 수 있고, 이 복수 개씩의 압축코일스프링은 전술한 실시예들과 같이 배열될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

30 : 왕복동 모터 31 : 스테이터
31a : 공극부 31b : 코일수용홈
311 : 스테이터 블록 312 : 제1 자로부(이너 스테이터)
313 : 제2 자로부(아우터 스테이터) 315 : 폴 블록
311c,315c : 폴부 32 : 무버
321 : 마그네트 홀더 325 : 마그네트
41 : 실린더 401 : 가스유로
401a : 제1 유로 401b : 제2 유로
411 : 실리더몸체 411a : 선단면
411b : 돌출부 402 : 실린더측 가스유로
411c : 가스유입구멍 411d : 가스포켓
412 : 산화피막층 42 : 피스톤
421 : 피스톤몸체 421a : 가스안내홈
422 : 다공성부재 403 : 피스톤측 가스유로
422a : 미세구멍 422b : 가스연통구멍
423 : 가스안내부재 423a : 가스연통구멍
423b : 베어링구멍 43 : 흡입밸브
44 : 토출밸브 51,52 : 공진스프링
53 : 스프링 서포터

Claims (8)

1. 압축공간이 구비되는 실린더;
   상기 실린더의 압축공간에 삽입되어 그 실린더에 대해 상대 왕복운동을 하는 피스톤;
   상기 실린더와 피스톤의 베어링면을 가스로 윤활하는 가스베어링; 및
   상기 실린더 또는 피스톤 중에서 왕복운동을 하는 부재의 운동방향 양측을 지지하는 공진스프링;을 포함하고, 상기 공진스프링은,
   압축코일스프링으로 이루어져 상기 왕복운동을 하는 부재의 양측에 각각 구비되는 제1 공진스프링 제2 공진스프링으로 이루어지고,
   상기 제1 공진스프링과 제2 공진스프링 중에서 적어도 어느 하나는 복수 개가 구비되는 가스베어링을 구비하는 왕복동식 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 공진스프링과 제2 공진스프링 중에서 복수 개가 구비되는 공진스프링은 그 공진스프링의 끝단이 상기 피스톤의 중심을 기준으로 동일한 위치에서 반대방향으로 감기도록 귀맞춤되어 배열되는 가스베어링을 구비하는 왕복동식 압축기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 공진스프링과 제2 공진스프링 중에서 복수 개가 구비되는 공진스프링은 그 공진스프링의 끝단이 상기 피스톤의 중심을 기준으로 동일한 위치에서 원주방향을 따라 서로 반대방향으로 감기도록 귀맞춤되어 배열되는 가스베어링이 구비되는 왕복동식 압축기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 공진스프링과 제2 공진스프링 중에서 복수 개가 구비되는 공진스프링은 감긴방향의 선단면에 직교하는 선이 서로 한 점에서 만나도록 배열되는 가스베어링이 구비되는 왕복동식 압축기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 공진스프링과 제2 공진스프링은 동일한 개수로 구비되는 가스베어링이 구비되는 왕복동식 압축기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 공진스프링과 제2 공진스프링은 서로 다른 개수로 구비되는 가스베어링이 구비되는 왕복동식 압축기.
7. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,
   상기 실린더의 선단면에 착탈 가능하게 설치되어 상기 실린더의 압축공간을 선택적으로 개폐하는 토출밸브; 및
   상기 토출밸브에 의해 압축공간과 선택적으로 연통되도록 토출공간이 구비되어 상기 실린더의 선단측에 결합되는 토출커버;를 더 포함하고,
   상기 실린더에는 상기 토출공간에 수용되는 실린더의 선단면에서 상기 피스톤의 왕복방향으로 적어도 한 개 이상의 가스유입구멍이 형성되고,
   상기 실린더의 내주면에는 상기 가스유입구멍과 연통되도록 환형으로 된 가스포켓이 더 형성되는 가스베어링이 구비되는 왕복동식 압축기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 가스유입구멍의 입구는 상기 토출밸브의 중심을 기준으로 그 토출밸브의 반경보다 멀리 위치하도록 형성되는 가스베어링이 구비되는 왕복동식 압축기.

Images