WO2010016712A2 - 리니어 압축기 - Google Patents

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linear compressor
conductor
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김종권
박신현
김현
강희동
이정욱
정양훈
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    • F16F2230/00—Purpose; Design features
    • F16F2230/22—Pumps

Definitions

  • the present invention relates to a linear compressor, and more particularly, to generate a driving force by magnetic induction by using a conductor member instead of a magnet in the linear motor.
  • the present invention relates to a linear compressor capable of varying the cooling force automatically or naturally in response to a load.
  • a compressor is a mechanical device that increases pressure by receiving power from a power generator such as an electric motor or a turbine to compress air, refrigerant, or various other working gases. It is widely used throughout.
  • compressors are classified into a reciprocating compressor which compresses the refrigerant while linearly reciprocating the inside of the cylinder by forming a compression space in which the working gas is absorbed and discharged between the piston and the cylinder.
  • a rotary compressor for compressing the refrigerant while the roller is eccentrically rotated along the inner wall of the cylinder to form a compression space in which the working gas is sucked and discharged between the eccentrically rotating roller and the cylinder.
  • a scroll compressor that compresses the refrigerant while the rotating scroll rotates along the fixed scroll to form a compression space in which the working gas is absorbed and discharged between the orbiting scroll and the fixed scroll. Divided.
  • FIG. 1 is a side view of a linear compressor according to the prior art.
  • Conventional linear compressors have a frame (2), a cylinder (3), a piston (4), a suction valve (6), a discharge valve (7), a linear motor (10), a motor cover (18) inside a shell (1), A structure composed of the supporter 19, the back cover 20, the main springs S1 and S2, and the suction muffler 21 is installed to be elastically supported.
  • the cylinder 3 is fitted to the frame 2 and the discharge valve 7 is installed to block one end of the cylinder 3, while the piston 4 is inserted inside the cylinder 3, and the thin suction
  • the valve 6 is provided to open and close the inlet 5 of the piston 4.
  • the linear motor 10 is installed so that the magnet frame 16 can reciprocally linearly move while maintaining a gap between the inner stator 12 and the outer stator 14, and the magnet frame 16 is attached to the piston fixing portion 16c. It is installed so as to be connected to the piston (4) by the mutual electromagnetic force between the inner stator 12 and the outer stator 14 and the magnet frame 16 to operate the piston (4) while reciprocating linear movement of the magnet frame 16 Let's do it.
  • the motor cover 18 supports the outer stator 14 in the axial direction to fix the outer stator 14 and is bolted to the frame 2, and the back cover 20 is coupled to the motor cover 18.
  • a supporter 19 connected to the other end of the piston 4 is installed between the motor cover 18 and the back cover 20 so as to be elastically supported in the axial direction by the main springs S1 and S2, and sucks the refrigerant.
  • the suction muffler assembly 21 is also fastened together with the supporter 19.
  • the main springs (S1, S2) includes four front springs (S1) and four rear springs (S2) in a position that is symmetrical up and down and left and right with respect to the supporter 19, the linear motor 10 is As it is actuated, the front springs S1 and the rear springs S2 behave in opposite directions to cushion the piston 4 and the supporter 19.
  • the refrigerant on the compression space P side acts as a kind of gas spring to cushion the piston 4 and the supporter 19.
  • the linear motor 10 of the linear compressor is composed of the inner stator 12, the outer stator 12, and the magnet frame 16 based on the frame 2 as shown in FIG. 2.
  • the inner stator 12 is configured such that laminations are laminated in the circumferential direction
  • the outer stator 14 is configured such that the core block 14b is provided at a predetermined interval in the circumferential direction on the coil winding 14a.
  • FIG. 2 is a perspective view of a magnet frame according to the prior art.
  • Frame main body 16a formed in the cylindrical shape so that it may be located between the inner stator 12 and the outer stator 14 of the linear motor 10, the magnet 16b fixed to the outer part of the frame main body 16a, and the frame main body
  • the piston fixing part 16c extended inward so that the piston 4 is fixed to one end of the 16a is comprised, and the hole 16d is formed in one side of the magnet 16b.
  • the magnet 16b is formed at regular intervals in the circumferential direction of the frame body 16a, and it is preferable that eight magnets 16b are coupled to the outside of the frame body 16a at equal intervals.
  • the linear compressor according to the prior art operates the reciprocating linear motion between the inner and the outer stator by mutual electromagnetic force, but because the magnet itself is expensive, it is difficult to use the cylindrical magnet, and it is possible to fix the magnets in the form of several rods. Therefore, even if the magnet frame is manufactured, not only the manufacturing cost increases but also the production cost increases.
  • the linear compressor according to the prior art is to vary the stroke for varying the cooling power corresponding to the load of the linear motor, for this purpose is not only equipped with a complex control, but also accompanied by design limitations on the size and size of the peripheral components, further complicated Since a control method is required, the production cost is not only high, but also difficult to manufacture, and there is a problem in that the power consumed to control increases, thereby lowering the overall efficiency of the compressor.
  • the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a linear compressor that simplifies the shape and control of a linear motor by using a conductor member instead of a magnet.
  • an object of the present invention is to provide a linear compressor in which the linear motor is automatically affected by the load, even if the linear motor is not affected by the fluctuation of the power applied from the outside and does not apply a separate control method. do.
  • an object of the present invention is to provide a linear compressor that can improve the productivity by simplifying the configuration of the linear motor that provides the driving force to the linear compressor.
  • the linear compressor according to the present invention includes a fixed member having a compression space, a movable member for compressing a refrigerant while reciprocating linear motion inside the fixed member, at least one spring installed to elastically support in the direction of movement of the movable member, and applying a current.
  • a first member stating a magnetic field, a second stator spaced apart from the first stator, and a conductor member electromagnetically induced by a magnetic field formed by the first stator and the second stator to linearly move the movable member; And a control unit for controlling the supply of current to one stator.
  • it further comprises a connecting member for connecting the conductor member and the conductor member, the conductor member is preferably a conductor mounted on one end of the connecting member.
  • the conductor member is a ring-shaped iron pieces and conductors mounted on one end of the connecting member alternately stacked.
  • the conductor member is preferably a conductor wire wound on one end of the connecting member.
  • the first stator is composed of a coil winding body in which the coil is wound and a core mounted on the coil winding body, and the control unit controls the supply of current to the coil winding body on / off so that a one-way magnetic field is formed in the conductor member. desirable.
  • the spring may include at least one of a first spring installed to elastically support the movable member in a direction in which the refrigerant is compressed, or a second spring installed to elastically support the movable member in a direction opposite to the direction in which the refrigerant is compressed. It is preferable.
  • At least a portion of the conductor member is located between the first stator and the second stator.
  • the first stator is composed of the first and second coil windings each of which coils are wound at intervals in the axial direction, and a core mounted on the first and second coil windings, and the control unit forms a bidirectional magnetic field in the conductor member. Preferably, it is controlled to supply a current having a phase difference to the first and second coil windings.
  • the coils are wound in the same direction as the first and second coil windings, and a capacitor is connected in series to one of the windings of the first and second coil windings.
  • control unit preferably supplies a current having a 90 ° phase difference to the first and second coil windings.
  • the spring is preferably a first spring installed to elastically support the movable member in the direction in which the refrigerant is compressed, and a second spring installed to elastically support the movable member in a direction opposite to the direction in which the refrigerant is compressed.
  • the speed of the movable member and the force for moving the movable member are inversely proportional to each other according to the magnitude of the load.
  • the speed of the movable member increases, and the force for moving the movable member preferably increases.
  • control unit preferably controls the supply of current to automatically vary the stroke according to the load.
  • the electrical resonance frequency is preferably closer to the mechanical resonance frequency.
  • the linear compressor of the present invention includes a fixed member having a compression space and a conductor member, a movable member for compressing the refrigerant while reciprocating linearly moving inside the fixed member, and a plurality of springs installed to elastically support in the movement direction of the movable member.
  • a first stator for receiving a current and magnetically inducing the conductor member, a second stator positioned to correspond to the first stator, and a second stator formed so that at least a portion of the conductor member is positioned in a space separated from the first stator, and the first stator
  • the control unit is configured to control power supply to the furnace and cut off, and as the load increases, the electrical resonant frequency is closer to the mechanical resonant frequency, so that the linear compressor performs the variable control of the natural cold force.
  • the present invention provides a driving force by induction magnetism by using a conductor member instead of a magnet, the mechanism and control of the linear motor are simplified to reduce the production cost, and furthermore, it is not necessary to provide a separate driving unit for the control and to minimize the number of elements. Since it can only be driven, there is an effect of improving the overall efficiency.
  • the present invention maximizes cooling efficiency because the linear motor is not affected by the fluctuation of the power applied from the outside and the stroke is varied so that the cooling force is automatically changed in response to the load even when a separate control method is not applied. It is effective to let.
  • the present invention has the effect of improving the productivity by simplifying the configuration of the linear motor for providing a driving force to the linear compressor.
  • FIG. 1 is a side view of a linear compressor according to the prior art.
  • Figure 2 is a perspective view of a magnet frame according to the prior art.
  • FIG. 3 is a side sectional view showing a first embodiment of a linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 4 is a side sectional view showing a second embodiment of a linear compressor according to the present invention.
  • Fig. 5 is a side sectional view showing a third embodiment of the linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a first embodiment of a conductor member applied to the linear compressor according to the present invention
  • FIG. 7 is a perspective view showing a second embodiment of the conductor member applied to the linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a third embodiment of the conductor member applied to the linear compressor according to the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing a magnetic flux waveform according to an applied current of the linear motor illustrated in FIG. 5.
  • FIG. 10 is a simplified circuit diagram for applying a current to the linear motor shown in FIG.
  • FIG. 11 is a graph showing a linear reciprocating magnetic flux operation of the linear motor shown in FIG.
  • FIG. 12 is a graph showing a relationship between slip and torque of the linear motor shown in FIG. 5;
  • 3 to 5 are side cross-sectional views illustrating various embodiments of a linen compressor according to the present invention.
  • the linear compressor of the present invention compresses the refrigerant in the fixing member 120 and the fixing member 120 having the compression space P of the refrigerant in the sealed container 100.
  • the movable member 130 and the linear motor 200 for driving the movable member 130 are installed, and the linear motor 200 includes the first and second stators 220 and 240, the first and second stators 220, It is configured to include a conductor member 260 located in the space between the 240.
  • the second stator 240 is fixed to the outer circumference of the fixing member 120, the first stator 220 is fixed by the frame 110 and the motor cover 300 in the axial direction, the frame 110 and the motor cover The 300 is fastened by a fastening member such as a bolt to be coupled to each other, and the first stator 220 is fixed between the frame 110 and the motor cover 300.
  • Frame 110 may be formed integrally with the fixing member 120, it may be manufactured separately from the fixing member 120 may be combined with the fixing member 120.
  • a supporter 310 is connected to the rear of the movable member 130, and the back cover 320 is coupled to the rear of the motor cover 300, and the supporter 310 is disposed between the motor cover 300 and the back cover 320.
  • Springs (S1, S2) are installed in the axial direction to cushion the reciprocating linear motion of the movable member 130, both ends are supported by the supporter 320 and the motor cover 540, or the supporter 320 and the bag Both ends are supported by the cover 560.
  • the detailed installation position and the elastic modulus of the springs (S1, S2) and the like can be changed according to the configuration and operation of the linear motor 200, will be described in detail below.
  • a suction muffler 700 is provided at the rear of the movable member 130, and refrigerant flows into the piston 300 through the suction muffler 140 to reduce noise during refrigerant suction.
  • the movable member 130 has an inside of the movable member 130 such that the refrigerant introduced through the suction muffler 330 is introduced into the compression space P formed between the fixed member 120 and the movable member 130 and compressed.
  • a part of the tip of is hollow.
  • a suction valve (not shown) is installed at the tip of the movable member 130, and the suction valve (not shown) is opened to allow refrigerant to flow into the compression space P from the movable member 130, and the compression space P To close the tip of the movable member 130 so as not to flow into the movable member 130 again.
  • the discharge valve 160 positioned at the tip of the fixing member 120 is opened.
  • the compressed high-pressure refrigerant is discharged into the discharge cap 170 and then discharged to the outside of the linear compressor through the loop pipe 180 to circulate the refrigeration cycle.
  • the linear motor 200 has a gap between the first stator 220 through which an electric current flows, the second stator 240 maintaining a gap with the first stator 220, and the first and second stators 220 and 240. And a conductor member 260 installed magnetically by the first stator 220 to reciprocally linearly move the movable member 130.
  • the linear motor 200 is configured to supply current to the first stator 220. It is provided with a control unit (not shown) for controlling the supply of.
  • the first stator 220 is an outer stator relatively far from the fixing member 120
  • the second stator 240 is an inner stator mounted to the fixing member 120.
  • the linear motor 200 of the linear compressor configured as described above used a linear motor 200 having both stators 220 and 240 as an example, and a general linear motor having only one stator 220 through which current flows. 200 is included in the claims of the present invention.
  • the linear compressor may include a power supply unit (not shown) capable of receiving power from the outside, and in the case of such a power supply unit, a device naturally provided to a person familiar with the technical field to which the present invention pertains may be described. Omit.
  • the embodiment of the first stator 220 is configured such that the core block 222 is mounted on one coil winding 221 in which a coil is wound in the circumferential direction, and the control unit includes a conductor member ( To control the supply of current to the coil winding body 221 so that the one-way magnetic field is formed in the 260, the force is generated so that the conductor member 260 moves in the direction of compressing the refrigerant, that is, the top dead center direction. do.
  • the elastic modulus and the number of the front main springs S1 are determined in proportion to the number of coil turns of the coil winding 221.
  • the magnetic flux forms a closed circuit along the first and second stators 220 and 240 by the current flowing along the coil winding 221, and the conductive member ( 260 also receives a force in the top dead center direction as the induction magnetic field is formed, the conductor member 260 and the movable member 130 to compress the refrigerant while moving in the top dead center direction, the current to the coil winding 221
  • the conductor member 260 and the movable member 130 is moved in the bottom dead center direction by the restoring force of the front main springs (S1) while the magnetic flux and the induction magnetic field disappears, while repeating this process of the refrigerant Suction, compression and discharge take place.
  • another embodiment of the first stator 220 may be mounted such that the core block 222 is mounted on one coil winding 221 in which a coil is wound in the circumferential direction, as in the above embodiment.
  • the control unit controls to turn on / off the supply of current to the coil winding body 221 so that the one-way magnetic field is formed in the conductor member 260, but the conductor member 260 sucks the refrigerant as opposed to the above embodiment.
  • Direction that is, force is generated to move in the bottom dead center direction.
  • it is preferable that only the rear main springs S2 are installed between the supporter 310 and the back cover 320 so that the movable member 130 gives a restoring force to the force received by the linear motor 200.
  • the elastic modulus and the number of the rear main springs S2 are determined in proportion to the number of coil turns of the coil winding 221.
  • the magnetic flux forms a closed circuit along the first and second stators 220 and 240 by the current flowing along the coil winding 221, and the conductive member (
  • the induction magnetic field is formed in the 260, the force is applied in the bottom dead center direction, the conductor member 260 and the movable member 130 move in the bottom dead center direction to suck the refrigerant, and then a current is applied to the coil winding 221.
  • the conductor member 260 and the movable member 130 is moved in the top dead center direction by the restoring force of the rear main springs (S2) while the magnetic flux and the induction magnetic field is lost, while repeating this process Suction, compression and discharge take place.
  • the first and second coil windings 221A and 221B having the coils wound in the circumferential direction are positioned at regular intervals in the axial direction.
  • the core blocks 222 are configured to be mounted on the first and second coil windings 221A and 221B. Coils wound on the first and second coil windings 221A and 221B are wound in the same direction, and the controller is disposed on the first and second coil windings 221A and 221B to form a bidirectional magnetic field in the conductor member 260.
  • a current is controlled so as to supply current having a phase difference of °, and the conductor member 260 generates a force in a direction in which the refrigerant is compressed, that is, a top dead center direction, and moves in a direction in which the refrigerant is sucked, that is, a bottom dead center direction. It will repeat the process of generating.
  • the front main springs S1 are installed between the motor cover 300 and the supporter 310 in order to provide a restoring force to the force received by the linear motor 200 by the movable member 130 and the rear main spring.
  • the field S2 is installed between the supporter 310 and the back cover 320, and the front main springs S1 and the rear in proportion to the number of coil turns of the second coil windings 221A and 221B. It is preferable that the elastic modulus and the number of the main springs S2 are determined.
  • the magnetic flux when a current is input to the first coil winding 221A, the magnetic flux also exhibits an AC waveform as a current having an AC waveform having a phase difference of 90 ° is input to the first and second coil windings 221A and 221B. appear.
  • the induction magnetic field is also formed in the conductor member 260 by such magnetic flux, the force is alternately received in the top dead center direction and the bottom dead center direction, and the conductor member 260 and the movable member 130 move in the top dead center direction. After compressing, the process of inhaling the refrigerant while repeating the movement in the bottom dead center direction is repeated.
  • 6 to 8 are perspective views showing various embodiments of the conductor member applied to the linear compressor according to the present invention.
  • one example of the conductor member 260 has a shape corresponding to the connection member 290 of a conductive material such as copper and aluminum, and is formed in, for example, a cylindrical shape.
  • the conductor member 260 is mounted to one end of the connection member 290 by an adhesive or adhesive member, and the connection member 290 is installed to connect the conductor member 260 to the movable member 130.
  • the connection member 290 is formed in the same manner as the existing configuration, the portion of the conductor member 260 except for the portion to be mounted, or to reduce the flow resistance, various holes 291 are provided for heat dissipation.
  • another example of the conductor member 270 is formed in a cylindrical shape in which a ring-shaped iron piece 270a and a ring conductor 270b are alternately stacked in an axial direction. 270 is mounted to one end of the connection member 290 by an adhesive or adhesive member, the connection member 290 is installed to connect the conductor member 270 with the movable member 130.
  • the ring conductor 270b may be made of a conductor material such as copper or aluminum.
  • another example of the conductor member 280 is formed in a form in which the conductor wire is wound, and is mounted to be wound around one end or the outside of the connection member 290, and the connection member 290 is The conductor member 280 is installed to connect with the movable member 130.
  • the conductor members 260, 270b, and 280 shown in FIGS. 6 to 8 are preferably formed of aluminum or copper, and have a property of being magnetically induced by electromagnetic force. Since the conductor members 260, 270, and 280 are applied to the linear motor 200, the manufacturing cost is reduced as compared with the conventional technology of applying the magnet.
  • FIG. 9 is a graph showing a magnetic flux waveform according to an applied current of the linear motor shown in FIG. 5.
  • the controller applies power to the linear motor 200 having the first and second coil windings 221A and 221B
  • the current flowing through the first stator 220 is the current I M of the first coil winding 221A.
  • the current I A of the second coil winding 221B has an AC waveform having a 90 ° phase difference.
  • the synthesized magnetic field B S of the first stator 220 due to the current is also represented by an alternating current waveform.
  • a linear reciprocating magnetic field is formed while alternating in the positive and negative directions.
  • FIG. 10 is a simplified circuit diagram for applying a current to the linear motor shown in FIG. 5.
  • the current I A applied to the second coil winding 221A is an alternating current applied through the capacitor C, and the coil winding ( It has a 90 ° phase difference from the current I M applied to 221 A).
  • FIG. 11 is a graph illustrating a linear reciprocating magnetic flux operation of the linear motor illustrated in FIG. 5.
  • a graph showing the current I M of the first coil winding 221A, the current I A of the second coil winding 221B, and the synthesized magnetic field B S of the first stator 220 as a current is applied.
  • the linear reciprocating magnetic flux operation of the linear motor 200 at points a to f located is shown in a table. That is, the table of FIG. 10 shows that the processes of magnetizing the first and second coil windings 221A and 221B to NS pole and SN are repeated at points a to f.
  • the sum of I M and I A appears in the positive direction in the north pole, and its size increases and decreases, and at points d, e, and f, I M and I
  • the magnetic field of A , B S appears in the negative direction, S pole, but also increases in size and decreases.
  • the magnetic flux is alternated in the positive / negative direction by the first coil winding 221A and the second coil winding 221B, and the electromagnetic force of the first and second stators 220 and 240 and the conductor member 260 are reduced.
  • the induction magnet is activated while interacting.
  • FIG. 12 is a graph showing a relationship between slip and torque of a linear motor applied according to the present invention.
  • the linear compressor is preferably designed to operate in a resonance state in order to increase efficiency, but as the load increases, the elastic modulus of the gas spring increases as the refrigerant gas in the linear compressor expands, and thus the mechanical resonance frequency of the linear compressor increases. Also becomes large and resonance by the LC resonant frequency (described above, the first coil winding 221A and / or the second coil winding 221B and / or the capacitor C), which is an electrical resonance frequency, to operate in a resonance state. Frequency) is also preferably varied to match the mechanical resonant frequency that varies with load.
  • the linear compressor employing the linear motor 200 to which the conductor member 260 is applied according to the present invention is designed to follow the mechanical resonance frequency by varying the LC resonance frequency according to the load. That is, when the load increases, such as the ambient temperature increases from low temperature to high temperature, the elastic modulus of the refrigerant gas increases, so that the speed of the movable member in the high temperature state is lower than that of the movable member in the low temperature state, thereby reducing the cooling power.
  • the LC resonance frequency is matched with the mechanical resonance frequency in a high temperature state.
  • the LC resonant frequency in the high temperature state, is designed to be close to the mechanical resonance frequency, while in the low temperature state, the LC resonant frequency is automatically designed to be larger than the mechanical resonant frequency. At this time, it is preferable to operate so as to approach the resonance state in order to reduce the noise rather than operating the resonance even at high temperature.
  • the linear motor 200 automatically adjusts the refrigerating capacity, and the refrigerator Natural cold power is variable accordingly.
  • the relationship between the slip which is the speed of the movable member 130 and the torque which is the force for moving the movable member 130 as the linear motor 200 to which the conductor member 260 is applied is operated will be shown in FIG. 12.
  • the slip and torque rise in proportion, but when the slip is stably operated above a predetermined value or a set value, the slip and torque appear in inverse proportion to the load.
  • the S-T curve appears differently depending on the load, A is the S-T curve in the low temperature state, B is the S-T curve in the high temperature state, C is the S-T curve calculated in consideration of the mechanical resonance frequency is variable.
  • the linear motor 200 when the linear motor 200 is operated in the state moving from the low temperature region (II) to the high temperature region (I), the speed of the movable member 130 is near the synchronous speed and then decreases. Since the LC resonant frequency is operated in a resonant state close to the mechanical resonant frequency even if the speed is reduced, the mechanism stroke is maximized by increasing the speed of the movable member 130 and the force to move the movable member 130. Becomes large, and the cooling force variable according to the load is made.
  • the LC resonance frequency is designed to coincide with or approximate the mechanical resonance frequency at high load, the movable member 130 is driven to reach a top dead center, and thus the compression operation is stably performed, and the operation is performed in the resonance state of the compressor. Efficiency is maximum.
  • the linear motor 200 when the linear motor 200 is operated in the state moving from the high temperature region (I) to the low temperature region (II), the speed of the movable member 130 is operated near the synchronous speed, the speed of the movable member 130 Although the LC resonant frequency is excessively larger than the mechanical resonant frequency and increases away from the resonance state, the mechanism efficiency is lowered and the stroke becomes smaller as the speed of the movable member 130 and the force for moving the movable member 130 decrease. In this case, the cooling force can be varied according to the load.
  • a mechanically designed linear compressor using a mechanical resonance frequency varying with a load does not require a separate control for varying a cooling force according to a load by directly applying a current. Not required to simplify control.
  • the natural or automatic cooling force variable is performed without the need to adjust the cooling force by forcibly or artificially changing the magnitude or frequency of the power applied to the linear motor.
  • a forced variable may also be possible.
  • the method of directly applying the current to the mechanism design method using the mechanical resonance frequency varying according to the load is just one example.
  • the mechanism design method that optimizes the relationship between slip and stroke regardless of the load is applied directly, the AC chopper method using the applied voltage variable, the Triac phase control method, the applied frequency variable Inverter method that is a method using the above can be applied.

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리니어 모터에 마그네트 대신 도체부재를 사용하여 자기 유도에 의해 구동력을 발생시키는 동시에 부하에 대응하여 자동적으로 또는 자연적으로 냉력을 가변시킬 수 있는 리니어 압축기에 관한 것이다. 본 발명인 리니어 압축기는 압축공간을 구비한 고정부재와, 고정부재 내부에서 왕복 직선 운동하면서 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재의 운동 방향으로 탄성 지지하도록 설치되는 적어도 하나 이상의 스프링과, 전류를 인가받아 자계를 형성하는 제1스테이터와, 제1스테이터와 일정 간격 이격되는 제2스테이터와, 제1스테이터 및 제2스테이터에 의해 형성된 자계에 의해 전자기 유도되어 가동부재를 직선 운동시키는 도체부재 및, 제1스테이터로의 전류 공급을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

리니어 압축기
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리니어 모터에 마그네트 대신 도체부재를 사용하여 자기 유도에 의해 구동력을 발생시키는 동시에 부하에 대응하여 자동적으로 또는 자연적으로 냉력을 가변시킬 수 있는 리니어 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축하여 압력을 높여주는 기계장치로서, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업 전반에 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(Cyliner) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor)와, 선회 스크롤(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 없이 압축효율을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 간단한 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 측면도이다. 종래의 리니어 압축기는 쉘(1) 내측에 프레임(2), 실린더(3), 피스톤(4), 흡입밸브(6), 토출밸브(7), 리니어 모터(10), 모터 커버(18), 서포터(19), 백 커버(20), 메인 스프링들(S1,S2), 흡입 머플러(21)로 이루어진 구조체가 탄성 지지되도록 설치된다.
실린더(3)가 프레임(2)에 끼움 고정되고, 토출밸브(7)가 실린더(3)의 일단을 막아주도록 설치되는 반면, 피스톤(4)이 실린더(3) 내측에 삽입되고, 박형의 흡입밸브(6)가 피스톤(4)의 흡입구(5)를 개폐시키도록 설치된다.
리니어 모터(10)는 이너 스테이터(12)와 아우터 스테이터(14) 사이에 간극을 유지하면서 마그네트 프레임(16)이 왕복 직선 운동 가능하도록 설치되되, 마그네트 프레임(16)이 피스톤 고정부(16c)에 의해 피스톤(4)과 연결되도록 설치되고, 이너 스테이터(12)와 아우터 스테이터(14) 및 마그네트 프레임(16) 사이에 상호 전자기력에 의해 마그네트 프레임(16)이 왕복 직선 운동하면서 피스톤(4)을 작동시킨다.
모터 커버(18)는 아우터 스테이터(14)를 고정시키기 위하여 아우터 스테이터(14)를 축방향으로 지지하는 동시에 프레임(2)에 볼트 고정되고, 백 커버(20)는 모터 커버(18)에 결합되되, 모터 커버(18)와 백 커버(20) 사이에는 피스톤(4)의 다른 일단과 연결된 서포터(19)가 메인 스프링들(S1,S2)에 의해 축방향으로 탄성 지지되도록 설치되고, 냉매를 흡입시키는 흡입 머플러 어셈블리(21) 역시 서포터(19)와 같이 체결된다.
이때, 메인 스프링들(S1,S2)은 서포터(19)를 기준으로 상하 및 좌우 대칭되는 위치에 4개의 전방 스프링(S1) 및 4개의 후방 스프링(S2)을 포함하되, 리니어 모터(10)가 작동됨에 따라 전방 스프링들(S1)과 후방 스프링들(S2)이 반대로 거동하면서 피스톤(4) 및 서포터(19)를 완충시킨다. 그 외에도 압축공간(P) 측의 냉매가 일종의 가스 스프링으로 작용하여 피스톤(4) 및 서포터(19)를 완충시킨다.
따라서, 리니어 모터(10)가 작동되면, 피스톤(4) 및 이와 연결된 흡입 머플러 어셈블리(21)가 왕복 직선 운동하게 되고, 압축공간(P)의 압력이 가변됨에 따라 흡입밸브(6) 및 토출밸브(7)의 작동이 자동적으로 조절되며, 이와 같은 작동에 의해 냉매가 흡입관(미도시), 흡입 머플러 어셈블리(21), 피스톤(4)의 흡입구(5)를 지나 압축공간(P)으로 흡입되어 압축된 다음, 토출캡(8), 루프 파이프(9) 및 쉘 측의 유출관(미도시)을 통하여 외부로 빠져나간다.
리니어 압축기의 리니어 모터(10)는 도 2과 같이 프레임(2)을 기준으로 이너스테이터(12) 및 아우터스테이터(12), 마그네트 프레임(16)으로 구성된다. 이너스테이터(12)는 라미네이션이 원주방향으로 적층되도록 구성되고, 아우터스테이터(14)는 코일 권선체(14a)에 코어 블록(14b)이 원주 방향으로 일정 간격을 두고 설치되도록 구성된다.
도 2는 종래 기술에 따른 마그네트 프레임의 사시도이다. 리니어 모터(10)의 이너 스테이터(12)와 아우터 스테이터(14) 사이에 위치되도록 원통 모양으로 형성된 프레임 본체(16a), 프레임 본체(16a)의 외부 일부에 고정되는 마그네트(16b)와, 프레임 본체(16a)의 일단에 피스톤(4)이 고정되도록 내측으로 연장된 피스톤 고정부(16c)이 구성되며, 마그네트(16b)의 일측으로 홀(16d)이 형성된다.
이때, 마그네트(16b)는 프레임 본체(16a)의 원주 방향으로 일정 간격마다 형성되되, 8개의 마그네트(16b)가 프레임 본체(16a)의 외부에 등간격으로 결합하는 것이 바람직하다.
그러나, 종래 기술에 따른 리니어 압축기는 이너스테이터와 아우터스테이터 사이에 마그네트가 상호 전자기력에 의해 왕복 직선 운동하도록 작동하되, 마그네트 자체가 고가이기 때문에 원통형 마그네트를 사용하기 어렵고, 여러 개의 막대 형태의 마그네트를 고정하여 마그네트 프레임을 제작하게 되더라도 제조 단가가 높아질 뿐 아니라 생산 비용이 높아지게 된다.
또한, 종래 기술에 따른 리니어 압축기는 리니어 모터를 부하에 대응하는 냉력 가변을 위하여 스트로크를 가변시키되, 이를 위하여 복잡한 제어부가 구비될 뿐 아니라 주변 부품들의 크기 및 사이즈에 대한 설계 제한이 동반되고, 나아가 복잡한 제어 방법이 요구되기 때문에 생산 비용이 높아질 뿐 아니라 제작하기 어렵고, 제어하기 위하여 소모되는 전력이 많아져 압축기 전체 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 마그네트 대신 도체부재를 이용하여, 리니어 모터의 형태 및 제어를 단순화하는 리니어 압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 리니어 모터가 외부에서 인가되는 전원의 변동에 영향을 받지 않을 뿐 아니라 별도의 제어 방법을 적용하지 않더라도, 부하에 대응하여 자동적으로 냉력이 가변하도록 하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 리니어 압축기에 구동력을 제공하는 리니어 모터의 구성을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 리니어 압축기는 압축공간을 구비한 고정부재와, 고정부재 내부에서 왕복 직선 운동하면서 냉매를 압축시키는 가동부재와, 가동부재의 운동 방향으로 탄성 지지하도록 설치되는 적어도 하나 이상의 스프링과, 전류를 인가받아 자계를 형성하는 제1스테이터와, 제1스테이터와 일정 간격 이격되는 제2스테이터와, 제1스테이터 및 제2스테이터에 의해 형성된 자계에 의해 전자기 유도되어 가동부재를 직선 운동시키는 도체부재 및, 제1스테이터로의 전류 공급을 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 도체부재와 도체부재를 연결하는 연결부재를 더 포함하고, 도체부재는 연결부재의 일단에 장착된 도체인 것이 바람직하다.
또한, 가동부재와 도체부재를 연결하는 연결부재를 더 포함하고, 도체부재는 연결부재의 일단에 장착된 링 형상의 철편 및 도체가 교대로 적층된 것이 바람직하다.
또한, 가동부재와 도체부재를 연결하는 연결부재를 더 포함하고, 도체부재는 연결부재의 일단에 권선된 도체선인 것이 바람직하다.
또한, 제1스테이터는 코일이 권선된 코일 권선체와, 코일 권선체에 장착된 코어로 이루어지며, 제어부는 도체부재에 일방향 자계가 형성되도록 코일 권선체에 전류의 공급을 온/오프 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 스프링은 냉매가 압축되는 방향으로 가동부재를 탄성 지지하도록 설치되는 제1스프링, 또는 냉매가 압축되는 방향과 반대 방향으로 가동부재를 탄성 지지하도록 설치되는 제2스프링 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 도체부재의 적어도 일부분이 제1스테이터와 제2스테이터 사이에 위치된 것이 바람직하다.
또한, 제1스테이터는 축방향으로 간격을 두고 각각 코일이 권선된 제1,2코일 권선체와, 제1,2코일 권선체에 장착된 코어로 이루어지며, 제어부는 도체부재에 양방향 자계가 형성되도록 제1,2코일 권선체에 위상차를 가진 전류를 공급하도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 및 제2코일 권선체는 동일 방향으로 코일이 감기고, 제1 및 제2코일 권선체 중의 하나의 권선체에는 캐패시터가 직렬로 연결된 것이 바람직하다.
또한, 제어부는 제1,2코일 권선체에 90° 위상차를 가진 전류를 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 스프링은 냉매가 압축되는 방향으로 가동부재를 탄성 지지하도록 설치되는 제1스프링, 및 냉매가 압축되는 방향과 반대 방향으로 가동부재를 탄성 지지하도록 설치되는 제2스프링인 것이 바람직하다.
또한, 가동부재가 일정 속도 이상으로 운전되면, 부하의 크기에 따라 가동부재의 속도와 가동부재를 운동시키는 힘이 서로 다른 비율로 반비례하는 것이 바람직하다.
또한, 부하가 커질수록 가동부재의 속도가 증가하고, 가동부재를 운동시키는 힘이 증가하는 것이 바람직하다.
또한, 제어부는 부하에 따라 자동적으로 스트로크를 가변시키도록 전류의 공급을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 부하가 커질수록 전기적 공진주파수가 기구적인 공진주파수와 근접하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 리니어 압축기는 압축공간을 구비한 고정부재, 도체 부재를 구비하여, 고정부재 내부에서 왕복 직선 운동하면서 냉매를 압축시키는 가동부재, 가동부재의 운동 방향으로 탄성 지지하도록 설치되는 복수 개의 스프링, 전류를 인가받아, 도체 부재를 자기 유도시키는 제1 스테이터, 제1 스테이터에 대응하여 위치되며, 제1 스테이터와의 이격 공간에 도체 부재의 적어도 일부분이 위치되도록 형성된 제2 스테이터와, 제1 스테이터로의 전원 공급 및 차단을 제어하는 제어부를 구비하고, 부하가 커질수록 전기적 공진주파수가 기구적인 공진주파수와 근접하여, 리니어 압축기는 자연 냉력 가변 제어를 수행하는 것이다.
본 발명은 마그네트 대신 도체부재를 사용하여 유도 자기에 의해 구동력을 제공하기 때문에 리니어 모터의 기구 및 제어가 단순해져 생산 비용을 저감시키고, 나아가 제어를 위한 별도의 구동부를 구비하지 않을 뿐만 아니라 최소의 소자만으로 구동 가능하므로 전체 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 리니어 모터가 외부에서 인가되는 전원의 변동에 영향을 받지 않을 뿐 아니라 별도의 제어 방법을 적용하지 않더라도, 부하에 대응하여 자동적으로 냉력이 가변하도록 스트로크를 가변시키기 때문에 냉각 효율을 극대화시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 리니어 압축기에 구동력을 제공하는 리니어 모터의 구성을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기의 측면도.
도 2는 종래 기술에 따른 마그네트 프레임의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제1 실시예가 도시된 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제2 실시예가 도시된 측단면도.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제3 실시예가 도시된 측단면도.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용되는 도체부재의 제1 실시예가 도시된 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용되는 도체부재의 제2 실시예가 도시된 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용되는 도체부재의 제3 실시예가 도시된 사시도.
도 9는 도 5에 도시된 리니어 모터의 인가 전류에 따른 자속 파형을 나타낸 그래프.
도 10은 도 5에 도시된 리니어 모터에 전류를 인가하기 위한 간략 회로도.
도 11은 도 5에 도시된 리니어 모터의 직선 왕복 자속 동작을 나타낸 그래프.
도 12는 도 5에 도시된 리니어 모터의 슬립과 토크와의 관계를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명은 실시예와 도면들을 통하여 상세하게 설명된다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 리니언 압축기의 다양한 실시예가 도시된 측단면도이다.
본 발명의 리니어 압축기는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 밀폐용기(100) 내에 냉매의 압축공간(P)을 구비한 고정부재(120)와, 고정부재(120) 내부에서 냉매를 압축시키는 가동부재(130)와, 가동부재(130)를 구동하는 리니어 모터(200)가 설치되되, 리니어 모터(200)는 제1,2 스테이터(220,240) 및, 제1 및 제2 스테이터(220), (240) 사이의 공간에 위치한 도체부재(260)를 포함하도록 구성된다.
제2 스테이터(240)는 고정부재(120)의 외주에 고정되고, 제1 스테이터(220)는 축방향으로 프레임(110)과 모터 커버(300)에 의해 고정되되, 프레임(110)과 모터 커버(300)가 볼트와 같은 체결 부재에 의해 체결되어 서로 결합되어, 프레임(110)과 모터 커버(300) 사이에서 제1 스테이터(220)가 고정된다. 프레임(110)은 고정부재(120)와 일체로 형성될 수도 있으며, 고정부재(120)와 별도로 제조되어 고정부재(120)와 결합될 수도 있다.
가동부재(130)의 후방에는 서포터(310)가 연결되고, 백 커버(320)는 모터 커버(300)의 후방에 결합되는데, 서포터(310)가 모터 커버(300)와 백 커버(320) 사이에 위치된다. 가동부재(130)의 왕복 직선 운동을 완충시키기 위하여 축방향으로 스프링들(S1,S2)이 설치되는데, 서포터(320)와 모터 커버(540)에 의해 양단이 지지되거나, 서포터(320)와 백 커버(560)에 의해 양단이 지지된다. 이때, 스프링들(S1,S2)의 자세한 설치 위치 및 탄성 계수 등은 리니어 모터(200)의 구성 및 작동에 따라 변경될 수 있는데, 하기에서 자세하게 설명하기로 한다.
또한, 가동부재(130)의 후방에는 흡입 머플러(700)가 구비되며, 흡입 머플러(140)를 통해 피스톤(300)으로 냉매가 유입되면서, 냉매 흡입시의 소음을 저감한다.
가동부재(130) 내부는 흡입 머플러(330)를 통해 유입된 냉매가 고정부재(120)와 가동부재(130) 사이에 형성되는 압축 공간(P)으로 유입되어 압축될 수 있도록 가동부재(130)의 선단의 일부가 중공되어 있다. 가동부재(130)의 선단에는 흡입밸브(미도시)가 설치되어 있으며, 흡입밸브(미도시)는 냉매가 가동부재(130)에서 압축 공간(P)으로 유입되도록 개방되며, 압축 공간(P)에서 다시 가동부재(130)으로 유입되지 않도록 가동부재(130)의 선단을 폐쇄한다.
압축 공간(P)에서 가동부재(130)에 의해 냉매가 소정의 압력 이상으로 압축되면, 고정부재(120)의 선단에 위치하는 토출 밸브(160)가 개방된다. 압축된 고압의 냉매는 토출캡(170) 내로 토출된 뒤, 루프 파이프(180)를 통해 리니어 압축기 외부로 토출되어 냉동 사이클을 순환한다.
리니어 모터(200)는 전류가 흐르는 제1 스테이터(220)와, 제1 스테이터(220)와 간극을 유지하는 제2 스테이터(240)와, 제1,2 스테이터(220)(240) 사이에 간극을 유지하도록 설치되어 제1 스테이터(220)에 의해 자기 유도되어 가동부재(130)를 왕복 직선 운동시키는 도체부재(260)로 구성되며, 상기 리니어 모터(200)는 제1 스테이터(220)에 전류의 공급을 제어하는 제어부(미도시)를 구비한다. 이때, 제1 스테이터(220)는 고정부재(120)로부터 상대적으로 멀리 떨어진 아우터스테이터이고, 제2 스테이터(240)는 고정부재(120)에 장착된 이너스테이터이다.
상기와 같이 구성된 리니어 압축기의 리니어 모터(200)는 일례로 두 개의 스테이터(220,240)가 모두 구비된 리니어 모터(200)를 사용하였으며, 전류가 흐르는 하나의 스테이터(220)만 구비한 통상의 리니어 모터(200) 이더라도 본 발명의 청구 범위에 포함된다. 또한, 리니어 압축기는 외부로부터 전원을 인가받을 수 있는 전원부(미도시)를 구비할 수 있으며, 이러한 전원부의 경우, 본 발명이 속하는 기술분야에 익숙한 사람에게는 당연히 구비되는 소자에 해당하여, 그 설명을 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1스테이터(220)의 실시예는 원주 방향으로 코일이 권선된 하나의 코일 권선체(221)에 코어 블록(222)이 장착되도록 구성되며, 제어부는 도체부재(260)에 일방향 자계가 형성되도록 코일 권선체(221)에 전류의 공급을 온/오프하도록 제어하되, 도체부재(260)가 냉매를 압축시키는 방향 즉, 상사점 방향으로 이동하도록 힘을 발생시키도록 한다. 이때, 가동부재(130)가 리니어 모터(200)에 의해 받는 힘에 대한 복원력을 부여하기 위하여 전방 메인 스프링들(S1)만 모터 커버(300)와 서포터(310) 사이에 설치되는 것이 바람직하며, 코일 권선체(221)의 코일 권선수에 비례하여 전방 메인 스프링들(S1)의 탄성 계수 및 개수가 결정되는 것이 바람직하다.
따라서, 코일 권선체(221)에 전류가 입력되면, 코일 권선체(221)를 따라 흐르는 전류에 의해 자속이 제1,2 스테이터(220,240)를 따라 폐회로를 형성하고, 이러한 자속에 의해 도체부재(260)에도 유도 자계가 형성됨에 따라 상사점 방향으로 힘을 받게 되고, 도체부재(260) 및 가동부재(130)가 상사점 방향으로 이동하면서 냉매를 압축시킨 다음, 코일 권선체(221)에 전류가 입력되지 않으면, 자속 및 유도 자계가 없어지면서 전방 메인 스프링들(S1)의 복원력에 의해 도체부재(260) 및 가동부재(130)가 하사점 방향으로 이동하게 되며, 이러한 과정을 반복하면서 냉매의 흡입, 압축 및 토출이 이루어진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1스테이터(220)의 다른 실시예는 상기의 실시예와 동일하게 원주 방향으로 코일이 권선된 하나의 코일 권선체(221)에 코어 블록(222)이 장착되도록 구성되며, 제어부는 도체부재(260)에 일방향 자계가 형성되도록 코일 권선체(221)에 전류의 공급을 온/오프하도록 제어하되, 상기의 실시예와 반대로 도체부재(260)가 냉매를 흡입하는 방향 즉, 하사점 방향으로 이동하도록 힘을 발생시키도록 한다. 이때, 가동부재(130)가 리니어 모터(200)에 의해 받는 힘에 대한 복원력을 부여하기 위하여 후방 메인 스프링들(S2)만 서포터(310)와 백 커버(320) 사이에 설치되는 것이 바람직하며, 상기의 실시예와 마찬가지로 코일 권선체(221)의 코일 권선수에 비례하여 후방 메인 스프링들(S2)의 탄성 계수 및 개수가 결정되는 것이 바람직하다.
따라서, 코일 권선체(221)에 전류가 입력되면, 코일 권선체(221)를 따라 흐르는 전류에 의해 자속이 제1,2 스테이터(220,240)를 따라 폐회로를 형성하고, 이러한 자속에 의해 도체부재(260)에도 유도 자계가 형성됨에 따라 하사점 방향으로 힘을 받게 되고, 도체부재(260) 및 가동부재(130)가 하사점 방향으로 이동하면서 냉매를 흡입한 다음, 코일 권선체(221)에 전류가 입력되지 않으면, 자속 및 유도 자계가 없어지면서 후방 메인 스프링들(S2)의 복원력에 의해 도체부재(260) 및 가동부재(130)가 상사점 방향으로 이동하게 되며, 이러한 과정을 반복하면서 냉매의 흡입, 압축 및 토출이 이루어진다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1스테이터(220)의 또 다른 실시예는 원주 방향으로 코일이 권선된 제1,2 코일 권선체(221A,221B)가 축방향으로 일정 간격을 두고 위치하고, 제1,2 코일 권선체(221A,221B)에 코어 블록(222)이 장착되도록 구성된다. 제1, 2 코일 권선체(221A, 221B)에 권선되는 코일은 동일한 방향으로 권선되며, 제어부는 도체부재(260)에 양방향 자계가 형성되도록 제1,2 코일 권선체(221A,221B)에 90°의 위상 차를 가진 전류를 각각 공급하도록 제어하되, 도체부재(260)가 냉매를 압축시키는 방향 즉, 상사점 방향으로 힘을 발생시키고, 냉매를 흡입하는 방향 즉, 하사점 방향으로 이동하도록 힘을 발생시키는 과정을 반복하게 된다.
이때, 가동부재(130)가 리니어 모터(200)에 의해 받는 힘에 대한 복원력을 부여하기 위하여 전방 메인 스프링들(S1)이 모터 커버(300)와 서포터(310) 사이에 설치되는 동시에 후방 메인 스프링들(S2)이 서포터(310)와 백 커버(320) 사이에 설치되는 것이 바람직하며, 제,2 코일 권선체(221A,221B)의 코일 권선수에 비례하여 전방 메인 스프링들(S1) 및 후방 메인 스프링들(S2)의 탄성 계수 및 개수가 결정되는 것이 바람직하다.
따라서, 제1 코일 권선체(221A)에 전류가 입력될 때, 제1,2 코일 권선체(221A,221B)에 위상 차가 90°인 교류 파형을 가진 전류가 입력됨에 따라 자속 역시 교류 파형을 띄게 나타난다. 이러한 자속에 의해 도체부재(260)에도 유도 자계가 형성됨에 따라 상사점 방향과 하사점 방향으로 힘을 교대로 받게 되고, 도체부재(260) 및 가동부재(130)가 상사점 방향으로 이동하면서 냉매를 압축시킨 다음, 반대로 하사점 방향으로 이동하면서 냉매를 흡입하는 과정을 반복하게 된다.
상기와 같이 구성된 리니어 압축기에 적용되는 도체부재(260)의 구성 및 작동을 하기에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용되는 도체부재의 다양한 실시예가 도시된 사시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 도체부재(260)의 일예는 구리, 알루미늄 등과 같은 도체 재질로 연결부재(290)에 대응하는 형상을 지니며, 예를 들면 원통 형상으로 형성된다. 이때, 도체부재(260)는 연결부재(290)의 일단에 접착제 또는 접착 부재에 의해 장착되고, 연결부재(290)는 도체부재(260)를 가동부재(130)와 연결하도록 설치된다. 물론, 연결부재(290)는 기존의 구성과 동일하게 형성되는데, 도체부재(260)가 장착되는 부분을 제외한 부분에 유로 저항을 줄이거나, 방열을 위하여 각종 홀(291)이 구비된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 도체부재(270)의 다른 일예는 링 형상의 철편(270a)과 링도체(270b)가 축방향으로 교대로 적층된 원통 형상으로 형성되되, 상기에서와 마찬가지로 도체부재(270)는 연결부재(290)의 일단에 접착제 또는 접착 부재에 의해 장착되고, 연결부재(290)는 도체부재(270)를 가동부재(130)와 연결하도록 설치된다. 링도체(270b)는 구리, 알루미늄 등의 도체 재질로 이루어질 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 도체부재(280)의 또 다른 일예는 도체선이 권선된 형태로 형성되되, 연결부재(290)의 일단 외측 또는 외측에 감기도록 장착되고, 연결부재(290)는 도체부재(280)를 가동부재(130)와 연결하도록 설치된다.
도 6 내지 도 8에 나타난 도체부재(260,270b,280)는 알루미늄 또는 구리로 형성되는 것이 바람직하며, 전자기력에 의해 자기 유도되는 성질을 가진다. 이와 같은 도체부재(260,270,280)를 리니어 모터(200)에 적용시키기 때문에 마그네트를 적용하는 종래의 기술에 비해 제작 비용이 저감된다.
도 9는 도 5에 도시된 리니어 모터의 인가 전류에 따른 자속 파형을 나타낸 그래프이다. 제어부가 제1,2 코일 권선체(221A,221B)를 구비한 리니어 모터(200)에 전원을 인가하면, 제1 스테이터(220)에 흐르는 전류는 제1 코일 권선체(221A)의 전류 IM과 제2 코일 권선체(221B)의 전류 IA가 90° 위상차를 갖는 교류 파형을 가진다. 이로 인하여 전류에 의한 제1 스테이터(220)의 합성 자계 BS도 교류 파형으로 나타나는데, 전류 IM과 IA 파형과 같이 양,음 방향으로 교번하면서 선형 왕복하는 자계가 형성된다.
도 10은 도 5에 도시된 리니어 모터에 전류를 인가하기 위한 간략 회로도이다. 예를 들면, 교류 전류가 단자(I-I')로 인가되면, 제2코일 권선체(221A)에 인가되는 전류 IA 는 교류 전류가 캐패시터(C)를 통하여 인가된 것으로, 코일 권선체(221A)에 인가되는 전류 IM와 90°위상차를 지니게 된다.
도 11은 도 5에 도시된 리니어 모터의 직선 왕복 자속 동작을 나타낸 그래프이다. 전류가 인가됨에 따라 제1 코일 권선체(221A)의 전류 IM과 제2 코일 권선체(221B)의 전류 IA 및 제1 스테이터(220)의 합성 자계 BS를 나타난 그래프로서, 한 주기 내에 위치한 a 내지 f 지점에서 리니어 모터(200)의 직선 왕복 자속 동작을 표로 나타내었다. 즉, 도 10의 표는 a 내지 f 지점에서 인가 전압에 따른 제1,2 코일 권선체(221A,221B)가 N-S극, S-N으로 착자되는 과정이 반복되는 것을 나타내었다.
구체적으로, a, b, c 지점에서는 IM과 IA의 합인 BS가 양의 방향으로, N극으로 나타나되, 그 크기가 커졌다가 작아지고, d, e, f 지점에서는 IM과 IA의 자계합인 BS가 음의 방향, S극으로 나타나되, 역시 그 크기가 커졌다가 작아지도록 나타난다. 상기와 같이 제1 코일 권선체(221A)와 제2 코일 권선체(221B)에 의해 자속이 양/음의 방향으로 교번되며, 제1,2 스테이터(220,240)의 전자기력과 도체부재(260)의 유도 자기가 상호 작용하면서 가동된다.
도 12는 본 발명에 따른 적용한 리니어 모터의 슬립(Slip)과 토크(Torque)와의 관계를 나타낸 그래프이다.
보통, 리니어 압축기는 효율을 높이기 위하여 공진 상태에서 운전되도록 설계되는 것이 바람직하되, 부하가 커질수록 리니어 압축기 내의 냉매 가스가 팽창함에 따라 가스 스프링의 탄성 계수가 커지고, 그에 따라 리니어 압축기의 기구적인 공진 주파수 역시 커지게 되며, 공진 상태에서 운전시키기 위하여 전기적 공진 주파수인 LC 공진 주파수(상술된 제1코일 권선체(221A) 및/또는 제2코일 권선체(221B) 및/또는 캐패시터(C)에 의한 공진 주파수) 역시 부하에 따라 가변되는 기구적인 공진 주파수와 일치하도록 가변되는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따라 도체부재(260)가 적용된 리니어 모터(200)가 채용한 리니어 압축기에서도, 부하에 따라 LC 공진 주파수를 가변시켜 기구적인 공진 주파수를 추종하도록 설계된다. 즉, 주변 온도가 저온에서 고온으로 높아지는 것과 같이 부하가 증가하면, 냉매 가스의 탄성 계수가 커지기 때문에 고온 상태에서 가동부재의 속도가 저온 상태에서 가동부재의 속도보다 느려져서 냉력이 감소되는데, 이를 보상하기 위하여 고온 상태에서 LC 공진 주파수를 기구적인 공진 주파수와 일치시켜 공진에 의한 기구 효율을 높이도록 한다. 따라서, 고온 상태에서 LC 공진 주파수가 기구적인 공진 주파수와 근접하도록 설계되는 반면, 저온 상태에서 LC 공진 주파수가 자동적으로 기구적인 공진 주파수보다 커지게 설계된다. 이때, 고온 상태에서도 공진 운전하는 것보다 소음 저감을 위하여 공진 상태에 근접하도록 운전하는 것이 바람직하다.
따라서, 고부하를 기준으로 LC 공진 주파수가 기구적인 공진 주파수와 일치하거나 거의 일치하도록 설계한 리니어 압축기를 일예로 냉장고에 적용하면, 리니어 모터(200)는 냉동 능력을 자동적으로 조절하고, 냉장고는 부하에 따라 자연 냉력 가변된다.
보다 상세하게, 도체부재(260)가 적용된 리니어 모터(200)가 작동됨에 따라 가동부재(130)의 속도인 슬립과 가동부재(130)를 운동시키는 힘인 토크 사이의 관계를 살펴보면, 도 12에 도시된 바와 같이 리니어 모터(200)가 초기 가동되면, 슬립과 토크가 비례하여 상승하지만, 슬립이 일정 값 또는 설정값 이상으로 안정적으로 운전되면, 부하에 상관없이 슬립과 토크가 반비례하도록 나타난다. 이때, 부하에 따라 S-T 곡선이 다르게 나타나는데, A는 저온 상태의 S-T 곡선이고, B는 고온 상태의 S-T 곡선이며, C는 기구적인 공진 주파수가 가변되는 것을 고려하여 산출된 S-T 곡선이다.
즉, 저온영역(Ⅱ)에서 고온영역(Ⅰ)으로 이동하는 상태에서 리니어 모터(200)가 작동되면, 가동부재(130)의 속도가 동기속도 근처에 있다가 감소하게 되는데, 가동부재(130)의 속도가 감소되더라도 LC 공진 주파수가 기구적인 공진 주파수에 근접하여 공진 상태에서 작동되도록 하기 때문에 기구 효율을 극대화시켜 가동부재(130)의 속도 및 가동부재(130)를 운동시키는 힘이 증가함에 따라 스트로크가 커지게 되고, 부하에 따른 냉력 가변이 이루어진다. 물론, 고부하에서 LC 공진 주파수를 기구적인 공진 주파수와 일치 또는 근접하도록 설계되기 때문에 가동부재(130)가 상사점까지 도달하도록 운전되면서 안정적으로 압축작용이 이루어지고, 공진 상태에서 운전이 이루어짐으로 압축기의 효율이 최대가 된다.
반면, 고온영역(Ⅰ)에서 저온영역(Ⅱ)으로 이동하는 상태에서 리니어 모터(200)가 작동되면, 가동부재(130)의 속도가 동기속도 근처에서 운전되는데, 가동부재(130)의 속도가 증가하더라도 LC 공진 주파수가 기구적인 공진주파수보다 과도하게 커져서 공진 상태에서 멀어지기 때문에 기구 효율이 저하되어 가동부재(130)의 속도 및 가동부재(130)를 운동시키는 힘이 감소함에 따라 스트로크가 작아지고, 부하에 따른 냉력 가변이 이루어진다.
상기와 같이 부하에 따라 가변하는 기구적인 공진 주파수를 이용한 기구 설계된 리니어 압축기는 전류를 직접 인가하는 방식으로 부하에 따라 냉력을 가변시키기 위한 별도의 제어가 요구되지 않기 때문에 별도의 제어장치 및 제어방법이 요구되지 않아 제어를 단순화시킬 수 있다. 본 실시예의 리니어 압축기는 리니어 모터에 인가되는 전원의 크기 또는 주파수를 강제적으로 또는 인위적으로 가변하여 냉력을 조절할 필요없이, 자연적인 또는 자동적인 냉력 가변이 수행된다. 물론, 자연 냉력 가변이 수행 중에, 강제적인 가변도 가능할 수 있다.
이와 같이, 부하에 따라 자연 냉력 가변을 위한 제어 방법 중에서, 부하에 따라 가변하는 기구적인 공진 주파수를 이용한 기구 설계 방법으로 전류를 직접 인가하는 방식은 일예에 불과하다. 그 외에도, 부하에 상관없이 슬립과 스트로크의 관계를 최적화한 기구 설계 방법으로 직접 인가 방식, 인가 전압 가변을 이용한 방법인 AC 쵸퍼(AC chopper) 방식 및 트라이악(Triac) 위상 제어 방식, 인가 주파수 가변을 이용한 방법인 인버터(Inveter) 방식이 모두 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 이루어질 수 있으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

Claims (18)

  1. 압축공간을 구비한 고정부재와;
    고정부재 내부에서 왕복 직선 운동하면서 냉매를 압축시키는 가동부재와;
    가동부재의 운동 방향으로 탄성 지지하도록 설치되는 적어도 하나 이상의 스프링과;
    전류를 인가받아 자계를 형성하는 제1스테이터와;
    제1스테이터와 일정 간격 이격되는 제2스테이터와;
    제1스테이터 및 제2스테이터에 의해 형성된 자계에 의해 전자기 유도되어 가동부재를 직선 운동시키는 도체부재 및;
    제1스테이터로의 전류 공급을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    가동부재와 도체부재를 연결하는 연결부재를 더 포함하고,
    도체부재는 연결부재의 일단에 장착된 도체인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제1항에 있어서,
    가동부재와 도체부재를 연결하는 연결부재를 더 포함하고,
    도체부재는 연결부재의 일단에 장착된 링 형상의 철편 및 도체가 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    가동부재와 도체부재를 연결하는 연결부재를 더 포함하고,
    도체부재는 연결부재의 일단에 권선된 도체선인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제1항에 있어서,
    제1스테이터는 코일이 권선된 코일 권선체와, 코일 권선체에 장착된 코어로 이루어지며,
    제어부는 도체부재에 일방향 자계가 형성되도록 코일 권선체에 전류의 공급을 온/오프 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제5항에 있어서,
    스프링은 냉매가 압축되는 방향으로 가동부재를 탄성 지지하도록 설치되는 제1스프링, 또는 냉매가 압축되는 방향과 반대 방향으로 가동부재를 탄성 지지하도록 설치되는 제2스프링 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  7. 제1항에 있어서,
    도체부재의 적어도 일부분이 제1스테이터와 제2스테이터 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 제7항에 있어서,
    제1스테이터는 축방향으로 간격을 두고 각각 코일이 권선된 제1,2코일 권선체와, 제1,2코일 권선체에 장착된 코어로 이루어지며,
    제어부는 도체부재에 양방향 자계가 형성되도록 제1,2코일 권선체에 위상차를 가진 전류를 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제8항에 있어서, 제1 및 제2코일 권선체는 동일 방향으로 코일이 감기고, 제1 및 제2코일 권선체 중의 하나의 권선체에는 캐패시터가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 제8항에 있어서,
    제어부는 제1,2코일 권선체에 90° 위상차를 가진 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  11. 제8항에 있어서,
    스프링은 냉매가 압축되는 방향으로 가동부재를 탄성 지지하도록 설치되는 제1스프링, 및 냉매가 압축되는 방향과 반대 방향으로 가동부재를 탄성 지지하도록 설치되는 제2스프링인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    가동부재가 일정속도 이상으로 운전되면, 부하의 크기에 따라 가동부재의 속도와 가동부재를 운동시키는 힘이 서로 다른 비율로 반비례하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  13. 제12항에 있어서,
    부하가 커질수록 가동부재의 속도가 증가하고, 가동부재를 운동시키는 힘이 증가하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  14. 제13항에 있어서,
    제어부는 부하에 따라 자동적으로 스트로크를 가변시키도록 전류의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  15. 제12항에 있어서, 부하가 커질수록 전기적 공진주파수가 기구적인 공진주파수와 근접하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  16. 압축공간을 구비한 고정부재;
    도체 부재를 구비하여, 고정부재 내부에서 왕복 직선 운동하면서 냉매를 압축시키는 가동부재;
    가동부재의 운동 방향으로 탄성 지지하도록 설치되는 복수 개의 스프링; 그리고,
    전류를 인가받아, 도체 부재를 자기 유도시키는 제1 스테이터;
    제1 스테이터에 대응하여 위치되며, 제1 스테이터와의 이격 공간에 도체 부재의 적어도 일부분이 위치되도록 형성된 제2 스테이터와;
    제1 스테이터로의 전원 공급 및 차단을 제어하는 제어부를 구비하고, 부하가 커질수록 전기적 공진주파수가 기구적인 공진주파수와 근접하여, 리니어 압축기는 자연 냉력 가변 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  17. 제16항에 있어서,
    가동부재가 일정 속도 이상으로 운전되면, 부하의 크기에 따라 가동부재의 속도와 가동부재를 운동시키는 힘이 서로 다른 비율로 반비례하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 제어부는 제1 스테이터로의 전원의 크기 또는 주파수를 가변하여, 강제 냉력 가변 제어를 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
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