KR20140049880A - 왕복동식 압축기 - Google Patents

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이수석
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 실린더에 동압발생부를 형성함으로써, 피스톤이 직진성을 유지하면서 실린더와 피스톤 사이의 적정한 유막두께를 확보할 수 있고 이를 통해 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실이나 마모를 미연에 방지할 수 있다. 또, 실린더에 동압발생부를 형성함으로써, 피스톤의 베어링부가 실린더 밖에 위치하더라도 실린더와 피스톤 사이에는 동압발생부가 존재하게 되어 피스톤의 직진성이 유지될 수 있고 이에 따라 피스톤의 직진성을 유지시키기 위한 실린더와 피스톤의 설계가 용이하여 압축기의 소형화가 가능할 수 있다.

Description

왕복동식 압축기{RECIPROCATING COMPRESSOR}
본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 가동자와 피스톤이 함께 왕복운동을 하는 왕복동식 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤이 실린더의 내부에서 고속으로 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입 압축하여 토출하는 방식이다. 왕복동식 압축기는 피스톤의 구동방식에 따라 연결형과 진동형으로 구분할 수 있다.
연결형 왕복동식 압축기는 피스톤이 회전모터의 회전축에 연결되어 실린더에서 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이다. 반면, 진동형 왕복동식 압축기는 피스톤이 왕복동 모터의 가동자에 연결되어 진동하면서 실린더에서 왕복운동을 하여 냉매를 압축하는 방식이다. 본 발명은 진동형 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 이하에서는 진동형 왕복동식 압축기를 왕복동식 압축기라고 약칭한다.
도 1은 종래 왕복동식 압축기의 일실시예를 보인 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 종래의 왕복동식 압축기는, 밀폐된 쉘(10)의 내부공간에 프레임(20)이 탄력 설치되고, 프레임(20)에는 왕복동 모터(30)의 고정자(31)(32)와 후술할 압축부의 실린더(41)가 고정되며, 실린더(41)에는 왕복동 모터(30)의 가동자(mover)(33)에 결합된 후술할 피스톤(42)이 삽입되어 왕복운동을 하도록 결합되어 있다.
쉘(10)의 내부공간에는 냉동사이클의 증발기와 연결되는 흡입관(11)이 연통되도록 설치되고, 흡입관(11)의 일측에는 냉동사이클 장치의 응축기와 연결되는 토출관(12)이 연통되도록 설치되어 있다.
실린더(41)에는 압축공간(S1)이 형성되고, 피스톤(42)에는 냉매를 압축공간(S1)으로 안내하는 흡입유로(F)가 형성되며, 흡입유로(F)의 끝단에는 그 흡입유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(43)가 설치되고, 실린더(41)의 선단면에는 그 실린더(41)의 압축공간(S1)을 개폐하는 토출밸브(44)가 설치되어 있다.
도면중 미설명 부호인 36은 마그네트, 45는 밸브스프링, 46은 토출커버, 61 및 62는 지지스프링이다.
상기와 같은 종래의 왕복동식 압축기는, 왕복동 모터(30)의 코일(35)에 전원이 인가되면 그 왕복동 모터(30)의 가동자(33)가 왕복 운동을 하게 된다. 그러면 가동자(33)에 결합된 피스톤(42)이 제1 공진스프링(51)과 제2 공진스프링(52)에 의해 실린더(41)의 내부에서 고속으로 왕복 운동을 하면서 흡입관(11)을 통해 냉매를 쉘 내부로 흡입하게 된다. 그러면 쉘(10) 내부공간의 냉매는 피스톤(42)의 흡입유로(F)를 통해 실린더(41)의 압축공간(S1)으로 흡입되고, 피스톤(42)의 전진운동시 압축공간(S1)에서 토출되어 토출관(12)을 통해 냉동사이클의 응축기(미도시)로 이동하는 일련의 과정을 반복하게 된다.
이때, 피스톤(42)이 왕복운동을 하면서 일종의 펌핑력을 발생시키고 이 펌핑력에 의해 쉘(10)의 내부공간에 담긴 오일이 실린더(41)와 피스톤(42) 사이로 공급되어 윤활시키게 된다.
도 2에서와 같이, 피스톤(42)의 베어링부(41a)(41b) 양단에 각각 모따기된 동압발생부(42c)가 형성되어 피스톤(42)이 직진성을 유지하도록 함으로써 실린더(41)와 피스톤(42) 사이가 적절한 유막두께를 확보하도록 하고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 왕복동식 압축기는, 실린더(41)의 길이가 짧아지는 경우에는 피스톤(42)의 왕복운동시 그 피스톤(42)의 베어링부(42b) 일부가 실린더(41)의 외곽에 위치하여 피스톤(42)에 대한 지지하중이 불안정하게 되고, 이로 인해 피스톤(42)의 거동이 불안정하게 되면서 피스톤(42)과 실린더(41) 사이의 마찰손실과 마모가 가중될 수 있었다.
본 발명의 목적은, 실린더와 피스톤 사이의 베어링면으로 오일이 원활하게 유입되도록 하여 적정 유막두께를 유지하도록 함으로써 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실과 마모를 예방할 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 실린더의 길이를 짧게 하더라도 피스톤을 안정적으로 지지하기 위한 실린더와 피스톤의 설계가 용이한 왕복동식 압축기를 제공하려는데도 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 왕복운동을 하는 가동자를 갖는 왕복동 모터; 일측에 압축공간이 구비되는 실린더; 및 상기 실린더에 삽입되어 그 실린더에 의해 상대 왕복 운동을 하는 피스톤;을 포함하고, 상기 실린더에는 상기 피스톤의 상대 왕복 운동시 그 피스톤과의 사이에 동압을 발생시키도록 적어도 한 개 이상의 동압발생부가 형성되는 왕복동식 압축기가 제공될 수 있다.
본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 실린더에 동압발생부를 형성함으로써, 피스톤이 직진성을 유지하면서 실린더와 피스톤 사이의 적정한 유막두께를 확보할 수 있고 이를 통해 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실이나 마모를 미연에 방지할 수 있다.
또, 실린더에 동압발생부를 형성함으로써, 피스톤의 베어링부가 실린더 밖에 위치하더라도 실린더와 피스톤 사이에는 동압발생부가 존재하게 되어 피스톤의 직진성이 유지될 수 있고 이에 따라 피스톤의 직진성을 유지시키기 위한 실린더와 피스톤의 설계가 용이하여 압축기의 소형화가 가능할 수 있다.
도 1은 종래 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도,
도 2는 도 1에 따른 왕복동식 압축기에서 실린더와 피스톤을 보인 측면도,
도 3은 본 발명에 의한 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도,
도 4는 도 3에 따른 왕복동식 압축기에서 실린더와 피스톤을 보인 종단면도,
도 5는 도 4에서 동압발생부의 일례를 보인 확대도,
도 6 및 도 7은 도 4에 따른 실린더에서 피스톤의 왕복운동시 동압발생부의 효과를 설명하기 위해 보인 종단면도,
도 8은 도 4에 따른 왕복동식 압축기의 동압발생부에 대한 다른 실시예를 보인 측면도.
이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 왕복동식 압축기를 보인 종단면도이다.
이에 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 쉘(10)의 내부공간에 프레임(110)이 후술할 복수 개의 지지스프링(61)(62)에 의해 탄력적으로 지지되어 설치되고, 프레임(110)의 일측에는 왕복력을 발생시키는 전동부(M)가 후술할 지지부재들(120)(130)(140)에 의해 프레임(110)으로부터 일정 간격을 두고 배치되며, 프레임(110)과 전동부(M)의 사이에는 그 전동부(M)의 왕복력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부(C)가 배치될 수 있다.
쉘(10)의 내부공간은 밀폐되고, 쉘(10)의 일측 벽면에는 냉동사이클의 냉매를 쉘(10)의 내부공간으로 안내하는 흡입관(11)이 연결되며, 흡입관(11)의 일측에는 후술할 실린더(210)의 압축공간(S1)에서 압축된 냉매를 냉동사이클로 토출하는 토출관(12)이 연결될 수 있다. 그리고 쉘(10)의 저면에는 복수 개의 지지스프링(61)(62)이 설치되고, 지지스프링(61)(62)에는 프레임(110)을 비롯한 전동부(M)와 압축부(C)가 쉘(10)의 저면으로부터 소정의 간격을 유지하도록 탄력 지지될 수 있다.
전동부(M)를 이루는 왕복동 모터(200)는 제1 지지부재(120)에 의해 프레임(110)에 결합되는 외측고정자(210)와, 외측고정자(210)의 안쪽에 소정의 공극을 두고 배치되어 제2 지지부재(130)에 의해 프레임(110)에 결합되며 코일(225)이 구비되는 내측고정자(220)와, 외측고정자(210)와 내측고정자(220) 사이의 공극에 개재되고 코일(225)에 대응하는 마그네트(232)가 구비되어 그 마그네트(232)와 코일(225)에 의해 유도되는 자속의 방향을 따라 왕복운동을 하는 가동자(230)가 포함될 수 있다.
제1 지지부재(120)는 알루미늄과 같은 비자성체를 원통모양으로 형성하여 외측고정자(210)의 외주면을 감싸 프레임(110)에 결합하거나 또는 인서트 다이 캐스팅이나 몰딩 공법을 이용하여 프레임(110)에 일체로 성형하여 제작할 수 있다. 제1 지지부재(120)는 전방단(피스톤의 토출행정 방향측 단부)은 프레임(110)에 결합되는 반면 후방단(피스톤의 흡입행정 방향측 단부)은 제2 지지부재(130)나 후술할 제3 지지부재(140)와 분리될 수 있다.
제2 지지부재(130)는 제1 지지부재(120)와 같이 알루미늄과 같은 비자성체 재질로 형성될 수 있다. 그리고 제2 지지부재(130)는 원통모양으로 형성되어 내측고정자(220)의 내주면을 지지하는 내주면 지지부(131)와, 내주면 지지부(131)의 전방단에서 플랜지 형상으로 연장되어 내측고정자(220)의 전방측면을 지지하는 측면 지지부(132)와, 측면 지지부(132)에서 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 전방측으로 연장 형성되어 프레임(110)에 결합되는 고정 지지부(133)로 이루어질 수 있다.
내주면 지지부(131)의 내주면에는 후술할 제2 공진스프링(333)의 후방단을 지지하는 동시에 제3 지지부재(140)와 볼트 체결될 수 있도록 연결 지지부(134)가 절곡되어 연장 형성될 수 있다.
압축부(C)는 프레임(110)의 실린더 구멍(111)에 삽입되어 결합되는 실린더(310)와, 실린더(310)에 왕복 가능하게 삽입되어 냉매를 압축하는 피스톤(320)과, 피스톤(320)에 결합되어 그 피스톤(320)의 공진운동을 안내하는 공진유닛(330)을 포함한다.
실린더(310)의 선단면에는 압축공간(S1)을 개폐하는 토출밸브(340)가 착탈 가능하게 설치될 수 있다. 그리고 실린더(310)는 그 내주면이 주철로 된 피스톤(320)과 베어링면을 형성함에 따라 피스톤(320)에 의한 마모를 고려하여 주철이나 적어도 프레임(110)의 경도보다 높은 재질로 형성되는 것이 실린더의 마모를 방지할 수 있어 바람직할 수 있다.
피스톤(320)은 냉매가 실린더(310)의 압축공간(S1)으로 흡입되도록 흡입유로(F)가 관통 형성되고, 피스톤(320)의 선단면에는 흡입유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(350)가 설치될 수 있다. 그리고 피스톤(320)은 실린더(310)의 재질과 동일한 재질로 형성되거나 적어도 경도가 비슷한 재질로 형성되는 것이 실린더(310)와의 마모를 줄일 수 있어 바람직할 수 있다.
공진유닛(330)은 피스톤(320)에 결합되는 스프링 지지대(331)와, 스프링 지지대(331)의 전후 방향에 각각 설치되는 제1 공진스프링(332) 및 제2 공진스프링(333)을 포함한다. 제1 공진스프링(332)과 제2 공진스프링(333)은 각각 한 개씩 구비될 수도 있고, 제1 공진스프링(332)과 제2 공진스프링(333) 모두 복수 개씩 구비될 수도 있다. 제1 공진스프링(332)과 제2 공진스프링(333)이 한 개씩 구비되는 경우에는 조립성이 용이하고, 제1 공진스프링(332)과 제2 공진스프링(333)이 복수 개씩 구비되는 경우에는 측힘을 상쇄시켜 피스톤(320)의 직진성을 높일 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기의 작용 효과는 다음과 같다.
즉, 왕복동 모터(200)의 코일(221)에 전원이 인가되면, 외측고정자(210)와 내측고정자(220)의 사이에 자속이 형성된다. 그러면 외측고정자(210)와 내측고정자(220) 사이의 공극에 놓인 가동자(230)가 자속의 방향을 따라 움직이면서 공진유닛(330)에 의해 지속적으로 왕복운동을 하게 된다. 그러면 가동자(330)와 결합된 피스톤(320)이 실린더(310)의 내부에서 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입, 압축하여 토출하는 일련의 과정을 반복하게 된다.
여기서, 왕복동 모터(200)는 비자성체인 제1 지지부재(120)와 제2 지지부재(130)에 의해 압축부(C)를 이루는 실린더(310)와 일정간격만큼 이격됨에 따라 왕복동 모터(200)의 외측고정자(210)와 내측고정자(220) 사이에서 발생되는 자속이 실린더(310)와 피스톤(320)으로 누설되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
이를 통해 왕복동 모터(200)의 자속누설이 감소되어 모터 효율이 향상될 뿐만 아니라, 왕복동 모터(200)에서 발생되는 자속이 압축부를 이루는 실린더(310)와 피스톤(320)으로 누설되지 않음에 따라 실린더(310)와 피스톤(320)을 내마모성이 좋은 자성체로 형성할 수 있어 압축기의 제조비용을 낮추고 신뢰성과 성능이 향상될 수 있다.
하지만, 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 전동부(M)와 압축부(C)가 일정 간격만큼 이격되어 설치됨에 따라 압축기가 피스톤(320)의 왕복방향으로 길어지면서 대형화될 수 있다. 따라서 압축기의 길이를 짧게 하기 위해서는 상대적으로 설계자유도가 높은 압축부(C)의 길이를 줄이는 대신 직경을 확장하여 동일한 압축성능을 유지하도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
이 경우, 실린더(310)의 길이(L1)와 피스톤(320)의 길이(L2), 특히 실린더(310)의 길이(L1)가 종래에 비해 현저하게 짧아지면서 피스톤(320)의 후진시 또는 전진시에도 그 피스톤(320)의 후방측 베어링부(322)가 실린더 밖으로 노출될 수 있다. 피스톤(320)은 전진운동시 압축공간(S1)으로부터 냉매가 누설되지 않도록 일정 면적 이상의 베어링부가 확보되어야 하므로 베어링부가 실린더(310)의 범위안에 항상 위치하도록 베어링부의 폭을 줄이는데는 한계가 있다.
이를 감안하여 본 실시예에서는 실린더(310)에 적어도 한 개 이상의 동압발생부를 형성하여 피스톤이 직진성을 유지하도록 함으로써 실린더(310)와 피스톤(320) 사이의 적정한 유막두께를 확보할 수 있도록 하고 있다.
도 4는 도 3에 따른 왕복동식 압축기에서 실린더와 피스톤을 보인 종단면도이고, 도 5는 도 4에서 동압발생부의 일례를 보인 확대도이며, 도 6 및 도 7은 도 4에 따른 실린더에서 피스톤의 왕복운동시 동압발생부의 효과를 설명하기 위해 보인 종단면도이다.
도 4 및 도 5에서와 같이, 실린더(310)의 내주면에는 오일펌프(360)를 통해 유입되는 오일을 담지할 수 있도록 환형으로 된 오일포켓(312)이 형성되고, 오일포켓의 일측, 도 4에서는 후방측면에 실린더측 제1 방향 동압발생부(이하, 제1 발생부)(314)가 모따기를 하여 형성될 수 있다. 그리고 실린더(310)의 후방단, 즉 압축공간(S1)의 반대쪽 끝단 모서리에 모따기를 하여 실린더측 제2 방향 동압발생부(이하, 제2 발생부)(316)가 형성될 수 있다. 이 경우 제1 발생부(314)와 제2 발생부(316)의 경사각이 너무 크면 유체가 실린더(310)와 피스톤(320) 사이로 과도하게 유입되어 실린더(310)와 피스톤(320) 사이의 동압이 과도하게 상승할 수 있고 이로 인해 피스톤(320)의 왕복운동을 방해하면서 입력손실이 발생될 수 있으므로 도 5에서와 같이 제1 발생부(314)와 제2 발생부(316)는 대략 길이(L3)가 1~3mm, 높이(H)가 0.005~0.02mm 정도가 되도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
이 경우, 피스톤(320)의 선단측 모서리에도 피스톤측 제2 방향 동압발생부(이하, 제3 발생부)(325)가 제2 발생부(316)와 동일한 규격으로 형성될 수 있다.
도면중 미설명 부호인 321은 전방측 베어링부, 322는 후방측 베어링부이다.
상기와 같은 본 실시예와 같이, 실린더(310) 또는 피스톤(320)에 적어도 한 개 이상의 동압발생부(314)(316)(325)가 형성되는 경우에는 도 6 및 도 7에서와 같이 피스톤(320)의 왕복운동시 그 피스톤(320)을 지지할 수 있는 지지하중이 동압발생부에 형성되면서 피스톤(320)이 직진성을 유지할 수 있게 된다. 그러면 실린더(310)와 피스톤(320)의 사이로 오일이 원활하게 유입되어 적정한 유막두께를 형성할 수 있고 이로 인해 실린더(310)와 피스톤(320) 사이의 마찰손실을 줄이거나 마모를 방지할 수 있게 된다.
특히, 도 7에서와 같이 피스톤(320)의 전진시에는 그 피스톤(320)의 후방측 베어링부(322)가 실린더(310)의 후방단 밖에 위치하게 되지만 실린더(310)의 후방단에는 제2 발생부(316)가 형성되어 피스톤(320)의 후방측 베어링부(322)를 안정적으로 지지할 수 있고, 이에 따라 실린더(310)와 피스톤(320) 사이로 오일이 원활하게 유입되면서 적정한 유막두께를 형성할 수 있다. 물론, 피스톤(320)의 전진시 그 피스톤(320)의 전방측 베어링부(321) 선단면에 구비되는 제3 발생부(325)가 형성되어 피스톤(320)의 전방단에도 동압이 형성되면서 피스톤(320)의 직진성을 안정적으로 지지하게 된다.
한편, 도 8에서와 같이 동압발생부는 실린더(310)의 오일포켓(312) 전방측 모서리에 형성될 수도 있고, 피스톤(320)의 전방측 베어링부(321) 후단면 모서리와 후방측 베어링부(322)의 선단면 모서리에도 형성될 수 있다. 실린더(310)의 오일포켓(312) 전방측에 형성되는 동압발생부는 제2 방향 동압발생부(318)를 이루고, 피스톤(320)의 전방측 베어링부(321) 후단면에 형성되는 동압발생부는 제1 방향 동압발생부(326)를, 피스톤(320)의 후방측 베어링부(322) 선단면에 형성되는 동압발생부는 제2 방향 동압발생부(327)를 각각 이루게 된다.
이 경우에도, 각 동압발생부의 규격과 이에 따른 작용 효과는 전술한 실시예와 대동소이하다. 다만, 본 실시예와 같이 실린더와 피스톤에 복수 개씩의 동압발생부가 형성되는 경우에는 동압이 왕복방향으로 좁은 구간에서 형성됨에 따라 피스톤을 더욱 안정적으로 지지할 수 있다.
10 : 쉘 110 : 프레임
120 : 제1 지지부재 130 : 제2 지지부재
140 : 제3 지지부재 200 : 왕복동 모터
210 : 외측 고정자 220 : 내측 고정자
230 : 가동자 310 : 실린더
312 : 오일포켓 314,318 : 제1 방향 동압발생부
316 : 제2 방향 동압발생부 320 : 피스톤
321 : 전방측 베어링부 322 : 후방측 베어링부
325,327 : 제2 방향 동압발생부 326 : 제1 방향 동압발생부
C : 압축부 M : 전동부

Claims (9)

  1. 왕복운동을 하는 가동자를 갖는 왕복동 모터;
    일측에 압축공간이 구비되는 실린더; 및
    상기 실린더에 삽입되어 그 실린더에 의해 상대 왕복 운동을 하는 피스톤;을 포함하고,
    상기 실린더에는 상기 피스톤의 상대 왕복 운동시 그 피스톤과의 사이에 동압을 발생시키도록 적어도 한 개 이상의 동압발생부가 형성되는 왕복동식 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동압발생부는 상기 피스톤의 왕복방향에 대해 경사지게 형성되는 왕복동식 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 동압발생부는 경사각이 0.1 ~ 1° 범위내에 형성되는 왕복동식 압축기.
  4. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 동압발생부는, 상기 실린더의 압축공간 반대쪽 선단면 모서리에 형성되는 왕복동식 압축기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실린더의 내주면에는 소정의 깊이만큼 환형으로 오일포켓이 형성되고, 상기 오일포켓의 모서리에 상기 동압발생부가 형성되는 왕복동식 압축기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 동압발생부는 상기 오일포켓의 양측 모서리에 서로 반대방향으로 형성어되는 왕복동식 압축기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 피스톤의 외주면에 동압발생부가 형성되는 왕복동식 압축기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 동압발생부는 상기 실린더의 압축공간에 대응하는 피스톤의 선단면 모서리에 형성되는 왕복동식 압축기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 피스톤은 길이방향을 따라 서로 직경이 다른 부위를 가지도록 형성되고, 상기 직경이 변하는 부위에 상기 동압발생부가 형성되는 왕복동식 압축기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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