KR20190139057A

KR20190139057A - 압축기

Info

Publication number: KR20190139057A
Application number: KR1020180065583A
Authority: KR
Inventors: 김정우
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2019-12-17
Also published as: WO2019235798A1; CN112236597A; KR102060473B1; CN112236597B

Abstract

본 발명에 따른 압축기는, 내부공간을 가지는 실린더; 및 상기 실린더의 내부공간에서 왕복운동하면서 상기 실린더의 내부공간에 압축공간을 형성하는 피스톤;을 포함하며, 상기 실린더의 내주면은, 상기 피스톤의 왕복방향으로 일정 간격만큼 이격되어 배치되는 제1 실린더부 및 제2 실린더부와, 상기 제1 실린더부와 제2 실린더부의 사이에 구비되고, 상기 제1 및 제2 실린더부의 내경보다 큰 내경을 가지며, 상기 실린더의 내주면에서 반경방향으로 소정의 깊이만큼 함몰지게 형성되는 실린더측 회피부를 포함할 수 있다.

Description

압축기{COMPRESSOR}

본 발명은 압축기에 관한 것으로, 특히 실린더와 그 실린더에서 왕복운동을 하는 피스톤을 가지는 리니어 압축기에 관한 것이다.

압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식 압축기, 로터리 압축기, 스크롤 압축기로 구분될 수 있다. 왕복동식 압축기는 피스톤과 실린더 사이에 압축공간이 형성되고 피스톤이 직선 왕복 운동하여 유체를 압축하는 방식이고, 로터리 압축기는 실린더 내부에서 편심 회전되는 롤러에 의해 유체를 압축하는 방식이며, 스크롤 압축기는 나선형으로 이루어지는 한 쌍의 스크롤이 맞물려 회전되어 유체를 압축하는 방식이다.

왕복동식 압축기는 회전 모터의 회전력을 직선운동으로 전환시켜 냉매를 압축하는 크랭크 방식과, 직선 왕복 운동을 하는 리니어 모터를 이용하여 냉매를 압축하는 진동 방식이 알려져 있다. 진동 방식의 왕복동식 압축기를 리니어 압축기라고 하며, 이러한 리니어 압축기는 회전 운동을 직선 왕복 운동으로 전환하는데 따르는 기계적인 손실이 없어 효율이 향상되고, 구조가 단순한 장점이 있다.

상기와 같은 리니어 압축기는, 피스톤이 실린더의 내부에서 왕복운동을 함에 따라, 실린더의 내주면과 피스톤의 외주면 사이에는 마찰이 발생될 수 있다. 이렇나 마찰을 줄이기 위해 실린더와 피스톤 사이에 오일을 공급하거나 압축된 냉매가스를 공급하여 마찰을 억제하고 있다.

하지만, 실린더와 피스톤 사이로 오일이나 압축된 냉매가스를 공급하더라도 피스톤이 실린더에 대해 왕복운동을 하는 한 두 부재 사이의 마찰은 피할 수 없다. 이에, 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실을 최소화하기 위한 연구가 지속되고 있다. 예를 들어, 선행기술(대한민국 공개특허 제10-2017-0075430호)은 피스톤의 외주면에 원주방향을 따라 요철부를 형성하여, 오일이 실린더와 피스톤 사이로 원활하게 유입되도록 하는 기술을 제시하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 리니어 압축기는, 피스톤의 외주면에 원주방향을 따라 다수 개의 요철부를 형성하더라도 그 피스톤과 실린더 사이의 실질적인 마찰면적이 감소하는 것은 아니어서 마찰손실을 줄이는데 한계가 있었다.

또, 종래의 리니어 압축기는, 피스톤의 외주면에 다수 개의 요철부를 형성함에 따라 그만큼 피스톤의 가공이 난해하게 되는 문제점도 있었다.

또, 종래의 리니어 압축기는, 피스톤의 외주면에 날카로운 요철부가 다수 개 형성됨에 따라, 이 요철부가 실린더의 내주면에 접촉하는 경우 심한 마모를 발생시키는 문제점도 있었다.

선행기술: 대한민국 공개특허 제10-2017-0075430호(2017.7.3)

본 발명의 목적은, 실린더와 피스톤 사이의 실질적인 마찰면적을 줄여 마찰손실을 줄일 수 있는 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 실린더와 피스톤 사이의 실질적인 마찰면적을 줄이면서도 실린더 또는 피스톤의 제작을 용이하게 할 수 있는 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 실린더와 피스톤 사이의 실질적인 마찰면적을 줄이고 실린더 또는 피스톤의 제작을 용이하게 하면서도 실린더와 피스톤의 손상을 억제할 수 있는 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 실린더와 피스톤 사이로 윤활유체가 원활하게 공급될 수 있는 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 실린더와 피스톤 사이의 실질적인 마찰면적을 줄이면서도 외팔보 형태로 지지되는 피스톤의 처짐을 억제할 수 있는 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 내부공간을 가지는 실린더; 및 상기 실린더의 내부공간에서 왕복운동하면서 상기 실린더의 내부공간에 압축공간을 형성하는 피스톤;을 포함하며, 상기 실린더의 내주면과 피스톤의 외주면에 각각 소정의 깊이만큼 함몰진 마찰회피부가 형성되는 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 각 마찰회피부의 왕복방향 일측에는 베어링부가 각각 형성되며, 상기 각각의 베어링부는 상기 피스톤의 이동범위 내에서 서로 중첩되도록 형성될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 내부공간을 가지는 실린더; 및 상기 실린더의 내부공간에서 왕복운동하면서 상기 실린더의 내부공간에 압축공간을 형성하는 피스톤;을 포함하며, 상기 실린더의 내주면은, 상기 피스톤의 왕복방향으로 일정 간격만큼 이격되어 배치되는 제1 실린더측 베어링부 및 제2 실린더측 베어링부와, 상기 제1 실린더측 베어링부와 제2 실린더측 베어링부의 사이에 구비되고, 상기 제1 및 제2 실린더측 베어링부의 내경보다 큰 내경을 가지며, 상기 실린더의 내주면에서 반경방향으로 소정의 깊이만큼 함몰지게 형성되는 실린더측 회피부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 제1 실린더측 베어링부가 상기 압축공간에 근접되도록 형성되고, 상기 제1 실린더측 베어링부의 왕복방향 길이는 상기 피스톤의 최대 이동거리보다 크거나 같게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤의 외주면에는 상기 제1 실린더측 베어링부와 대응하여 베어링면을 이루는 피스톤측 베어링부가 구비될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤측 베어링부의 왕복방향 길이는, 상기 제1 실린더측 베어링부의 왕복방향 길이와 상기 실린더측 회피부의 왕복방향 길이를 합한 길이보다 작게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤측 베어링부의 왕복방향 길이와 상기 피스톤의 최대 이동거리를 합한 길이는, 상기 제1 실린더측 베어링부의 왕복방향 길이와 상기 실린더측 회피부의 왕복방향 길이를 합한 길이보다 작게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤측 베어링부의 왕복방향 길이는 상기 실린더측 회피부의 왕복방향 길이보다 크게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤측 베어링부의 왕복방향 길이는 상기 제1 실린더측 베어링부의 왕복방향 길이보다 크게 형성될 수 있다.

여기서, 상기 피스톤의 양단부의 외주면에는 제1 피스톤측 베어링부 및 제2 피스톤측 베어링부가 일정 간격만큼 이격되어 형성되고, 상기 제1 피스톤측 베어링부와 제2 피스톤측 베어링부의 사이에는 상기 제1 및 제2 피스톤측 베어링부의 외경보다 작은 외경을 가지는 피스톤측 회피부가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 제1 피스톤측 베어링부는 상기 제1 실린더측 베어링부에, 상기 제2 피스톤측 베어링부는 상기 제2 실린더측 베어링부에 각각 적어도 일부가 중첩되도록 형성되고, 상기 실린더측 회피부와 상기 피스톤측 회피부는 적어도 일부가 중첩되도록 형성될 수 있다.

여기서, 상기 피스톤의 일단부의 외주면에는 피스톤측 베어링부가 형성되고, 상기 피스톤측 베어링부의 일측에서 상기 피스톤의 타단부까지 상기 피스톤측 베어링부의 외경보다 작은 외경을 가지도록 반경방향으로 함몰진 피스톤측 회피부가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤측 베어링부는 상기 제1 실린더측 베어링부에 적어도 일부가 중첩되도록 형성되고, 상기 실린더측 회피부와 상기 피스톤측 회피부는 적어도 일부가 중첩되도록 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 압축기는, 실린더의 내주면과 이에 접하는 피스톤의 외주면에 각각 소정의 깊이를 가지는 회피부를 형성함으로써, 실린더와 피스톤 사이의 마찰면적을 줄이고 이를 통해 피스톤이 왕복운동을 할 때 실린더와의 사이에서 발생되는 마찰손실을 줄여 압축기 효율을 높일 수 있다.

또, 본 발명에 따른 압축기는, 실린더의 내주면 중간 및 피스톤의 외주면 중간에 환형으로 된 회피부가 형성됨에 따라, 실린더와 피스톤의 가공을 용이하게 하면서도 실린더와 피스톤 사이의 마찰면적을 줄일 수 있다. 이를 통해 마찰면적이 적은 실린더와 피스톤에 대한 제조비용을 낮출 수 있다.

또, 본 발명에 따른 압축기는, 피스톤에 구비되는 베어링부의 왕복방향 길이가 실린더에 구비되는 베어링부의 왕복방향 길이보다는 길게 형성됨에 따라, 실린더의 베어링부와 피스톤의 베어링부 사이의 실링면적이 충분하게 확보될 수 있다. 이를 통해 압축행정시 압축공간에서 압축되는 냉매가 실린더와 피스톤 사이의 베어링면으로 누설되는 것을 억제할 수 있다. 나아가, 피스톤에 대한 지지력을 높여 피스톤의 처짐을 방지할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 압축기는, 피스톤에 구비되는 베어링부의 왕보방향 길이가 실린더에 구비되는 베어링부와 회피부의 왕복방향 길이보다 짧게 형성됨에 따라, 피스톤이 왕복운동을 할 때 그 피스톤의 베어링부가 실린더의 베어링부에 걸리는 것을 억제하여 피스톤의 왕복운동에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 리니어 압축기의 내부를 보인 단면도,
도 2는 도 1에 따른 실린더와 피스톤을 분해하여 보인 사시도,
도 3은 도 2에서 실린더와 피스톤을 조립하여 보인 사시도,
도 4는 도 3에서 실린더와 피스톤을 조립하여 보인 단면도,
도 5a 및 도 5b는 본 실시예에 따른 피스톤이 실린더에서 왕복운동을 하는 과정을 설명하기 위해 보인 단면도들,
도 6은 본 실시예에 의한 리니어 압축기에서 피스톤의 이동거리에 따른 압축공간의 압력을 보인 그래프,
도 7은 본 실시예에 의한 리니어 리니어 압축기에서 피스톤의 이동거리에 따른 실린더와 피스톤 사이의 베어링 접촉길이의 변화를 보인 그래프,
도 8은 본 실시예에 따른 실린더와 피스톤에 대한 다른 실시예를 보인 단면도.

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

도 1은 본 실시예에 따른 리니어 압축기의 내부를 보인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 리니어 압축기에는, 쉘(110)의 내부에 구비되는 실린더(120)와, 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동하는 피스톤(130) 및 피스톤(130)에 구동력을 부여하는 모터유닛(140)이 포함된다. 쉘(110)은 상부 쉘 및 하부 쉘이 결합되어 구성될 수 있다.

쉘(110)에는 냉매가 유입되는 흡입부(101) 및 실린더(120)의 내부에서 압축된 냉매가 배출되는 토출부(105)가 포함된다. 흡입부(101)를 통하여 흡입된 냉매는 흡입머플러(150)를 거쳐 피스톤(130)의 내부로 이동한다. 냉매가 흡입머플러(150)를 통과하는 과정에서 소음이 저감될 수 있다.

실린더(120)의 내부에는 피스톤(130)에 의하여 냉매가 압축되는 압축공간(P)이 형성된다. 그리고, 피스톤(130)에는 압축공간(P)으로 냉매를 유입시키는 흡입구멍(131b)이 형성되며, 흡입구멍(131b)의 일측에는 흡입구멍(131b)을 선택적으로 개방하는 흡입밸브(133)가 구비된다. 흡입밸브(133)는 강판으로 이루어질 수 있다.

압축공간(P)의 일측에는 그 압축공간(P)에서 압축된 냉매를 배출시키기 위한 토출밸브 조립체(160)가 구비된다. 즉, 압축공간(P)은 피스톤(130)의 일측 단부와 토출밸브 조립체(160)의 사이에 형성되는 공간으로 정의된다.

토출밸브 조립체(160)에는 냉매의 토출공간을 형성하는 토출커버(161)와, 압축공간(P)의 압력이 토출압력 이상이 되면 개방되어 냉매를 토출공간으로 유입시키는 토출밸브(162) 및 토출밸브(162)와 토출커버(161)의 사이에 구비되어 피스톤(130)의 왕복방향으로 탄성력을 부여하는 밸브스프링(163)이 포함된다. 여기서, 피스톤(130)의 왕복방향은 "축방향"과 동일한 의미이며 따라서 혼용될 수 있다.

흡입밸브(133)는 압축공간(P)의 일측에 형성되고, 토출밸브(162)는 압축공간(P)의 타측, 즉 흡입밸브(133)의 반대측에 구비될 수 있다.

피스톤(130)이 실린더(120)의 내부에서 왕복운동을 하는 과정에서, 압축공간(P)의 압력이 토출압력보다 낮고 흡입압력 이하가 되면 흡입밸브(133)가 개방되어 냉매는 압축공간(P)으로 흡입된다. 반면, 압축공간(P)의 압력이 흡입압력 이상이 되면 흡입밸브(133)가 닫힌 상태에서 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.

한편, 압축공간(P)의 압력이 토출압력 이상이 되면, 밸브스프링(163)이 변형하여 토출밸브(162)를 개방시키고, 냉매는 압축공간(P)으로부터 토출되어, 토출커버(161)의 토출공간으로 배출된다.

그리고, 토출공간의 냉매는 토출커버(161)를 거쳐 루프 파이프(164)로 유입된다. 토출커버(161)는 압축된 냉매의 유동 소음을 저감시킬 수 있으며, 루프 파이프(164)는 압축된 냉매를 토출부(105)로 안내한다. 루프 파이프(164)는 토출커버(161)에 결합되어 굴곡지게 연장되며, 토출부(105)에 결합된다.

한편, 리니어 압축기에는 프레임(170)이 더 포함된다. 프레임(170)은 실린더(120)를 고정시키는 부재로서, 실린더(120)와 일체로 구성되거나 별도의 체결부재에 의하여 체결될 수 있다. 그리고, 토출커버(161)는 프레임(170)에 결합될 수 있다.

모터유닛(140)에는, 프레임(170)에 고정되어 실린더(120)를 둘러싸도록 배치되는 아우터 스테이터(141)와, 아우터 스테이터(141)의 내측으로 이격되어 배치되는 이너 스테이터(142)와, 아우터 스테이터(141)와 이너 스테이터(142)의 사이 공간에 위치하는 마그네트(143)가 포함된다.

마그네트(143)는 영구자석으로 이루어져 아우터 스테이터(141) 및 이너 스테이터(142)와의 상호 전자기력에 의하여 직선 왕복 운동할 수 있다. 그리고, 마그네트(143)는 1개의 극을 가지는 단일 자석으로 구성되거나, 3개의 극을 가지는 다수의 자석이 결합되어 구성될 수 있다.

그리고, 마그네트(143)는 연결부재(144)에 의하여 피스톤(130)에 결합될 수 있다. 연결부재(144)는 피스톤(130)의 일측 단부로부터 마그네트(143)으로 연장될 수 있다. 이로써, 마그네트(143)가 직선 이동함에 따라, 피스톤(130)은 마그네트(143)와 함께 축 방향으로 직선 왕복 운동할 수 있다.

한편, 아우터 스테이터(141)에는 스테이터 코어(141a) 및 코일 권선체(145)가 포함된다. 스테이터 코어(141a)는 복수 개의 라미네이션(lamination)이 원주방향으로 적층되며, 코일 권선체(145)를 둘러싸도록 배치될 수 있다

상기와 같은 본 실시예에 따른 리니어 압축기는, 모터유닛(140)에 전류가 인가되면, 코일 권선체(145)에 전류가 흐르게 되고, 코일 권선체(145)에 흐르는 전류에 의해 코일 권선체(145)의 주변에 자속(flux)이 형성되며, 자속은 아우터 스테이터(141) 및 이너 스테이터(142)를 따라 폐회로를 형성하면서 흐르게 된다.

아우터 스테이터(141)와 이너 스테이터(142)를 따라 흐르는 자속과, 마그네트(143)의 자속이 상호 작용하여, 마그네트(143)를 이동시키는 힘이 발생될 수 있다.

아우터 스테이터(141)의 일측에는 스테이터 커버(146)가 구비된다. 아우터 스테이터(141)의 일측단은 프레임(170)에 의하여 지지되며, 타측단은 상기 스테이터 커버(146)에 의하여 지지될 수 있다

이너 스테이터(142)는 실린더(120)의 외주에 고정된다 그리고, 이너 스테이터(142)는 다수 개의 스테이터 코어가 실린더(120)의 외주면에 원주 방향을 따라 방사상으로 적층된다.

리니어 압축기에는, 피스톤(130)을 지지하는 서포터(181) 및 피스톤(130)으로부터 흡입부(101)를 향하여 연장되는 백 커버(182)가 더 포함된다. 백 커버(1182)는 흡입머플러(150)의 적어도 일부분을 커버하도록 배치될 수 있다.

리니어 압축기(10)에는 피스톤(130)이 공진 운동할 수 있도록 복수의 스프링(183a,183b)이 포함된다. 스프링은 축방향으로 구비된 압축코일스프링으로 이루어진다.

복수의 스프링(183a,183b)에는 서포터(181)와 스테이터 커버(146)의 사이에 지지되는 제1 스프링(183a) 및 서포터(181)와 백 커버(182)의 사이에 지지되는 제2 스프링(183b)으로 이루어진다. 제1 스프링(183a) 및 제2 스프링(183b)의 탄성 계수는 동일하게 형성될 수 있다.

여기서, 제1 스프링이 설치되는 위치를 "전방", 제2 스프링이 설치되는 위치를 후방이라고 정의할 수 있다. 따라서, 전방은 압축공간을 향하는 방향 또는 피스톤으로부터 흡입부를 향하는 방향, 후방은 압축공간으로부터 멀어지는 방향 또는 흡입부로부터 토출밸브 조립체를 향하는 방향으로 정의될 수 있다.

쉘(110)의 내부 바닥면에는 소정의 오일이 저장될 수 있다. 그리고, 쉘(110)의 하부에는 오일을 펌핑하는 급유유닛(190)이 구비될 수 있다.

급유유닛(190)은 피스톤(130)이 왕복 직선운동을 함에 따라 발생되는 진동에 의하여 작동되어 오일을 상방으로 펌핑할 수 있다. 이로써, 급유유닛(190)으로부터 펌핑된 오일은 실린더(120)와 피스톤(130)의 사이 공간으로 공급되어, 일련의 냉각 및 윤활 작용을 수행한다. 도면중 미설명 부호인 128은 급유구멍이다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 급유유닛(190)를 통해 실린더(120)의 내주면과 피스톤(130)의 외주면 사이로 공급되는 오일은 그 실린더(120)의 내주면과 피스톤(130)의 외주면 사이를 윤활하게 되지만, 실린더(120)의 내주면과 피스톤(130)의 외주면 사이가 베어링 접촉하는 한, 실린더(120)와 피스톤(130) 사이에서의 마찰손실은 여전히 발생하게 된다.

따라서, 실린더(120)의 내주면과 피스톤(130)의 외주면 사이의 마찰손실을 줄이기 위해서는 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 마찰면적을 최소화하는 것이 바람직하다. 하지만, 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 마찰면적을 무조건 최소화할 경우, 리니어 압축기의 특성상 스프링에 의해 외팔보 형태로 지지되는 피스톤(130)의 처짐을 안정적으로 지지하지 못하게 될 수 있다. 그러면, 실린더(120)와 피스톤(130)의 동심도가 불일치된 상태에서 피스톤(130)이 왕복 직선운동을 하게 되고, 이 과정에서 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 마찰손실이 더욱 증가할 수 있다.

본 실시예는 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 마찰면적을 최소화하면서도 실린더(120)와 피스톤(130)의 동심도를 유지하여 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 마찰손실을 줄일 수 있도록 하는 것이다.

도 2는 도 1에 따른 실린더와 피스톤을 분해하여 보인 사시도이고, 도 3은 도 2에서 실린더와 피스톤을 조립하여 보인 사시도이며, 도 4는 도 3에서 실린더와 피스톤을 조립하여 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 피스톤(130)은 대략 원통 형상을 가지며 축 방향으로 연장되는 피스톤 본체(131)과, 피스톤 본체(131)의 후방 단부로부터 반경 방향으로 연장되는 피스톤 플랜지(132)가 포함된다.

피스톤 본체(131)에는 피스톤 본체(131)의 전단부를 형성하는 전면부(131a)가 포함된다. 전면부(131a)에는 흡입밸브(133)가 설치된다. 이로써, 피스톤 본체(131)의 내부를 유동하는 냉매는 흡입구멍(131b)을 통하여 압축공간(P)으로 흡입될 수 있다.

피스톤 본체(131)에는 전면부(131a)로부터 후방으로 경사지게 연장되는 경사부(131c)가 더 포함된다. 경사부(131c)는 피스톤 본체(131)의 외경이 전면부(131a)의 외경보다 커지는 방향으로 경사지게 연장될 수 있다. 이에 따라, 피스톤 본체(131)는 경사부(131c)에 의하여 전면부(131a)로부터 후방을 향하여 외경이 커지도록 경사지게 형성될 수 있다. 이로써, 피스톤(130)이 전방으로 이동할 때, 압축공간(P)의 냉매의 일부가 경사부(131c)와 실린더(120)의 내주면이 이루는 선단측 공간으로 이동하게 된다. 그러면, 선단측 공간으로 이동한 냉매는 점점 압축되어 피스톤(130)의 선단이 실린더(120)의 내주면에 접촉되는 것을 억제할 수 있다.

한편, 피스톤 본체(131)는 압축공간(P)을 기준으로 하여 그 압축공간(P)에서 멀어지는 방향으로 제1 피스톤측 베어링부(이하, 제1 피스톤부)(135)와 제2 피스톤측 베어링부(이하, 제2 피스톤부)(136)가 일정 간격만큼 이격되어 형성된다.

제1 피스톤부(135)와 제2 피스톤부(136)의 사이에는 그 각각의 피스톤측 베어링부(135)(136)보다 작은 외경을 가지도록 함몰된 피스톤측 회피부(이하, 제1 회피부)(137)가 형성된다. 도 2 내지 도 4에서와 같이, 피스톤측 회피부는 제2 피스톤부(136)와 피스톤 플랜지(132) 사이에도 형성될 수 있다.

제1 피스톤부(135)의 외경과 제2 피스톤부(136)의 외경은 서로 동일하게 형성되거나 또는 제1 피스톤부(135)의 외경이 제2 피스톤부(136)의 외경보다 약간 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 피스톤부(135)가 메인 베어링의 역할을, 제2 피스톤부(136)가 서브 베어링의 역할을 할 수 있다. 이는, 제1 피스톤부(135)의 전방측에 압축공간(P)이 형성됨에 따라, 압축공간(P)에서 압축되는 냉매가 실린더(120)와 피스톤(130) 사이로 누설되는 것을 최소화하기 위함이다.

제1 피스톤부(135)의 왕복방향 길이(또는, 축방향 길이)(L11)는 후술할 제1 실린더측 베어링부의 왕복방향 길이(L21)보다는 크고, 제1 실린더측 베어링부의 왕복방향 길이(L21)와 실린더측 회피부의 왕복방향 길이(L22)를 합한 제2 총길이(L2)보다는 작게 형성될 수 있다. 이에 대해서는 나중에 다시 설명한다.

제1 피스톤부(135)와 제1 회피부(137)가 만나는 면 또는 제1 회피부(137)와 제2 피스톤부(136)가 만나는 면은 각각 경사면(137a)으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 회피부(137)에 고인 오일이 피스톤(130)의 왕복 직선운동시 각각의 경사면(137a)을 따라 각각의 베어링면(B1)(B2)으로 원활하게 유입될 수 있다.

한편, 실린더(120)는 피스톤(130)과 같이 대략 원통 모양으로 형성된다. 실린더(120)는 그 내경이 피스톤 본체(131)의 외경보다 수 ㎛ 정도 크게 형성된다. 이에 따라, 실린더(120)의 내주면과 피스톤 본체(131)의 외주면은 거의 접촉되거나 또는 미세한 윤활막을 사이에 두고 대응하게 된다.

실린더(120)의 내주면은 압축공간(P)을 기준으로 그 압축공간(P)에서 멀어지는 방향으로 제1 실린더측 베어링부(이하, 제1 실린더부)(125)와 제2 실린더측 베어링부(이하, 제2 실린더부)(126)가 일정 간격을 두고 형성된다. 제1 실린더부(125)와 제2 실린더부(126)의 사이에는 제2 회피부(127)가 연장 형성된다. 제1 실린더부(125)와 제2 실린더부(126)의 내경은 거의 동일하게 형성된다.

제1 실린더부(125)는 제1 피스톤부(135)와, 제2 실린더부(126)는 제2 피스톤부(136)와, 제2 회피부(127)는 제1 회피부(137)와 각각 적어도 일부가 중첩되도록 형성된다.

하지만, 제1 실린더부(125)와 제1 피스톤부(135)의 중첩구간이 너무 길면 마찰손실이 증가하는 반면, 상기의 중첩구간이 너무 짧으면 실링면적이 확보되지 못하면서 압축공간의 냉매가 누설될 수 있다. 따라서, 제1 실린더부(125)의 왕복방향 길이(L21)는 피스톤의 최대 이동거리(Lmax)보다 적어도 같거나 길게 형성될 수 있다. 다만, 실링면적을 고려하면 제1 실린더부(125)의 왕복방향 길이(A)는 최대 이동거리(Lmax)보다는 크게 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 피스톤(130)의 최대 이동거리(Lmax)는 피스톤(130)의 전면부(131a)가 토출밸브(162)로부터 가장 멀리 이동할 수 있는 거리이며, 이는 제2 스프링(183b)이 완전히 눌린 상태로 정의될 수 있다.

한편, 제1 피스톤부(135)의 왕복방향 길이(L11)는 제2 회피부(127)의 왕복방향 길이(L21)보다 크게 형성되고, 제1 회피부(137)의 왕복방향 길이(L12)는 제1 실린더부(125)의 왕복방향 길이(L21)보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 피스톤(130)이 최대 이동거리(Lmax)만큼 이동을 하더라도 제1 피스톤부(135)가 제2 회피부(127)에 걸리거나 빠지지 않게 되어 피스톤(130)이 실린더(120)에서 원활하게 왕복 직선운동을 할 수 있다.

또, 제1 피스톤부(135)의 왕복방향 길이(L11)가 너무 길면 피스톤(130)이 최대 이동거리(Lmax)만큼 이동하였을 때 제1 피스톤부(135)가 제1 실린더부(125)는 물론 제2 실린더부(126)와도 접촉될 수 있다. 그러면 전체적으로 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 접촉면적이 증가하게 되어 마찰면적이 증가하게 될 뿐만 아니라, 제1 피스톤부(135)의 후방단이 제2 실린더부(126)의 전방단에 걸려 피스톤(130)의 왕복 직선운동이 방해를 받게 될 수 있다. 따라서, 제1 피스톤부(135)의 왕복방향 길이(L11)는 제1 실린더부(125)의 왕복방향 길이(L21)와 제2 회피부(127)의 왕복방향 길이(L22)를 합한 제2 총길이(L2)보다는 작게 형성되는 것이 바람직하다. 또는, 제1 피스톤부(135)의 왕복방향 길이(L11)와 피스톤의 최대 이동거리(Lmax)를 합한 값이 제1 실린더부(125)의 왕복방향 길이(L21)와 제2 회피부(127)의 왕복방향 길이(L22)를 합한 제2 총길이보다는 작게 형성되는 것이 바람직하다.

또, 제1 피스톤부(135)의 왕복방향 길이(Lmax)가 더 길어져 항상 제2 실린더부(126)와 접촉하게 되면, 제1 회피부(137)가 제2 실린더부(126)에 가려져 오일이 제1 회피부(137)로 유입되지 못하게 될 수도 있다. 그러면 제2 실린더부(126)와 제2 피스톤부(136) 사이로 오일이 공급되는 것을 차단하게 될 수 있다. 따라서, 제1 피스톤부(135)의 왕복방향 길이(Lmax)는 앞서 한정한 것과 같이 제1 실린더부(125)의 길이(L21)보다는 길지만 피스톤(130)이 최대 이동거리(Lmax)만큼 이동한 경우에도 제2 회피부(127)와 제1 회피부(137)가 중첩될 수 있는 길이, 즉 제2 회피부(127)를 초과하지 않도록 형성하는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 실린더(120)의 내주면에는 제1 실린더부(125)와 제2 회피부(127) 그리고 제2 실린더부(126)가 연이어 형성되고, 이에 대응되는 피스톤(130)의 내주면에는 제1 피스톤부(135)와 제1 회피부(137) 그리고 제2 피스톤부(136)가 연이어 형성될 수 있다.

그러면, 피스톤(130)이 실린더(120)에 대해 왕복 직선운동을 할 때, 제1 피스톤부(135)는 제1 실린더부(125)와, 제2 피스톤부(136)는 제2 실린더부(126)에 각각 베어링 접촉을 하게 된다.

도 5a 및 도 5b는 본 실시예에 따른 피스톤이 실린더에서 왕복운동을 하는 과정을 설명하기 위해 보인 단면도들이다.

도 5a와 같이, 피스톤(130)이 전진운동을 하면, 피스톤(130)이 압축공간(P)의 냉매를 압축하면서 토출밸브(162) 쪽으로 이동을 하게 된다. 이때, 제1 피스톤부(135)는 제1 실린더부(125)와 베어링 접촉된 상태에서 제1 피스톤부(135)의 전방측은 제1 실린더부(125)의 범위 안에, 제1 피스톤부(135)의 후방측은 일정 간격(t1)만큼 제1 실린더(125)의 범위 밖에 존재하게 된다. 이는, 제1 피스톤부(135)의 왕복방향 길이(L11)가 제1 실린더부(125)의 왕복방향 길이(L21)보다 길게 형성되기 때문이다. 따라서, 피스톤(130)이 냉매를 완전히 토출하게 되는 토출완료시점까지 이동을 하더라도 제1 피스톤부(135)가 제1 실린더부(125)에 지지됨에 따라 피스톤(130)은 처지지 않고 반경방향으로 지지될 수 있다. 이 경우, 제2 피스톤부(136)가 제2 실린더부(126)에 베어링 접촉하게 되어 피스톤(130)은 더욱 안정적으로 지지될 수 있다.

도 5b와 같이, 피스톤(130)이 후진운동을 하면, 피스톤(130)이 압축공간(P)으로 냉매를 흡입하면서 토출밸브(162)로부터 멀어지는 쪽으로 이동을 하게 된다. 이때, 제1 피스톤부(135)는 제1 실린더부(125)에 대해 베어링 접촉된 상태에서 미끄럼운동을 하게 된다. 그리고 제1 피스톤부(135)의 후방측은 제2 실린더부(125)를 향해 이동을 하게 된다. 하지만, 제2 회피부(127)의 왕복방향 길이(L22)가 충분히 길게 형성됨에 따라, 제1 피스톤부(135)의 후방단이 제2 회피부(127)의 내부에 항상 위치하게 된다. 따라서, 제1 피스톤부(135)의 후방단과 제2 실린더부(125)의 전방단 사이에는 일정 간격(t2)만큼 거리가 유지된다. 이로 인해 제1 피스톤부(135)가 제2 실린더부(125)에 걸리지 않게 되므로, 피스톤(130)의 왕복운동이 저지되는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.

상기와 같이, 피스톤(130)의 외주면에는 제1 회피부(137)가, 실린더(120)의 내주면에는 제2 회피부(127)가 각각 형성되어, 제1 회피부(137)는 실린더(120)와 접촉되지 않고, 제2 회피부(127)는 피스톤(130)과 접촉하지 않게 된다. 이에 따라, 전체적으로 실린더와 피스톤 사이의 마찰면적이 감소하게 되어 마찰손실이 줄어들게 된다.

나아가, 제1 피스톤부(135)와 제1 실린더부(125)는 피스톤(130)이 압축행정을 할 때 접촉면적이 증가하게 된다. 하지만, 압축행정을 할 때에 압축공간(P)의 압력이 상승하게 되므로, 제1 피스톤부(135)와 제1 실린더부(125) 사이의 접촉면적이 증가하는 것이 실링 측면에서 유리할 수 있다. 이를 통해, 압축공간(P)에서 압축되는 냉매가 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 베어링면으로 누설되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 반면, 피스톤(130)이 흡입행정을 실시할 때, 제1 피스톤부(135)와 제1 실린더부(125) 사이의 접촉면적이 감소하게 된다. 하지만, 흡입행정을 실시할 때에는 압축공간(P)의 압력이 감소하게 되므로 압축기 효율에 크게 영향을 끼치지 않게 된다.

도 6은 본 실시예에 의한 리니어 압축기에서 피스톤의 이동거리에 따른 압축공간의 압력을 보인 그래프이고, 도 7은 본 실시예에 의한 리니어 리니어 압축기에서 피스톤의 이동거리에 따른 실린더와 피스톤 사이의 베어링 접촉길이의 변화를 보인 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 피스톤(130)이 토출완료시점(압축공간의 체적이 0인 지점)으로 이동할 때, 압축공간(P)의 압력은 급격하게 증가하게 된다. 따라서, 압축행정시 실린더(120)와 피스톤(130) 사이에는 넓은 실링면적이 필요하게 된다. 이는, 앞서 설명한 바와 같이 제1 실린더부(125)와 제1 피스톤부(135)의 마찰면적이 압축행정시 점차 증가하게 되므로 압축공간(P)의 냉매가 실린더(120)와 피스톤(130) 사이로 누설되는 것을 억제될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 종래에는 피스톤(130)의 이동거리에 관계없이 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 베어링 접촉길이가 동일하였으나, 본 실시예에서는 피스톤(130)의 이동거리에 따라 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 베어링 접촉길이가 선형적으로 감소하게 된다. 그러면, 피스톤(130)의 사이클 당 평균 마찰 길이가 줄어들게 되므로, 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실이 감소하게 되어 압축기 효율이 향상될 수 있다. 또, 이를 통해 실린더(120) 또는 피스톤(130)의 제작을 용이하게 하면서도 실린더와 피스톤의 손상을 억제할 수 있다.

또, 본 실시예의 경우, 피스톤(130)이 압축코일스프링로 된 복수 개의 스프링(183a,183b)에 의해 외팔보 형태로 지지됨에 따라, 피스톤(130)에 대한 지지면적이 작으면 피스톤(130)이 자체 무게에 따라 처짐이 발생할 수 있다. 하지만, 본 실시예와 같이 제1 피스톤부(135)와 제2 피스톤부(136)가 축방향으로 배열되고, 이들 피스톤측 베어링부(135,136)가 각각 제1 실린더부(125)와 제2 실린더부(126)에 의해 반경방향으로 지지됨에 따라, 피스톤(130)을 처지는 것을 안정적으로 지지할 수 있다. 이에 따라, 실린더(120)와 피스톤(130)의 실질적인 마찰면적을 줄이면서도 외팔보 형태로 지지되는 피스톤(130)의 처짐을 억제할 수 있어 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 마찰손실을 더욱 낮출 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 리니어 압축기에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 피스톤에 제1 피스톤부와 제2 피스톤부가 축방향을 따라 제1 회피부의 왕복방향 길이만큼 간격을 두고 형성되는 것이었으나, 본 실시예는 피스톤에 한 개의 피스톤측 베어링부만 형성되는 것이다. 도 8은 본 실시예에 따른 실린더와 피스톤에 대한 다른 실시예를 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 실린더의 내주면에는 전술한 실시예와 동일하다. 즉, 실린더(120)의 내주면에는 제1 실린더부(125)와 제2 실린더부(126)가 제2 회피부(127)를 사이에 두고 형성된다. 제1 실린더부(125)의 내경과 제2 실린더부(126)의 내경은 동일하게 형성되고, 제2 회피부(127)의 내경은 양쪽 실린더부(125)(126)의 내경보다 크게 형성된다. 이에 따라, 제2 회피부(127)는 실린더(120)의 내주면에서 외주면을 향해 소정의 깊이만큼 함몰지게 형성된다.

한편, 피스톤 본체(131)의 외주면에는 전방측에 피스톤측 베어링부(135)가 형성되고, 피스톤측 베어링부(135)의 후단에는 그 피스톤측 베어링부(135)의 외경보다 작은 외경을 가지는 피스톤측 회피부(137)가 형성된다. 피스톤 회피부(137)의 후방단에서 앞서 설명한 피스톤 플랜지(132)가 형성된다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 피스톤 본체(131)에는 전술한 제1 피스톤측 베어링부에 해당하는 한 개의 피스톤측 베어링부가 형성되게 된다.

상기와 같은 본 실시예에 따른 실린더와 피스톤에서의 기본적인 구성은 전술한 실시예와 대동소이하다. 다만, 본 실시예에서는 피스톤 본체(131)의 전방단에만 한 개의 피스톤측 베어링부(135)가 형성됨에 따라, 전술한 실시예에 비해 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 마찰면적을 더욱 줄일 수 있다. 이를 통해 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 마찰손실을 더 낮출 수 있다. 아울러, 피스톤(130)의 무게가 감소하여 압축기 효율이 향상될 수 있다.

한편, 전술한 실시예들에서는 피스톤의 후방측에 복수 개의 스프링이 구비되어 피스톤의 공진운동을 유도하는 것이었으나, 반드시 스프링이 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 스프링을 제외하고 마그네트의 추력과 복귀력을 이용하여서도 피스톤을 공진시킬 수 있다.

이 경우에도 실린더와 피스톤의 사이에는 각각 전술한 실시예와 같은 실린더측 베어링부와 피스톤측 베어링부, 그리고 실린더측 회피부와 피스톤측 회피부를 형성할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

Claims

내부공간을 가지는 실린더; 및
상기 실린더의 내부공간에서 왕복운동하면서 상기 실린더의 내부공간에 압축공간을 형성하는 피스톤;을 포함하며,
상기 실린더의 내주면은,
상기 피스톤의 왕복방향으로 일정 간격만큼 이격되어 배치되는 제1 실린더부 및 제2 실린더부와,
상기 제1 실린더부와 제2 실린더부의 사이에 구비되고, 상기 제1 및 제2 실린더부의 내경보다 큰 내경을 가지며, 상기 실린더의 내주면에서 반경방향으로 소정의 깊이만큼 함몰지게 형성되는 실린더측 회피부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 제1 실린더부가 상기 압축공간에 근접되도록 형성되고, 상기 제1 실린더부의 왕복방향 길이는 상기 피스톤의 최대 이동거리보다 크거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제2항에 있어서,
상기 피스톤의 외주면에는 상기 제1 실린더부와 대응하여 베어링면을 이루는 피스톤측 베어링부가 구비되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제3항에 있어서,
상기 피스톤측 베어링부의 왕복방향 길이는, 상기 제1 실린더부의 왕복방향 길이와 상기 실린더측 회피부의 왕복방향 길이를 합한 길이보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제3항에 있어서,
상기 피스톤측 베어링부의 왕복방향 길이와 상기 피스톤의 최대 이동거리를 합한 길이는, 상기 제1 실린더부의 왕복방향 길이와 상기 실린더측 회피부의 왕복방향 길이를 합한 길이보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 피스톤측 베어링부의 왕복방향 길이는 상기 실린더측 회피부의 왕복방향 길이보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 피스톤측 베어링부의 왕복방향 길이는 상기 제1 실린더부의 왕복방향 길이보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 피스톤의 양단부의 외주면에는 제1 피스톤부 및 제2 피스톤부가 일정 간격만큼 이격되어 형성되고,
상기 제1 피스톤부와 제2 피스톤부의 사이에는 상기 제1 및 제2 피스톤부의 외경보다 작은 외경을 가지는 피스톤측 회피부가 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제8항에 있어서,
상기 제1 피스톤부는 상기 제1 실린더부에, 상기 제2 피스톤부는 상기 제2 실린더부에 각각 적어도 일부가 중첩되도록 형성되고,
상기 실린더측 회피부와 상기 피스톤측 회피부는 적어도 일부가 중첩되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 피스톤의 일단부의 외주면에는 피스톤측 베어링부가 형성되고,
상기 피스톤측 베어링부의 일측에서 상기 피스톤의 타단부까지 상기 피스톤측 베어링부의 외경보다 작은 외경을 가지도록 반경방향으로 함몰진 피스톤측 회피부가 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제10항에 있어서,
상기 피스톤측 베어링부는 상기 제1 실린더부에 적어도 일부가 중첩되도록 형성되고,
상기 실린더측 회피부와 상기 피스톤측 회피부는 적어도 일부가 중첩되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.