KR20190095809A - 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 무버가 왕복운동을 하는 리니어 모터; 상기 리니어 모터의 무버에 연결되는 피스톤이 실린더에서 왕복운동을 하면서 상기 실린더에 압축공간을 형성하는 압축유닛; 상기 압축공간에서 토출된 냉매의 일부를 상기 실린더와 피스톤 사이로 안내하여 상기 실린더와 피스톤 사이를 윤활하는 가스베어링; 및 상기 압축유닛에 구비되어, 운전중에는 상기 가스베어링을 개방하는 반면 정지시에는 상기 가스베어링을 차단하는 가스베어링 개폐부재;를 포함하는 리니어 압축기 및 에 따른 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동사이클 장치가 개시된다.

Description

리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기{LINEAR COMPRESSOR AND REFRIGERATION DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은 실린더와 피스톤 사이를 냉매로 윤활하는 리니어 압축기 및 이를구비한 냉동기기에 관한 것이다.

리니어 압축기는 윤활방식에 따라, 오일윤활형 리니어 압축기와 가스형 리니어 압축기로 구분할 수 있다. 오일윤활형 리니어 압축기는 특허문헌1(한국 공개특허공보 KR10-2015-0040027)에 개시된 바와 같이, 케이싱의 내부에 일정량의 오일이 저장되어 그 오일을 이용하여 실린더와 피스톤 사이를 윤활하도록 구성되어 있다. 반면, 가스윤활형 리니어 압축기는 특허문헌2(한국 공개특허공보 KR10-2016-0024217)에 개시된 바와 같이, 케이싱의 내부에 오일이 저장되지 않고 압축공간에서 토출되는 냉매의 일부를 실린더와 피스톤 사이로 유도하여 그 냉매의 가스력으로 실린더와 피스톤 사이를 윤활하도록 구성되어 있다.

오일윤활형 리니어 압축기(이하, 오일베어링 압축기)는, 상대적으로 온도가 낮은 오일이 실린더와 피스톤 사이로 공급됨에 따라, 실린더와 피스톤이 모터열이나 압축열 등에 의해 과열되는 것을 억제할 수 있다. 이를 통해, 오일베어링 압축기는 피스톤의 흡입유로를 통과하는 냉매가 실린더의 압축실로 흡입되면서 가열되어 비체적이 상승하는 것을 억제하여 흡입손실이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

하지만, 오일베어링 압축기는, 냉매와 함께 냉동사이클 장치로 토출되는 오일이 압축기로 원활하게 회수되지 않을 경우 그 압축기의 케이싱 내부에서는 오일부족이 발생할 수 있고, 이러한 케이싱 내부에서의 오일 부족은 압축기의 신뢰성이 저하되는 원인이 될 수 있다.

반면, 가스윤활형 리니어 압축기(이하, 가스베어링 압축기)는, 오일베어링 압축기에 비해 소형화가 가능하고, 실린더와 피스톤 사이를 냉매로 윤활하기 때문에 오일부족으로 인한 압축기의 신뢰성 저하가 발생하지 않는다는 점에서 유리하다.

그러나, 상기와 같은 종래의 가스베어링 압축기는, 압축공간에서 토출공간으로 토출되는 냉매의 일부가 실린더와 피스톤 사이에 형성되는 윤활공간으로 유입되어 실린더와 피스톤 사이를 윤활하는 것이나, 윤활공간이 케이싱의 내부공간인 넓은 흡입공간과도 연통됨에 따라 토출공간에서 윤활공간으로 유입되는 냉매가 흡입공간으로 누설되게 된다. 특히, 압축기가 정지된 경우에도 토출공간과 흡입공간이 윤활공간을 통해 서로 연통됨에 따라, 상대적으로 고압인 토출공간의 냉매가 저압인 흡입공간을 향해 지속적으로 유출되게 된다. 이는, 재기동시 토출공간의 압력이 적정압력까지 상승하게 하는 시간이 지연됨에 따라, 운전 손실이 발생되어 그만큼 압축기의 소비 전력이 증가하면서 압축기 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 나아가, 종래의 가스베어링 압축기가 냉동사이클을 가지는 냉동기기에 연결된 경우, 토출공간의 압력이 낮으면 냉동사이클 전체가 낮은 압력으로 평형을 이루게 되면서 냉동기기의 재운전 시간이 지연되어 냉동기기의 효율이 저하될 수 있다.

또, 종래의 가스베어링 압축기는, 앞서 설명한 바와 같이 토출공간의 압력이 적정 압력까지 상승하기까지 시간이 지체됨에 따라, 윤활공간의 압력이 피스톤을 부상시키는데 필요한 압력에 늦게 도달하게 되어 실린더와 피스톤 사이의 마찰이 발생되는 문제점도 있었다.

한국 공개특허공보 KR10-2015-0040027 A (2015.04.14. 공개) 한국 공개특허공보 KR10-2016-0024217 A (2016.03.04. 공개)

본 발명의 목적은, 압축기의 정지시 토출공간으로 토출된 냉매가 윤활공간을 거쳐 흡입공간으로 누설되는 것을 억제함에 따라, 재기동시 압축기와 냉동사이클의 압력을 신속하게 적정 압력만큼 상승시켜 전력 소비를 낮추고 효율을 높일 수 있는 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 압축기의 재기동시 윤활공간의 압력을 신속하게 적정압력으로 상승시켜 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실을 억제할 수 있는 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 토출공간의 냉매가 윤활공간과 흡입공간을 통해 누설되는 것을 차단하는 밸브를 설치하되, 그 밸브가 별도의 구동수단 없이 작동되도록 하여 제조 비용을 낮추고 고장을 미연에 방지할 수 있는 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 토출공간의 냉매가 윤활공간 또는 흡입공간으로 누설되는 것을 차단하는 밸브를 설치하되, 이 밸브가 개폐되면서 발생되는 밸브타음을 미연에 방지할 수 있는 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 토출공간의 냉매가 윤활공간 또는 흡입공간으로 누설되는 것을 차단하는 밸브를 설치하되, 이 밸브가 신속하게 개방되어 토출공간의 냉매가 윤활공간으로 신속하게 이동할 수 있는 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 실린더와 피스톤 사이에 가스베어링이 적용되는 리니어 압축기에서, 상기 가스베어링의 입구에 압축기의 정지시 닫히는 밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 밸브는 상기 리니어 압축기의 운전시 상기 가스베어링을 개폐하도록 구성될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 무버가 왕복운동을 하는 리니어 모터; 상기 리니어 모터의 무버에 연결되는 피스톤이 실린더에서 왕복운동을 하면서 상기 실린더에 압축공간을 형성하는 압축유닛; 상기 압축공간에서 토출된 냉매의 일부를 상기 실린더와 피스톤 사이로 안내하여 상기 실린더와 피스톤 사이를 윤활하는 가스베어링; 및 상기 압축유닛에 구비되어, 운전중에는 상기 가스베어링을 개방하는 반면 정지시에는 상기 가스베어링을 차단하는 가스베어링 개폐부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 가스베어링 개폐부재는, 상기 압축유닛의 진동에 의해 상기 가스베어링을 개방할 수 있다.

그리고, 상기 가스베어링 개폐부재는, 일단은 상기 가스베어링의 주변에 고정되는 고정부가 형성되고, 타단은 상기 압축유닛의 진동에 의해 움직이면서 상기 가스베어링을 개폐하는 개폐부가 형성되며, 상기 고정부와 개폐부 사이에는 탄성부가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 개폐부에는 열림방향으로 돌출되는 유동안내면이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 개폐부는 상기 탄성부의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 가스베어링의 주변과 상기 가스베어링 개폐부재의 사이에는 상기 가스베어링 개폐부재가 열림방향으로 탄력을 받도록 탄성부재가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 가스베어링 개폐부재는 상기 가스베어링의 내부에 삽입되어 그 가스베어링의 내부에서 움직이면서 상기 가스베어링을 개폐하는 판 밸브 또는 볼 밸브로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 판 밸브 또는 볼 밸브는 탄성부재에 의해 지지될 수 있다.

여기서, 상기 압축유닛에는 상기 압축공간에서 배출된 냉매를 수용하도록 각각의 토출공간이 연속하여 연통되도록 구비되는 복수 개의 토출커버가 결합되고, 상기 복수 개의 토출커버 중에서 어느 한 개의 토출커버에는 상기 가스베어링과 연통되는 가스통공이 형성되며, 상기 가스베어링 개폐부재는 상기 가스통공을 개폐하도록 구비될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 압축기, 응축기, 팽창기, 증발기로 된 냉동사이클 장치에서, 상기 압축기는 앞서 설명한 리니어 압축기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉동사이클 장치가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 압축기는 밀봉된 내부공간을 가지는 케이싱이 포함되며, 상기 케이싱의 내부공간에는 상기 압축유닛이 수용되고, 상기 압축유닛의 실린더와 피스톤 사이에는 상기 가스베어링을 이루는 윤활공간이 형성되고, 상기 윤활공간은 상기 케이싱의 내부공간에 연통되며, 상기 가스베어링 개폐부재는 상기 토출공간과 상기 윤활공간 사이에 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 리니어 압축기는, 가스베어링의 입구에 밸브를 설치함에 따라, 압축기의 정지시 토출공간으로 토출된 냉매가 윤활공간을 거쳐 흡입공간으로 누설되는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 재기동시 압축기와 냉동사이클의 압력을 신속하게 적정 압력만큼 상승시켜 전력 소비를 낮추고 효율을 높일 수 있다.

또, 본 발명은, 압축기의 정지시 가스베어링을 차단하는 밸브가 설치됨에 따라, 압축기의 재기동시 윤활공간의 압력을 신속하게 적정압력으로 상승시킬 수 있고, 이를 통해 재기동시 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실을 억제할 수 있다.

또, 본 발명은, 압축기의 운전시 발생되는 진동에 의해 가스베어링을 개방하는 밸브가 설치됨에 따라, 밸브가 별도의 구동수단 없이 작동되어 밸브에 대한 제조 비용을 낮추고 고장을 미연에 방지할 수 있다.

또, 본 발명은, 압축기의 운전시 발생되는 진동에 의해 가스베어링을 개방하는 밸브가 구비되되, 이 밸브가 탄성부재에 의해 지지됨에 따라 밸브타음을 낮추고 밸브가 신속하게 개방되어 토출공간의 냉매가 윤활공간으로 신속하게 이동하여 압축기 효율이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 리니어 압축기를 보인 단면도,
도 2는 도 1에 따른 리니어 압축기의 요부를 보인 단면도,
도 3은 도 2의 "A"부를 보인 단면도,
도 4는 본 실시예에 따른 베어링 밸브의 일실시예를 보인 사시도,
도 5는 본 실시예에 따른 베어링 밸브의 다른실시예를 보인 사시도,
도 6 및 도 7은 본 실시예에 따른 베어링 밸브의 일실시예를 보인 사시도 및 단면도,
도 8은 본 실시예에 따른 베어링 밸브의 일실시예를 보인 단면도,
도 9a 및 도 9b는 본 실시예에 따른 베어링 밸브의 동작을 설명하기 위해 보인 단면도,
도 10 및 도 11은 본 실시예에 따른 베어링 밸브의 다른 실시예들을 보인 단면도들.

이하, 본 발명에 의한 리니어 압축기 및 이를 구비한 냉동기기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 리니어 압축기는 유체를 흡입하여 압축하고, 압축된 유체를 토출하는 동작을 수행한다. 본 발명에 따른 리니어 압축기는 냉동 사이클의 구성요소가 될 수 있으며, 이하에서 유체는 냉동 사이클을 순환하는 냉매를 예로 들어 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 리니어 압축기(100)는, 케이싱(110)의 내부공간(101)은 밀폐된 공간을 형성하고, 케이싱(110)의 내부공간(101)에는 후술할 지지스프링(116,117)에 의해 탄력 지지되는 프레임(120)이 구비될 수 있다. 프레임(120)에는 리니어 모터(이하, 구동유닛과 혼용함)(130)가 결합되어 지지되며, 리니어 모터(130)에는 냉매를 흡입, 압축하여 토출하는 압축유닛(140)이 결합될 수 있다. 이에 따라, 압축유닛(140)은 리니어 모터(130)와 함께 프레임(120)에 결합되어 케이싱(110)에 대해 탄력적으로 지지될 수 있다.

쉘(110)은 리니어 모터(130)의 크기에 따라 내경이 다양하게 형성될 수 있으나, 본 실시예의 리니어 압축기(100)는 오일베어링이 배제되고 가스베어링이 적용됨에 따라 케이싱(110)의 내부공간(101)에 오일이 채워질 필요가 없다. 따라서, 쉘(110)의 내경은 최대한 작게, 예를 들어 후술할 프레임(120)의 플랜지부(122)가 케이싱(110)의 내주면(111a)과 접촉되지 않을 정도의 간격만 가질 수 있는 정도로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 리니어 압축기(100)는 쉘(111)의 외경이 앞서 제시한 특허문헌1에 비해 매우 작게 형성될 수 있다.

케이싱(110)의 내부에는 압축기 본체(C)의 일부를 이루는 프레임(120)이 구비된다. 그리고 프레임(120)에는 리니어 모터(130)로 된 모터 조립체 및 압축유닛(140)을 이루는 실린더(141)가 결합되어 지지될 수 있다. 이에 따라, 프레임(120)은 리니어 모터(130) 및 압축유닛(140)과 함께 제1 지지스프링(116)과 제2 지지스프링(117)에 의해 케이싱(110)에 대해 탄력 지지될 수 있다.

여기서, 프레임(120)은 원통 모양으로 형성되는 바디부(121)와, 바디부(121)의 전방단에서 반경방향으로 연장되는 플랜지부(122)로 이루어질 수 있다.

바디부(121)의 외주면에는 후술할 이너 스테이터(132)가, 그 바디부(121)의 내주면에는 실린더(141)가 각각 결합될 수 있다. 그리고, 플랜지부(122)의 후방면에는 후술할 아우터 스테이터(131)가, 그 플랜지부(122)의 전방면에는 후술할 토출커버 조립체(160)가 각각 결합될 수 있다.

플랜지부(122)의 전방면 일측에는 후술할 가스베어링의 일부를 이루는 베어링 입구홈(125a)이 형성되고, 베어링 입구홈(125a)에서 바디부(121)의 내주면으로 관통되는 베어링 연통구멍(125b)이 형성되며, 바디부(121)의 내주면에는 베어링 연통구멍(125b)에서 연통되도록 베어링 연통홈(125c)이 형성될 수 있다.

베어링 입구홈(125a)은 소정의 깊이만큼 축방향으로 함몰지게 형성되고, 베어링 연통구멍(125b)은 베어링 입구홈(125a)보다 단면적이 작은 구멍으로 바디부(121)의 내주면을 향해 경사지게 형성될 수 있다. 그리고, 베어링 연통홈(125c)은 바디부(121)의 내주면에 소정의 깊이와 축방향 길이를 가지는 환형 모양으로 형성될 수 있다. 하지만, 베어링 연통홈(125c)은 바디부(121)의 내주면이 접하는 실린더(141)의 외주면에 형성되거나 또는 바디부(121)의 내주면과 실린더(141)의 외주면에 반씩 각각 형성될 수도 있다.

또, 베어링 연통홈(125c)에 대응하는 실린더(141)에는 가스베어링에서 일종의 노즐부를 이루는 베어링 구멍(141a)이 형성될 수 있다. 이에 대해서는 실린더를 설명하면서 다시 설명한다.

한편, 리니어 모터(130)는 스테이터(130a) 및 그 스테이터(130a)에 대해 왕복운동을 하는 무버(130b)로 이루어질 수 있다.

스테이터(130a)는 프레임(120)의 플랜지부(122)에 고정되는 아우터 스테이터(131)와, 아우터 스테이터(131)의 내측에 소정의 공극(130c)만큼 이격되어 배치되는 이너 스테이터(132)로 이루어질 수 있다. 이너 스테이터(132)는 프레임(120)의 바디부(121)를 둘러싸도록 그 바디부(121)의 외주면에 삽입되어 결합될 수 있다.

무버(130b)는 마그네트 홀더(133a) 및 그 마그네트 폴더(133a)에 지지되는 마그네트(133b)로 이루어질 수 있다. 마그네트 홀더(133a)의 타단에는 피스톤(142)과 함께 스프링 서포터(138)가 결합되고, 스프링 서포터(138)의 양측에는 리니어 모터(130)의 무버(130b)와 압축유닛(140)의 피스톤(142)을 공진시키는 제1 공진스프링(139a)과 제2 공진스프링(139b)이 구비될 수 있다.

압축유닛(140)은 실린더(141), 피스톤(142), 흡입밸브(143), 토출밸브 조립체(144)를 포함할 수 있다.

실린더(141)는 내부에 압축공간(103b)이 구비되도록 원통 형상으로 형성되며, 프레임(120)의 내주면에 삽입되어 고정될 수 있다. 실린더(141)의 후방측에는 냉매가 압축공간(103b)으로 흡입되는 후술할 흡입머플러 조립체(150)가, 전방측에는 압축공간(103b)에서 압축된 냉매가 토출되는 후술할 토출커버 조립체(160)가 각각 구비될 수 있다.

그리고 실린더(141)에는 피스톤(142)과의 사이의 윤활공간(103c) 으로 토출가스를 공급하여 그 실린더(141)와 피스톤 사이를 가스 윤활하는 가스베어링의 나머지 일부가 형성될 수 있다. 예를 들어, 실린더(141)에는 베어링 연통홈(125c)과 연통되는 위치에서 반경방향으로 관통되어 베어링 연통홈(125c)으로 유입되는 압축된 냉매를 실린더(141)의 내주면과 피스톤(142)의 외주면 사이에 형성된 윤활공간(103c)으로 안내하는 베어링 구멍(141a)이 형성될 수 있다.

윤활공간(103c)은 실린더(141)의 내주면과 피스톤(142)의 외주면 사이에 형성되는 공간으로, 이 윤활공간(103c)은 피스톤(142)의 왕복운동을 따라 형성되므로 그 위치는 가변적일 수 있다. 또, 윤활공간(103c)은 전방측은 압축공간(103b)에 연통되는 반면, 후방측은 실린더(141)의 범위를 벗어나 흡입공간(101)과 연통될 수 있다.

베어링 구멍(141a)은 입구는 넓게, 출구는 노즐 역할을 하도록 미세통공으로 형성될 수 있다. 베어링 구멍(141a)의 입구부에는 이물질의 유입을 차단하는 필터미도시)가 구비될 수 있다. 필터는 금속으로 된 망필터일 수도 있고, 세실과 같은 부재를 감아서 형성할 수도 있다. 따라서, 베어링 구멍(141a)의 입구와 출구가 각각 독립적으로 연통되도록 낱개로 형성될 수도 있고, 입구는 환형 홈으로 형성되고 출구는 그 환형 홈을 따라 일정 간격을 두고 복수 개가 형성될 수도 있다.

또, 베어링 구멍(141a)은 실린더(141)의 축방향 중간을 기준으로 압축공간(103b)과 인접한 쪽(이하, 전방쪽)에만 형성될 수도 있고, 피스톤(142)의 처짐을 고려하여 반대쪽인 후방쪽에도 형성될 수도 있다.

피스톤(142)은 그 내부에 흡입유로(103a)를 가지며, 전방단은 부분적으로 개방되는 반면 후방단은 완전히 개방되는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 피스톤(142)은 앞서 설명한 바와 같이 개방단인 후방단이 마그네트 홀더(133a)와 연결되어 마그네트 홀더(133a)와 함께 왕복 운동을 할 수 있다.

또, 피스톤(142)의 전방단에는 흡입유로(103a)와 압축공간(103b) 사이를 연통시키는 흡입포트(142a)가 형성되고, 피스톤(142)의 전방면에는 그 흡입포트(142a)를 선택적으로 개폐하는 흡입밸브(143)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 케이싱(110)의 내부공간(101)으로 흡입되는 냉매는 흡입밸브(143)를 열면서 그 피스톤(142)의 흡입유로(103a)와 흡입포트(142a)를 통해 실린더(141) 사이의 압축공간(103b)로 흡입될 수 있다.

실린더(141)의 전방단에는 압축공간(103b)을 개폐하는 토출밸브 조립체(144)가 착탈 가능하게 구비될 수 있다.

한편, 프레임(120)의 전방면에는 냉매가 토출공간(103b)에서 토출되는 과정에서 발생되는 소음을 감쇄시키는 토출커버 조립체(160)가 결합될 수 있다.

토출커버 조립체(160)는 토출밸브 조립체(144)를 수용하여, 프레임(120)의 일부를 이루는 플랜지부(122)의 전방면에 고정 결합될 수 있다. 토출커버 조립체(160)는 한 개의 토출커버로 이루어질 수도 있고, 복수 개의 토출커버가 순차적으로 연통되도록 배치될 수도 있다.

예를 들어, 토출커버가 3개인 경우에는 프레임(120)에 결합되는 토출커버(이하, 제1 커버)(161)의 토출공간(이하, 제1 토출공간)(104a)이 제1 커버(161)의 전방측에 결합되는 두 번째 토출커버(이하, 제2 커버)(162)의 토출공간(이하, 제2 토출공간)(104b)에 연통되고, 제2 토출공간(104b)은 제2 커버(162)의 전방측에 결합되는 세 번째 토출커버(이하, 제3 커버)(163)의 토출공간(이하, 제3 토출공간)(104c)에 연통될 수 있다.

한편, 베어링 입구홈(125a)은 제2 토출공간(104b)에 연통될 수 있다. 이에 따라, 베어링 입구홈(125a)은 제1 토출공간(104a)과 연통되지 않고, 제2 토출공간(104b)과 연통되게 된다. 그러면, 베어링 입구홈(125a)으로 유입되는 냉매는 압축공간(103b)에서 토출된 냉매가 제1 토출공간(104a)에서 곧바로 유입되는 것이 아니라, 제1 토출공간(104a)을 거쳐 제2 토출공간(104b)으로 이동한 냉매가 제2 토출공간(104b)에서 유입되게 된다.

도면중 미설명 부호인 102는 소음공간, 112 및 113은 후방 캡 및 전방 캡, 114 및 115는 흡입관 및 토출관, 134 및 137은 백커버 및 스테이터 커버, 144a 및 144b는 토출밸브 및 밸브스프링이다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 리니어 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 리니어 모터(130)의 코일(135b)에 전류가 인가되면, 아우터 스테이터(131)와 이너 스테이터(132) 사이에 자속이 형성되고, 이 자속에 의해 발생되는 전자기력에 의해 마그네트 홀더(133a)와 마그네트(133b)로 된 무버(130b)가 아우터 스테이터(131)와 이너 스테이터(132) 사이의 공극에서 직선으로 왕복 운동을 하게 된다.

그러면, 마그네트 홀더(130b)에 연결된 피스톤(142)이 실린더(141)에서 직선으로 왕복 운동을 하면서, 압축공간(103b)의 체적이 증가되거나 또는 감소된다. 이때, 피스톤(142)이 후진하여 압축공간(103b)의 체적이 증가되면 흡입밸브(143)가 개방되어 흡입유로(103a)의 냉매가 압축공간(103b)으로 흡입되는 반면, 피스톤(142)이 전진하여 압축공간(103b)의 체적이 감소되면 피스톤(142)이 압축공간(103b)의 냉매를 압축하게 된다. 이 압축된 냉매는 토출밸브(144a)를 개방시키면서 제1 토출공간(104a)으로 배출된다.

그러면, 제1 토출공간(104a)으로 토출된 냉매는 제1 연통구멍(105a)을 통해 제2 토출공간(104b)으로 이동하였다가 제2 연통구멍(105b)과 연결관(106), 그리고 제3 연통구멍(105c)을 통해 제3 토출공간(104c)으로 이동하게 된다. 이때, 제1 토출공간(104a)에서 제2 토출공간(104b)으로 이동하는 냉매의 일부는 제1 가스통공(161a)을 통해 가스베어링의 입구를 이루는 베어링 입구홈(125a)으로 유입되고, 이 냉매는 베어링 연통구멍(125b)과 베어링 연통홈(125c), 그리고 실린더(141)의 베어링 구멍(141a)을 통해 실린더(141)의 내주면과 피스톤(142)의 외주면 사이의 윤활공간(103c)으로 공급되며, 이 윤활공간으로 공급되는 고압의 냉매는 실린더(141)와 피스톤(142) 사이를 윤활한 후 일부는 압축공간(103b)으로, 나머지는 흡입공간(103a)으로 유출되게 된다.

그리고, 제2 토출공간(104b)에서 제3 토출공간(104c)으로 이동하는 냉매는 루프파이프(115a)와 토출관(115)을 통해 압축기의 외부로 배출되어, 냉동사이클의 응축기로 이동하게 되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

한편, 압축기가 정지되면, 윤활공간(103c)의 냉매는 압력차에 따라 흡입공간(101)으로 빠르게 빠져나가 제2 토출공간과 윤활공간(103c), 그리고 흡입공간(101)이 서로 평압을 이루게 된다. 즉, 압축기가 정지되면 토출밸브(144a)는 제1 토출공간(104a)으로 압력이 압축공간(103b)보다 높고 밸브스프링(144b)의 복원력에 의해 토출밸브(144a)는 닫히게 되고, 제2 토출공간(104b)의 압축된 냉매는 압력차에 의해 가스베어링을 이루는 유로(125s)(125b)(125c)를 통해 윤활공간(103c)으로 빠르게 이동을 하게 된다. 이때, 윤활공간(103c)의 압력은 압축공간(103b)의 압력보다 높을 수 있어 일부의 냉매가 압축공간(103b)으로 누설되고, 윤활공간(103c)과 압축공간(103b)의 압력평형이 이루어지게 된다. 이와 동시에, 윤활공간(103c)의 압력은 흡입공간(101)의 압력보다는 여전히 높아, 윤활공간(103c)의 냉매가 상대적으로 저압을 이루는 흡입공간(101)으로 빠르게 이동을 하게 된다. 그러면, 윤활공간(103c)과 흡입공간(101), 그리고 압축공간(103b)의 압력이 서로 평형을 이루게 된다. 그리고 윤활공간(103c)은 제2 토출공간(104b)과 직접 연통되고, 제2 토출공간(104b)은 다시 제1 토출공간(104a), 제3 토출공간(104c)과 연통됨에 따라, 제1 내지 제3 토출공간(104a)(104b)(104c)이 앞서 설명한 공간들(윤활, 압축, 흡입공간)과 압력평형을 이루게 된다.

하지만, 이 상태에서 압축기가 재기동을 하게 되면, 넓은 흡입공간(101)과 압력평형을 이루고 있는 토출공간들(104a)(104b)(104c)과 압축공간(103b)의 압력이 너무 낮은 압력까지 떨어져, 이들 토출공간(104a)(104b)(104c)과 압축공간(103b)의 압력을 적정압력까지 상승시키는데 너무 많은 일이 필요하게 된다. 그러면 전력 소비량 대비 압축기 효율이 저하될 뿐만 아니라, 이 압축기가 적용되는 냉동사이클의 효율도 저하될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 압축기의 정지시 토출공간(104a)(104b)(104c)의 냉매가 윤활공간(103c)으로 유출되는 것을 최소화하여 재기동 시간을 단축하는 동시에, 압축기의 운전중에는 토출공간(104a)(104b)(104c)의 냉매가 윤활공간(103c)으로 원활하게 공급되도록 하여 실린더(141)와 피스톤(142) 사이의 마찰손실을 미연에 방지할 수 있도록 하고자 하는 것이다.

예를 들어, 본 발명에서는 가스베어링의 입구에 그 가스베어링의 입구를 선택적으로 개폐하는 가스베어링 개폐밸브(이하, 베어링 밸브)가 장착될 수 있다. 도 2는 본 실시예에 따른 베어링 밸브의 일례를 보인 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 베어링 밸브(180)는, 일단은 고정단을 형성하고 타단은 자유단을 형성하는 리드 밸브 형상으로 이루어질 수 있다. 고정단은 고정부(181), 자유단은 개폐부(182)를 형성하며, 고정부(181)와 개폐부(182)의 사이를 연결하는 탄성부(183)가 길고 가늘게 형성될 수 있다.

고정부(181)는 제1 가스통공(161a)의 주변에서 제1 토출커버(161)에 볼트 또는 리벳과 같은 체결부재(186)로 체결되거나 또는 도 3과 같이 제1 토출커버(161)를 통과하여 프레임(120)의 플랜지부(122)에 볼트 또는 리벳과 같은 체결부재(186)로 체결되는 고정부(182)를 형성하게 될 수 있다.

하지만, 고정부(181)는 제1 토출커버(161)와 제2 토출커버(162) 사이에 위치하여 제1 토출커버(161) 및 제2 토출커버(162)와 함께 프레임(120)에 볼트 체결될 수도 있다. 이 경우에는 베어링 밸브에 의해 제1 토출커버와 제2 토출커버 사이에 틈새가 발생할 수 있으므로 별도의 실링부재가 두 토출커버 사이에 구비될 수 있다.

개폐부(182)는 제1 가스통공(161a)을 개폐할 수 있는 정도의 면적을 가지는 것이나, 바람직하게는 베어링 밸브(180)가 압축유닛(140)의 2차 진동에 의해 개폐되는 것을 감안하면 개폐부(182)가 가능한 한 넓게 형성되는 것이 높은 관성을 가질 수 있어 밸브의 응답성 측면에서 유리할 수 있다.

예를 들어, 개폐부(181)는 탄성부(183)의 폭보다 큰 직경을 가지거나, 또는 도 5와 같이 개폐부(181)의 두께가 탄성부(183) 또는 고정부(182)에 비해 두껍게 형성될 수 있다.

나아가, 도 6 및 도 7과 같이, 개폐부(181)에는 스프링 밸브(180)가 개방될 때 토출공간(104a)(104b)(104c)의 냉매가 개폐부(181)의 열림동작에 대해 저항하는 것을 감쇄할 수 있도록 유동안내면(181a)이 형성될 수 있다. 유동안내면(181a)은 개폐부(181)가 열리는 방향(개폐면의 반대면 방향)으로 중앙부분이 볼록하게 쐐기 또는 돔 단면 형상으로 형성될 수 있다. 이를 위해, 개폐부(181)는 제1 가스통공(161a)을 수용하는 중앙부분에 볼록한 유동안내면(181a)이, 제1 가스통공(161a)을 벗어나는 가장자리 부분에 환형의 개폐면(181b)이 각각 형성될 수 있다. 이에 따라, 개폐부(181)가 열릴 때 토출공간(104a)(104b)(104c)의 냉매가 유동안내면(181a)을 따라 벌어지면서 개폐부(181)는 보다 신속하면서도 원활하게 열릴 수 있다.

탄성부(183)는 앞서 설명한 바와 같이 고정부(182)와 개폐부(181) 사이를 연결하는 것으로, 고정부(182) 및 개폐부(181)와 단일체로 형성될 수 있다. 그리고 탄성부(183)는 가능한 한 길고 가늘게 형성되는 것이 개폐부(181)가 신속하게 열릴 수 있어 바람직할 수 있다.

나아가, 도 8과 같이, 탄성부(183)에는 그 탄성부(183)의 탄력(특히, 밸브 개방시)을 높일 수 있도록 탄성부재(185)가 더 구비될 수 있다. 이는, 스프링 밸브(180)가 개방될 때 탄성부(183)에 탄성력을 제공하여 탄성부(183)가 더욱 탄력적으로 휘어질 수 있도록 하는 역할을 수행할 수 있게 된다. 도면중 161b 및 122a는 스프링 구멍 및 스프링 수용홈이다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 스프링 밸브에 대한 작용 효과는 다음과 같다. 도 9a 및 도 9b는 압축기의 운전 및 정지시 스프링 밸브의 동작 상태를 보인 개략도이다.

도 9a와 같이, 압축기가 운전을 진행하고 있을 때에는 구동유닛인 리니어 모터(130)의 무버(130b)에 결합된 피스톤(142)이 실린더(141)에서 왕복운동을 하면서 압축유닛(140)에서는 2차 진동을 발생하게 된다. 그러면, 압축유닛(140)의 2차 진동에 의해 스프링 밸브(180)의 탄성부(183)가 고정부(182)를 중심으로 휘어져, 개폐부(181)가 제1 토출커버(161)의 제1 가스통공(161a)으로부터 이격되게 된다.

즉, 압축유닛(140)이 후방측(피스톤의 하사점 방향)으로 진동을 하게 되면, 스프링 밸브(180)는 개폐부(181)가 무게에 따른 관성에 위해 제위치를 유지하는 반면, 프레임(120)을 비롯한 압축유닛(140)은 후방측으로 이동을 하게 된다. 따라서, 개폐부(181)는 제1 토출커버(161)으로부터 분리되어 제1 가스통공(161a)은 열리게 된다.

제1 가스통공(161a)이 열리게 되면, 제2 토출공간(104b)에 채워진 고압의 냉매가 압력차에 의해 제1 가스통공(161a)을 거쳐 가스베어링의 입구홈(125a)으로 유입되고, 이 냉매는 가스베어링의 유로(125b)(125c)를 통해 윤활공간(103c)으로 이동하게 된다. 그러면, 윤활공간(103c)의 압력이 높아져 피스톤(142)을 실린더(141)로부터 이격시켜, 실린더(141)와 피스톤(142) 사이를 윤활시키게 된다.

윤활공간(103c)으로 이동한 냉매의 일부는 압축공간(103b)으로 이동할 수도 있고, 또는 흡입공간(101)으로 이동할 수도 있다. 하지만, 압축공간(103b)으로 이동하려는 냉매는 그 압축공간(103b)에서 압축되는 냉매에 막혀 서로 장벽을 형성하면서 압축공간(103b)의 냉매가 누설되는 것을 차단하는 역할을 하게 된다. 또, 흡입공간(101)으로 이동하는 냉매는 넓은 흡입공간(101)에 채워진 흡입압의 냉매에 비해 그 양이 매우 적을 뿐만 아니라 좁은 윤활공간(103c)을 통과하면서 압력이 감압되어 흡입공간(101)의 압력에 영향을 미치지 않게 된다.

따라서, 베어링 밸브(180)는 압축기의 운전 중에는 개방되어 제2 토출공간(104b)의 냉매가 윤활공간(103c)으로 원활하게 이동할 수 있게 된다.

반면, 도 9b와 같이, 압축기가 정지하면, 개폐부(181)는 탄성부(183)의 복원력에 의해 신속하게 원상태로 복원되면서 개폐부(181)가 제1 가스통공(161a)을 차단하게 된다. 그러면, 제2 토출공간(104b)에 채워진 고압의 냉매가 윤활공간(103c)으로 이동하는 것을 차단할 수 있게 된다. 이에 따라, 제2 토출공간(104b)을 비롯한 제1 토출공간(104a)과 제3 토출공간(104c)의 냉매가 윤활공간(103c)을 거쳐 흡입공간(101)으로 누설되는 것을 억제하여 재기동시 압축지연되는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 재기동시 실린더(141)와 피스톤(142) 사이의 마찰손실을 미연에 방지할 수 있다.

한편, 압축기가 재기동하여 압축유닛(140)이 진동하게 되면, 앞서 설명한 바와 같이 개폐부(181)는 관성에 의해 제1 가스통공(161a)으로부터 분리되어 그 제1 가스통공(161a)을 열게 된다. 이때, 도 8과 같이 탄성부(183)가 탄성부재(185)에 의해 탄력적으로 지지되어 있는 경우에는 그 탄성부재(185)의 복원력에 의해 탄성부(183)가 전방쪽으로 힘을 받아 개폐부(181)가 더욱 신속하게 개방될 수 있게 된다. 아울러, 이 탄성부재(185)는 압축유닛(140)이 전방측으로 진동할 때 개폐부(181)가 제1 토출커버(161)에 강하게 충돌하는 것을 완충시켜 주는 역할을 하게 된다.

한편, 전술한 실시예에서는 베어링 밸브가 제1 토출커버와 제2 토출커버 사이에 구비되는 것이나, 베어링 밸브는 프레임과 제1 토출커버 사이에 구비될 수도 있다. 도 10은 본 실시예에 따른 베어링 밸브가 프레임의 베어링 입구홈에 구비된 예를 보인 단면도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 베어링 입구홈(125a)의 후방면에 앞서 설명한 리드 밸브 형태의 베어링 밸브(180)가 설치될 수 있다. 이 베어링 밸브(180)의 개폐부(181)는 베어링 입구홈(125a)의 후방면에 관통되는 연통구멍(125b)의 단면을 개폐할 수 있는 정도의 넓이를 가지도록 형성될 수 있다. ,

그리고, 이 경우에도 베어링 입구홈(125a)의 후방면에는 베어링 밸브(180)를 탄력적으로 지지할 수 있도록 탄성부재(미도시)가 구비될 수도 있다.

상기와 같이, 베어링 입구홈(125a)의 내부에 베어링 밸브(180)를 설치하는 경우에도 그 기본적인 구성이나 이에 따른 작용 효과는 전술한 실시예와 유사하다. 다만, 본 실시예와 같이, 베어링 밸브(180)가 베어링 입구홈(125a)의 내부에 설치되는 경우에는 제1 토출커버(161)를 통과하여 프레임(120)에 체결하는 것에 비해 베어링 밸브(180)의 조립작업이 용이할 수 있고, 베어링 입구홈(125a) 및 제2 토출공간(104b) 그리고 제1 가스통공(161a)이 일종의 소음부를 형성하면서 베어링 밸브(180)의 개폐과정에서 발생되는 소음을 줄일 수 있다.

한편, 전술한 실시예들에서는 스프링 밸브가 리드 밸브로 이루어진 예를 살펴보았으나, 스프링 밸브가 반드시 리드 밸브의 형태를 이룰 필요는 없다. 예를 들어, 스프링 밸브는 판 밸브 또는 피스톤 밸브 또는 볼 밸브로 형성될 수도 있다. 즉, 도 11과 같이, 스프링 밸브(180)는 베어링 입구홈(125a)을 개폐하는 판 밸브(180) 및 판 밸브(180)를 지지하는 탄성부재(185)으로 이루어질 수 있다.

이 경우, 스프링 밸브(180)는 원판 모양으로 형성되고, 중앙부에는 연통구멍(125b)보다 넓은 개폐부(181)가, 가장자리에는 가스통로부(184)가 형성될 수 있다. 그리고, 탄성부재(185)는 압축코일스프링으로 이루어져 스프링 밸브(180)의 전방측, 즉 제1 토출커버(161)와 스프링 밸브(180) 사이에 구비될 수 있다.

이에 따라, 스프링 밸브(180)는 압축기가 운전을 할 때에는 압축유닛(140)의 진동에 의해 스프링 밸브(180)가 압축유닛(140)에 대해 도면의 좌우방향으로 상대운동을 하면서 제1 가스통공(161a)과 연통구멍(125b) 사이를 개방하게 된다.

반면, 압축기가 정지하게 되면, 베어링 밸브(180)는 양쪽 압력차 및 탄성부재(185)의 복원력에 의해 연통구멍(125b)쪽으로 움직이면서 개폐부(181)가 연통구멍(125b)을 차단하게 된다.

상기와 같은 판 밸브로 된 베어링 밸브가 구비된 리니어 압축기의 기본적인 구성 및 그에 따른 작용 효과는 전술한 실시예와 대동소이하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예와 같이 베어링 밸브(180)가 판 밸브로 이루어진 경우에는 전술한 리드 밸브에 비해 구조가 단순하여 제작이 용이할 수 있다. 즉, 전술한 리드 밸브는 밸브 자체의 탄성력을 이용하는 것이어서 밸브의 길이가 일정 정도 확보되지 않거나 두께가 얇지 않으면 관성력을 발휘하기가 쉽지 않다. 하지만, 본 실시예와 같은 판 밸브(180)는 밸브 자체의 탄성력을 이용하는 것이 아니라 밸브에 유로를 형성하는 것이어서 작은 밸브라도 관성력을 확보하기가 용이할 수 있다.

나아가, 앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 베어링 밸브는 볼 밸브로도 형성할 수 있고, 이러한 볼 밸브의 작용 효과는 전술한 판 밸브와 유사하다.

한편, 상기와 같이 베어링 밸브가 구비된 리니어 압축기가 냉장고의 냉동사이클 장치에 채용되면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

즉, 본 실시예에 베어링 밸브가 리니어 압축기에 구비되면 냉동사이클 장치의 운전중에는 베어링 밸브가 가스베어링의 유로를 개방함에 따라 실린더와 피스톤 사이로 압축된 고압의 냉매가 지속적으로 공급될 수 있다. 그러면 리니어 압축기가 정상적으로 동작하여 냉동사이클 장치에서 냉력을 원활하게 발생하게 된다.

반면, 냉동사이클이 정지된 경우에는 베어링 밸브가 가스베어링의 입구를 차단하여 토출공간내 냉매가 가스베어링을 통해 흡입공간으로 누설되는 것을 차단할 수 있다. 그러면, 흡입공간의 압력이 상승하여 재기동시 흡입손실이 발생되는 것을 억제하는 것은 물론, 토출공간의 냉매가 흡입공간으로 누설되어 토출공간 내 냉매의 압력이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 그러면 재기동시 토출공간의 압력이 신속하게 적정 압력으로 상승할 수 있도록 하여 냉동사이클 장치의 효율을 높일 수 있다.

나아가, 압축기가 정지된 상태에서 냉동사이클 장치를 일정 시간동안 운전하는 경우, 토출공간의 냉매가 응축기-팽창기-증발기 방향으로 이동하여야 하는데, 만약 베어링 밸브가 구비되지 않는 경우에는 토출공간의 냉매가 응축기 방향으로 이동하지 않고 가스베어링을 통해 반대방향인 흡입공간(증발기쪽)으로 이동하게 되어 압축기 정지후 냉동사이클 장치의 운전 시간이 짧아져 그만큼 냉동사이클 장치의 효율이 저하될 수 있다. 하지만, 베어링 밸브가 구비되는 경우에는 압축기의 정지후에도 냉동사이클 장치를 상대적으로 길게 운전시킬 수 있어 그만큼 냉동사이클 장치의 효율이 향상될 수 있다.

101: 케이싱의 내부공간 102: 소음공간
103a: 흡입유로 103b: 압축공간
103c: 윤활공간 104a,104b,104c : 토출공간
110: 케이싱 120: 프레임
130: 리니어 모터 140: 압축 유닛
141: 실린더 142: 피스톤
160: 토출커버 조립체 161,162,163: 제1,2,3 커버
161a: 제1 가스통공 180: 베어링 밸브
181: 개폐부 182: 고정부
183: 탄성부 185: 탄성부재

Claims (11)

1. 무버가 왕복운동을 하는 리니어 모터;
   상기 리니어 모터의 무버에 연결되는 피스톤이 실린더에서 왕복운동을 하면서 상기 실린더에 압축공간을 형성하는 압축유닛;
   상기 압축공간에서 토출된 냉매의 일부를 상기 실린더와 피스톤 사이로 안내하여 상기 실린더와 피스톤 사이를 윤활하는 가스베어링; 및
   상기 압축유닛에 구비되어, 운전중에는 상기 가스베어링을 개방하는 반면 정지시에는 상기 가스베어링을 차단하는 가스베어링 개폐부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스베어링 개폐부재는, 상기 압축유닛의 진동에 의해 상기 가스베어링을 개방하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가스베어링 개폐부재는, 일단은 상기 가스베어링의 주변에 고정되는 고정부가 형성되고, 타단은 상기 압축유닛의 진동에 의해 움직이면서 상기 가스베어링을 개폐하는 개폐부가 형성되며, 상기 고정부와 개폐부 사이에는 탄성부가 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 개폐부에는 열림방향으로 돌출되는 유동안내면이 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
5. 제3항에 있어서,
   상기 개폐부는 상기 탄성부의 두께보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
6. 제3항에 있어서,
   상기 가스베어링의 주변과 상기 가스베어링 개폐부재의 사이에는 상기 가스베어링 개폐부재가 열림방향으로 탄력을 받도록 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
7. 제2항에 있어서,
   상기 가스베어링 개폐부재는 상기 가스베어링의 내부에 삽입되어 그 가스베어링의 내부에서 움직이면서 상기 가스베어링을 개폐하는 판 밸브 또는 피스톤 밸브 또는 볼 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 가스베어링 개폐부재는 탄성부재에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
9. 제1항에 있어서,
   상기 압축유닛에는 상기 압축공간에서 배출된 냉매를 수용하도록 각각의 토출공간이 연속하여 연통되도록 구비되는 복수 개의 토출커버가 결합되고,
   상기 복수 개의 토출커버 중에서 어느 한 개의 토출커버에는 상기 가스베어링과 연통되는 가스통공이 형성되며,
   상기 가스베어링 개폐부재는 상기 가스통공을 개폐하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
10. 압축기, 응축기, 팽창기, 증발기로 된 냉동사이클 장치에서, 상기 압축기는 상기 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항으로 된 리니어 압축기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉동사이클 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 압축기는 밀봉된 내부공간을 가지는 케이싱이 포함되며, 상기 케이싱의 내부공간에는 상기 압축유닛이 수용되고,
    상기 압축유닛의 실린더와 피스톤 사이에는 상기 가스베어링을 이루는 윤활공간이 형성되고, 상기 윤활공간은 상기 케이싱의 내부공간에 연통되며,
    상기 가스베어링 개폐부재는 상기 토출공간과 상기 윤활공간의 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 냉동사이클 장치.

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