WO2012005531A2 - 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것이다. 본 발명은, 왕복동모터와 압축부의 실린더를 밀폐용기에 밀착시켜 고정함으로써 상기 압축기본체와 밀폐용기 사이의 간격을 줄여 압축기의 크기를 축소할 수 있다. 또, 상기 왕복동모터의 가동자와 압축부의 피스톤을 분리함에 따라 압축기의 조립공정을 간소화할 수 있다. 또, 상기 왕복동모터와 압축부를 이루는 부재들의 질량과 이를 지지하는 스프링의 탄성을 적절히 조정하여 밀폐용기에 가해지는 힘을 상쇄시킴으로써 밀폐용기의 진동을 최소화할 수 있다. 또, 상기 왕복동모터의 상대 속도를 압축부의 상대 속도보다 더 크게 하여 모터의 효율을 상승시킬 수 있다.

Description

왕복동식 압축기

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 진동을 이용한 왕복동식 압축기에 관한 것이다.

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

상기 연결형 왕복동식 압축기는 상기 피스톤이 회전모터의 회전축에 컨넥팅 로드로 연결되어 실린더에서 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이다. 반면, 상기 진동형 왕복동식 압축기는 피스톤이 왕복운동을 하는 왕복동모터의 가동자에 연결되어 함께 진동하면서 실린더에서 왕복운동을 하여 냉매를 압축하는 방식이다. 본 발명은 진동형 왕복동식 압축기에 관한 것으로 이하에서는 진동형 왕복동식 압축기를 왕복동식 압축기라고 약칭한다.

상기 왕복동식 압축기는 왕복동모터의 자속(magnet flux) 방향을 따라 상기 피스톤과 실린더가 상대 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입, 압축하여 토출하는 일련의 과정을 반복하게 된다.

그러나, 종래의 왕복동식 압축기는, 왕복동모터와 압축부로 된 압축기본체가 코일스프링으로 된 지지스프링에 의해 밀폐용기의 내부공간에 지지되어 횡방향으로 진동 가능하게 설치됨에 따라 상기 밀폐용기와 압축기본체 사이에는 지지스프링으로 지지되는 만큼의 일정한 간격이 필요하게 되고 이로 인해 압축기의 크기가 커지는 문제점이 있었다.

또, 종래의 왕복동식 압축기는, 상기 왕복동모터의 가동자와 압축부의 피스톤이 결합되어 조립됨에 따라 상기 가동자와 피스톤의 동심도가 일치되어야 하므로 그만큼 압축기의 조립공정이 난해하게 되는 문제점도 있었다.

또, 종래의 왕복동식 압축기는, 상기 지지스프링이 왕복동모터의 고정자와 압축부의 실린더에 연결되어 밀폐용기에 고정됨에 따라 상기 왕복동모터의 진동과 압축부의 진동이 밀폐용기로 전달되어 압축기 진동이 증가하는 문제점도 있었다.

또, 종래의 왕복동식 압축기는, 상기 왕복동모터의 고정자가 압축부의 실린더에 일체로 결합되거나 또는 공진스프링에 의해 연결되고 상기 왕복동모터의 가동자와 압축부의 피스톤이 연결됨에 따라 상기 왕복동모터의 속도와 압축부의 상대 속도가 동일하게 된다. 이로 인해 상기 왕복동모터의 속도를 높이는데 한계가 있어 압축기 효율이 저하되는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은, 압축기본체와 밀폐용기 사이의 간격을 줄여 소형화된 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 왕복동모터의 가동자와 압축부의 피스톤을 용이하게 조립할 수 있도록 하여 압축기의 조립공정을 간소화할 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 왕복동모터의 진동과 압축부의 진동을 상쇄시켜 압축기 진동을 감쇄시킬 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 왕복동모터의 상대 속도와 압축부의 상대 속도를 다르게 제어하여 왕복동모터의 속도를 향상시키고 이를 통해 압축기의 효율을 높일 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 밀폐용기; 상기 밀폐용기의 내부에 고정자가 고정되고, 그 고정자의 공극(air gap)에서 가동자가 왕복운동을 하는 왕복동모터; 상기 가동자와 분리되고 상기 밀폐용기에 탄력적으로 지지되어 왕복운동을 하는 피스톤; 및 상기 피스톤이 삽입되어 압축공간을 형성하도록 상기 왕복동모터와 일정 간격을 두고 상기 밀폐용기의 내부에 고정되는 실린더;를 포함하는 왕복동식 압축기가 제공된다.

또, 흡입관과 토출관이 연통되는 밀폐용기; 상기 밀폐용기에 고정자가 고정되고, 상기 고정자에 대해 가동자가 왕복운동을 하도록 구비되는 왕복동모터; 상기 밀폐용기의 내부에 고정 결합되는 실린더; 상기 실린더에 미끄러지게 삽입되어 왕복운동을 하면서 상기 밀폐용기의 내부공간으로 흡입되는 냉매를 압축하는 피스톤; 상기 가동자를 밀폐용기에 대해 탄력 지지하여 상기 가동자의 공진운동을 유도하는 제1 공진스프링; 및 상기 피스톤을 밀폐용기에 대해 탄력 지지하여 상기 피스톤의 공진운동을 유도하는 제2 공진스프링;을 포함하는 왕복동식 압축기가 제공된다.

본 발명에 의한 왕복동식 압축기기는, 상기 왕복동모터의 고정자와 상기 압축부의 실린더를 상기 밀폐용기에 밀착시켜 고정함으로써 상기 압축기본체와 밀폐용기 사이의 간격을 줄여 압축기의 크기를 축소할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 압축부의 실린더가 밀폐용기에 밀착되어 있기 때문에 루프파이프와 같은 별도의 파이프를 구성할 필요가 없어 제조비용을 절감할 수 있다.

또, 상기 왕복동모터의 가동자와 압축부의 피스톤을 분리함으로써 상기 가동자와 피스톤의 동심도를 일치시키지 않아도 되므로 압축기의 조립공정이 간소화될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 왕복동모터의 진동이 밀폐용기를 통해 압축부로 전달되므로 상기 밀폐용기의 진동이 감쇄될 수 있다.

또, 상기 왕복동모터의 고정자 질량과 지지스프링의 강성, 그리고 왕복동모터의 가동자 질량 및 압축부의 피스톤 질량과 공진스프링의 강성을 적절히 조정하면 상기 밀폐용기에 가해지는 힘을 서로 상쇄시킬 수 있고 이를 통해 밀폐용기의 진동을 최소화할 수 있다.

또, 상기 왕복동모터의 상대 속도를 압축부의 상대 속도보다 더 크게 할 수 있고, 이를 통해 모터의 효율을 상승시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도,

도 2는 도 1에 따른 왕복동식 압축기에서 왕복동모터의 일부를 보인 종단면도,

도 3은 도 1에 따른 왕복동식 압축기의 구조를 설명하기 위해 보인 개요도,

도 4는 도 1에 따른 왕복동식 압축기의 기계적 손실과 모터효율을 보인 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 왕복동식 압축기의 다른 예를 보인 종단면도.

이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기를 첨부도면에 도시된 왕복동식 압축기를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 2는 도 1에 따른 왕복동식 압축기에서 왕복동모터의 일부를 보인 종단면도이며, 도 3은 도 1에 따른 왕복동식 압축기의 구조를 설명하기 위해 보인 개요도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 밀폐용기(100)의 양단에 각각 가스흡입관(110)과 가스토출관(120)이 연통되고, 상기 밀폐용기(100)의 내부에는 가동자(230)가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터(200)가 설치되며, 상기 왕복동모터(200)의 가동자(230)와 분리되는 피스톤(320)이 상기 가동자(230)에 대해 독립적으로 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 압축부(300)가 상기 왕복동모터(200)와 일정 간격을 두고 밀폐용기(100)의 내부에 설치된다.

상기 밀폐용기(100)는 상기 가동자(230)의 운동방향으로 진동할 수 있도록 설치면에 대해 탄력 지지되고, 양측에 가스흡입관(110)과 가스토출관(120)이 관통되어 각각 연결된다. 상기 가스흡입관(110)은 그 끝단이 상기 밀폐용기(100)의 내부공간(130)에 연통되도록 연결되는 반면 상기 가스토출관(120)은 그 끝단이 후술할 토출커버(360)에 직접 연결된다.

그리고 상기 밀폐용기(100)의 내주면 양측에는 후술할 가동자(230)와 피스톤(320)을 탄력 지지하는 공진스프링들((251)(252))((361)(362))의 일단을 각각 지지하도록 제1 스프링서포터(140)와 제2 스프링서포터(150)가 소정의 간격을 두고 일체로 형성된다.

상기 왕복동모터(200)는 코일(211)이 구비되어 상기 밀폐용기(100)에 고정되는 외측고정자(210)와, 상기 외측고정자(210)의 안쪽에 소정 간격의 공극(air gap)을 두고 설치되어 상기 외측고정자(210)와 함께 상기 밀폐용기(100)에 고정되는 내측고정자(220)와, 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220) 사이에서 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(230)로 이루어진다.

상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220)는 상기 코일(211)을 중심으로 양측에 각각 공극이 형성될 수도 있으나, 이 경우 상기 코일(211)과 마그네트(232)에 의해 발생되는 자속이 고정자의 외부로 누설될 수 있을 뿐만 아니라 마그네트(232)의 길이가 길어져 제조비용이 증가할 수 있다. 따라서, 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220)는 상기 코일(211)을 중심으로 일측은 서로 연결되는 반면 타측은 공극이 형성되도록 서로 이격되는 소위 '1폴2갭' 형상으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 고정자는 도 2에서와 같이 코일(130)이 구비되고 원통모양으로 형성되는 외측고정자(210)와, 상기 외측고정자(210)의 내측에 상기 코일(211)을 중심으로 한쪽은 서로 연결되는 반면 다른 한 쪽은 소정의 공극을 두고 배치되는 내측고정자(220)로 이루어진다.

상기 고정자는 그 안쪽에 환형의 코일이 설치되어야 하므로 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220)는 일체형으로 형성하는 것보다는 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220)를 각각 디귿(ㄷ)자 모양과 일(ㅡ)자 모양으로 형성하여 용접 등으로 조립하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 가동자(230)는 원통모양으로 마그네트 홀더(231)가 형성되고, 상기 마그네트 홀더(231)의 외주면에는 복수 개의 마그네트(232)가 고정 결합된다. 그리고 상기 마그네트 홀더(231)의 일측 끝단에는 상기 가동자측 서포터(240)가 결합되고, 상기 가동자측 서포터(240)의 양측에는 모터측 제1 공진스프링(251)과 모터측 제2 공진스프링(252)이 설치된다. 상기 모터측 제1 공진스프링(251)과 모터측 제2 공진스프링(252)의 타단은 각각 상기 밀폐용기(100)의 제1 스프링서포터(140)와 제2 스프링서포터(150)의 일측면에 고정된다.

상기 모터측 공진스프링들(251)(252)은 한 개의 압축코일스프링으로 이루어질 수도 있지만 경우에 따라서는 원주방향을 따라 복수 개의 압축코일스프링으로 이루어질 수도 있다.

상기 압축부(300)는 상기 밀폐용기(100)의 내주면에 고정 결합되는 실린더(310)와, 상기 왕복동모터(200)의 가동자(230)에 결합되어 상기 실린더(310)의 압축공간(311)에서 왕복운동을 하는 피스톤(320)과, 상기 피스톤(320)의 흡입유로(321)를 개폐하도록 그 피스톤(320)의 선단에 장착되어 상기 압축공간(311)의 흡입측을 개폐하는 흡입밸브(330)와, 상기 실린더(310)에 착탈 가능하게 설치되어 상기 압축공간(311)의 토출측을 개폐하는 토출밸브(340)와, 상기 토출밸브(340)를 탄력적으로 지지하는 밸브스프링(350)으로 이루어진다.

상기 실린더(310)는 그 외주면이 상기 밀폐용기(100)의 내주면에 밀착되도록 고정되고, 상기 실린더(310)의 중앙부에는 상기 압축공간(311)이 환형으로 형성되며, 상기 압축공간(311)의 바깥쪽에는 상기 토출밸브(340)와 밸브스프링(350)이 수용되는 토출공간(312)이 연이어 형성된다. 상기 토출공간(312)에는 상기 가스토출관(120)이 직접 연통되어 밀봉되도록 연결된다.

상기 피스톤(320)은 그 내부에 흡입유로(321)가 구비되도록 원통모양으로 형성되고, 상기 흡입유로(321)의 출구단에는 복수 개 흡입통공(322)이 연통되도록 형성될 수 있다. 그리고 상기 피스톤(320)의 일측 끝단에는 피스톤스토퍼(323)가 결합되고, 상기 피스톤스토퍼(323)의 양측에는 각각 압축부측 제1 공진스프링(361)과 제2 공진스프링(362)이 각각 설치된다. 상기 압축부측 제1 공진스프링(361)과 제2 공진스프링(362)의 타단은 상기 실린더(310)와 제2 스프링서토퍼(150)의 타단에 고정 결합된다.

상기 압축부측 공진스프링들(361)(362)은 한 개의 압축코일스프링으로 이루어질 수도 있지만 경우에 따라서는 원주방향을 따라 복수 개의 압축코일스프링으로 이루어질 수도 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 도 3에서와 같이, 상기 왕복동모터(200)의 코일(211)에 전원이 인가되어 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220)의 사이에 자속이 형성되면, 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220) 사이의 공극에 놓인 상기 가동자(230)가 자속의 방향을 따라 움직이면서 상기 모터측 공진스프링들(251)(252))에 의해 지속적으로 왕복운동을 하게 된다.

그러면 상기 가동자(230)의 왕복운동으로 인해 1차 진동이 발생되고, 이 1차 진동은 상기 밀폐용기(100)로 전달된다.

그러면 상기 밀폐용기(100)를 통해 1차 진동을 전달받은 피스톤(320)이 압축부측 공진스프링들(361)(362)에 탄력 지지된 상태에서 2차 진동을 발생하여 왕복운동을 하게 된다. 상기 피스톤(320)이 지속적으로 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하여 냉동사이클 시스템으로 토출시키는 일련의 과정을 반복하게 된다.

여기서, 상기 왕복동모터의 고정자 질량과 모터측 공진스프링들의 강성, 그리고 상기 왕복동모터의 가동자 질량 및 압축부의 피스톤 질량과 압축부측 공진스프링들의 강성을 적절히 조정하면 상기 밀폐용기에 가해지는 힘을 서로 상쇄시킬 수 있고 이를 통해 밀폐용기의 진동을 최소화할 수 있다. 아울러, 상기 왕복동모터와 압축부가 밀폐용기를 매개로 하여 상호 동흡진기 역할을 하게 되므로 왕복동식 압축기의 진동이 감쇄될 수 있다.

또, 상기 왕복동모터의 고정자가 변위를 갖기 때문에 상기 왕복동모터의 가동자와 고정자의 상대 변위와 상기 압축부의 피스톤과 실린더의 상대 변위가 달라진다. 이러한 특성을 이용하여 상기 왕복동모터의 상대 속도를 압축부의 상대 속도보다 더 크게 할 수 있고, 이러한 특성은 도 4에서와 같이 저속에서의 모터효율이 향상되어 전체적으로 모터의 입력손실이 감소하면서 모터의 효율을 상승시키는 요인이 된다.

또, 상기 왕복동모터의 고정자와 압축부의 실린더를 상기 밀폐용기에 밀착시켜 고정함으로써 상기 압축기본체와 밀폐용기 사이의 간격을 줄여 압축기의 크기를 축소할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 압축부의 실린더가 밀폐용기에 밀착되어 있기 때문에 압축된 냉매를 사이클로 보내기 위해 탄성을 갖는 루프파이프와 같은 별도의 파이프를 구성할 필요가 없어 제조비용을 절감할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 왕복동모터의 가동자를 공진스프링으로 지지하는 것이었으나, 본 실시예는 도 5에서와 같이 상기 가동자(230)를 자유상태에서 왕복운동을 하도록 상기 외측고정자(210)와 내측고정자(220) 사이의 공극에 왕복운동 가능하게 설치하는 것이다.

이 경우에도 왕복동식 압축기의 기본적이 구성과 작용효과는 전술한 실시예와 대동소이하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예는 상기 가동자(230)가 자유상태로 공극에 놓여 자속에 따라 왕복운동을 하게 되므로 상기 가동자(230)가 원활하게 왕복운동을 하도록 하기 위해서는 상기 왕복동모터(200)의 고정자는 전술한 실시예와 같은 소위 '1폴2갭' 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

아울러, 본 실시예는 상기 가동자(1230)를 탄력 지지하기 위한 별도의 모터측 공진스프링들과 이 모터측 공진스프링들을 지지하기 위한 스프링 서포터와 가동자측 서포터가 필요 없어 전술한 실시예에 비해 상대적으로 제조비용이 절감될 수 있다.

또 한편, 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 왕복동모터의 고정자는 공극이 모터의 양측에 각각 구비되는 2폴2갭 형상으로 형성될 수도 있다.

Claims (11)

1. 밀폐용기;

   상기 밀폐용기의 내부에 고정되고 공극(air gap)을 갖는 고정자;

   상기 고정자의 공극(air gap)에서 왕복운동을 하는 가동자;

   상기 밀폐용기의 내부에 고정되는 실린더; 및

   상기 가동자와 분리되어 상기 밀폐용기에 탄력적으로 지지되고, 상기 밀폐용기를 통해 전달되는 진동에 의해 실린더에서 왕복운동을 하는 피스톤;을 포함하는 왕복동식 압축기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 밀폐용기의 내주면에는 적어도 한 개의 스프링서포터가 일체로 구비되고, 상기 스프링서포터에는 상기 가동자 및 피스톤을 지지하는 각각의 스프링이 지지되는 왕복동식 압축기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가동자와 피스톤은 적어도 어느 한 개의 스프링서포터를 사이에 두고 양쪽에 각각 배치되어 상기 스프링서포터의 양측면에 각각 지지되는 스프링으로 탄력 지지되는 왕복동식 압축기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 스프링서포터는 제1 스프링서포터와 제2 스프링서포터가 일정 간격을 두고 배치되며,

   상기 가동자는 제1 스프링서포터와 제2 스프링서포터 사이에 배치되고, 상기 피스톤은 제2 스프링서포터와 실린더 사이에 배치되며,

   상기 가동자에 결합되는 가동자측 서포터의 양측면에는 상기 제1 스프링서포터의 일측면과 제2 스프링서포터의 일측면에 지지되는 스프링들이 지지되고, 상기 피스톤에 결합되는 피스톤측 서포터의 양측면에는 상기 제2 스프링서포터의 타측면과 실린더의 일측면에 지지되는 스프링들이 지지되는 왕복동식 압축기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 고정자는 외측고정자와 내측고정자로 이루어지고, 상기 내측고정자와 외측고정자의 일측은 서로 연결되는 반면 타측은 서로 이격되어 상기 가동자가 왕복운동을 하도록 공극이 형성되는 왕복동식 압축기.
6. 제1항에 있어서,

   상기 밀폐용기의 내부공간은 흡입관이 연통되고, 상기 피스톤에는 밀폐용기의 내부공간과 상기 실린더의 압축공간이 연통되도록 흡입유로가 관통 형성되며, 상기 피스톤의 끝단에는 상기 흡입유로를 개폐하는 흡입밸브가 설치되고, 상기 실린더의 압축공간 출구측에는 그 압축공간을 개폐하는 토출밸브가 설치되는 왕복동식 압축기.
7. 제6항에 있어서,

   상기 실린더에는 상기 압축공간과 연통되도록 토출공간이 연이어 형성되고, 상기 토출공간에 토출관이 연통되도록 상기 토출관이 밀폐용기에 연결되는 왕복동식 압축기.
8. 제1항에 있어서,

   상기 밀폐용기는 왕복동모터의 가동자가 왕복운동을 하는 방향으로 왕복운동을 할 수 있도록 설치면에 대해 진동 가능하게 지지되는 왕복동식 압축기.
9. 흡입관과 토출관이 연통되는 밀폐용기;

   상기 밀폐용기에 고정자가 고정되고, 상기 고정자에 대해 가동자가 왕복운동을 하도록 구비되는 왕복동모터;

   상기 밀폐용기의 내부에 고정 결합되는 실린더;

   상기 실린더에 미끄러지게 삽입되어 왕복운동을 하면서 상기 밀폐용기의 내부공간으로 흡입되는 냉매를 압축하는 피스톤;

   상기 가동자를 밀폐용기에 대해 탄력 지지하여 상기 가동자의 공진운동을 유도하는 제1 공진스프링; 및

   상기 피스톤을 밀폐용기에 대해 탄력 지지하여 상기 피스톤의 공진운동을 유도하는 제2 공진스프링;을 포함하는 왕복동식 압축기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 밀폐용기의 내주면에는 상기 제1 공진스프링과 제2 공진스프링의 사이에 개재되어 상기 제1 공진스프링과 제2 공진스프링이 지지되는 스프링서포터가 일체로 구비되는 왕복동식 압축기.
11. 제9항에 있어서,

    상기 고정자는 외측고정자와 내측고정자로 이루어지고, 상기 내측고정자와 외측고정자의 일측은 서로 연결되는 반면 타측은 서로 이격되어 상기 가동자가 왕복운동을 하도록 공극이 형성되는 왕복동식 압축기.

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