KR20040107478A - 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기 - Google Patents

Abstract

외피를 포함하고, 그 외피 내에 모터와 실린더(1)로 구성된 기준 조립체(reference assembly), 실린더(1) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(2)과 피스톤(2)을 모터에 작동 가능하게 결합하는 구동 수단(3)으로 구성된 공진 조립체(resonant assembly), 및 공진 조립체와 기준 조립체에 장착되고 피스톤(2)의 변위 방향에서 축선방향으로 탄성적으로 변형되는 2 개의 스프링 수단(10)이 장착된, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기에 있어서, 상기 압축기가 하나의 스프링 수단(10)의 단부를 다른 하나의 스프링 수단(10)의 단부에 결합하는 설치 부재(40)와, 피스톤(2)과 설치 부재(40)에 장착된 결합 부재(50)를 포함하고, 상기 설치 부재(40)는 피스톤(2)과 함께 축선방향으로 변위되고 피스톤(2)의 변위 방향에 횡방향으로 자유롭게 변위되며, 상기 결합 부재(50)는 피스톤(2)과 설치 부재(40) 사이로 축선방향 힘을 전달하고 피스톤(2)에 대한 반경방향 힘의 적용을 최소화 하도록 구성된다.

Description

선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기{Reciprocating compressor driven by a linear motor}

선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기에 있어서, 가스 흡입 및 가스 압축 작용은 실린더 내 각 피스톤의 왕복식 축선방향 운동에 의해 수행된다. 실린더는 실린더 헤드에 의해 폐쇄되고 밀폐형 외피 내에 장착되어 있다. 실린더 헤드 내에 배치된 흡입 밸브와 배출 밸브는 실린더에 관한 가스의 도입 및 배출을 조절한다. 피스톤은 구동 수단에 의해 구동되고, 이 구동 수단은 압축기의 외피에 부착된 선형 모터에 작동 가능하게 결합된 자기(磁氣) 요소를 구비하고 있다.

일부 공지의 구조에서, 각 피스톤 구동 수단 조립체는, 피스톤의 축선방향 변위를 위한 가이드로서 작용하고 조립체 전체가 소정 진동수 내에서 공진적으로 작동하도록 압축기의 밀폐형 외피에 부착된 공진 스프링에 연결되어 있어, 작동시 선형 모터가 압축기로 에너지를 연속적으로 공급하기에 적절한 치수가 되게 한다.

공지의 구조에서, 2 개의 나선 스프링은 압축 하에 그의 양 측이 구동 수단에 마주하여 장착되어 있다. 피스톤은 구동 수단 및 자기 요소와 함께, 압축기의 공진 조립체를 형성한다. 이 공진 조립체는 선형 모터로 구동되고, 가스가 배출 밸브를 통해 고압측으로 배출될때까지, 흡입 밸브를 통하여 도입된 가스를 실린더 내에서의 피스톤의 운동으로 압축하도록 하는 왕복식 선형 운동을 향상시키는 기능을 갖추고 있다.

피스톤과의 접촉 영역을 형성할 마지막 코일의 형상에 상관없이 압축된 나선 스프링은, 마지막 코일이 피스톤과 접촉하기 시작하는 영역에서의 압축력의 집중과 함께, 소정의 원주방향 접촉 연장부를 따라 고르지 않게 분배된 접촉력을 발생시킨다.

공지의 해결책(US 5,525,845호)에서, 나선 스프링과 피스톤 사이의 결합은, 얇은 원통형 로드의 제공에 의해 일어난다. 이 얇은 원통형 로드는 스프링의 측면 운동을 흡수하기에 충분한 측면 가요성을 가지지만, 피스톤으로 축선방향 힘을 전달하기 위해 축선방향으로는 단단하다.

또 다른 공지의 구조에서, 나선 스프링은 피스톤에 연결된 디스크에 착좌되어 있어, 모든 힘을 피스톤에 적용시킨다. 그러나, 나선 스프링은 축선방향 힘 뿐만 아니라 반경방향 힘도 발생시키기 때문에, 축선방향 힘이 스프링의 대칭축선에 집중되지 않는다. 피스톤에 대한 스프링의 이러한 결점은 마찰과 높은 에너지 소비를 유발하여, 선형 모터의 성능을 저하시킨다.

본 발명은 일반적으로, 냉장 시스템에 적용되고 실린더 내에서 왕복 운동하는 피스톤을 구비하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 피스톤 및 그와 연관된 공진 시스템(resonant system) 사이의 결합체에 관한 것이다.

도 1은 선형 모터로 구동되는 타입의 밀폐형 압축기의 개략적인 종단면도로, 본 발명의 종래 기술에 따라 구성된 왕복식 선형 모터에 피스톤을 결합시키는, 구동 수단의 디스크 부재를 압축하는 나선 스프링을 나타낸다.

도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 밀폐형 압축기의 개략적인 종단면도이지만, 본 발명의 구조에 따라 얻어진 피스톤과 스프링 수단 사이의 결합체를 나타낸다.

도 3은 도 1에 도시된 바와 같은 밀폐형 압축기의 개략적인 종단면도이지만, 본 발명의 또 다른 구조에 따라 얻어진 피스톤과 스프링 수단 사이의 결합체를 나타낸다.

따라서, 본 발명의 목적은, 간단한 구조, 피스톤에 대한 측면 힘을 최소화하는 상대적인 모멘트를 구비한 요소의 최소화, 구동 수단에 대한 압축력 집중의 효과, 및 구동 수단과 피스톤에 대해 결과적인 운동량을 가지는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기를 제공하는데 있다.

본 목적 및 다른 목적은, 선형 모터로 구동되고, 밀폐형 외피를 포함하며, 그 외피 내에 모터와 실린더로 구성된 기준 조립체, 실린더 내에서 왕복 운동하는 피스톤과 이 피스톤을 모터에 작동 가능하게 결합하는 구동 수단으로 구성된 공진 조립체, 및 공진 조립체와 기준 조립체에 장착되고 피스톤의 변위 방향에서 축선방향으로 탄성적으로 변형되는 2 개의 스프링 수단이 장착되어 있고, 상기 하나의 스프링 수단의 단부를 다른 하나의 스프링 수단의 단부에 결합하는 설치 부재와, 피스톤에 장착된 단부와 설치 부재에 장착된 반대측 단부를 가지는 결합 부재를 포함하고, 상기 설치 부재는 그에 결합된 2 개의 스프링 수단의 단부를 구비하고 피스톤과 함께 축선방향으로 변위되고 피스톤의 변위 방향에 횡방향으로 자유롭게 변위되며, 상기 결합 부재는 피스톤과 설치 부재 사이로 축선방향 힘을 전달하고 피스톤에 대한 반경방향 힘의 적용을 최소화 하도록 구성된, 왕복식 압축기에 의해 성취된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술될 것이다.

본 발명은 냉장 시스템에 사용되는 타입의 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기에 관련하여 기술될 것이다. 상기 압축기는 밀폐형 외피를 포함하고, 이 외피 내에 기준 조립체(reference assembly)와 공진 조립체(resonant assembly)를 포함하는 모터 압축기 조립체가 장착되어 있다. 기준 조립체는 상기 외피 내에 부착되고 실린더(1)와 선형 모터로 구성되며, 공진 조립체는 실린더(1) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(2)과 선형 모터의 전기적 여자에 의해 축선방향으로 추진되는 자석(磁石)(4)을 구비한 실린더(1) 외측의 구동 수단(3)으로 구성된다. 상기 구동 수단(3)은 피스톤(2)을 선형 모터에 작동 가능하게 결합시키고, 상기 피스톤(2)은 도시된 바와 같이, 피스톤 상부 부분과 관형 몸체 부분을 포함한다.

도 1에 도시된 구조에서, 구동 수단은 환상(環狀) 디스크(5)를 구비하고, 그 반대측에 피스톤(2)이 결합되어 있다. 환상 디스크(5)는, 피스톤(2)의 하부 부분을 끼워 맞추고 고정시키기 위해 중앙에 하부 목부분(6)을 형성한다. 끼워 맞춰진 상태에서, 피스톤(2)의 하부 환상 플랜지(flange)(2a)는 상기 환상 디스크(5)의 평평한 상부면에 착좌된다.

첨부된 도면에 도시된 압축기는, 일정한 압축 하에 공진 조립체와 기준 조립체에 장착된 2 개의 스프링 수단(10)도 포함한다. 이 스프링 수단(10)은 피스톤(2)의 변위 방향에서 축선방향으로 탄성적으로 변형된다.

도 1에서, 각 스프링 수단(10)은, 구동 수단(3)의 환상 디스크(5)에 장착된 단부와, 공진 조립체와 기준 조립체 중 하나에 장착된 반대쪽 단부를 가지는 나선 스프링의 형상이다.

도 1에 도시된 실시예에서, 실린더(1)는 밸브판(7)에 의해 폐쇄된 단부를 가진다. 이 밸브판(7)은 흡입 밸브(8)와 배출 밸브(9)가 제공되어 있어, 피스톤(2)의 상부와 밸브판(7) 사이에 형성된 압축 챔버(chamber)(20)와 실린더 헤드(30)의 각 내측 부분 사이로 유체를 선택적으로 전달하게 한다. 실린더 헤드(30)의 각 내측 부분은, 압축기가 결합되는 냉장 시스템의 고압측 및 저압측과 유체 연통하도록 유지된다.

본 구조에서, 피스톤(2)을 작동하는 동안, 각 스프링 수단(10)이 구동 수단(3)에 마주하여 착좌되고 접촉하는 영역에, 피스톤(2)으로 전달되는 운동량을 유발하는 반응하는 압축력이 적용되어, 피스톤의 오정렬을 초래하고, 그 결과 시간이 지남에 따라 상기 피스톤을 마모시키게 된다.

본 발명에 따르면, 2 개의 스프링 수단(10)은 설치 부재(40)에 의해 서로 결합되어 있고, 이 2 개의 스프링 수단(10)의 인접한 각 단부가 이 설치 부재(40)에 부착되어 있다. 상기 설치 부재(40)는 피스톤(20) 및 2 개의 스프링 수단(10)의인접한 단부와 함께 축선방향으로 변위되고, 피스톤(2)의 변위 방향에 횡방향인 평면에서 설치 부재(40)에 결합된 2 개의 스프링 수단(10)의 단부와 함께, 예를 들어 제한된 특정 확장부로 자유롭게 변위된다.

설치 부재(40)는, 2 개의 스프링 수단(10) 중 하나의 스프링 수단(10)의 인접한 단부와 결합하는 제 1 환상 부분(41)과, 상기 2 개의 스프링 수단(10) 중 다른 하나의 스프링 수단(10)의 인접한 단부와 결합하는 제 2 환상 부분(42)을 가진다. 이 제 1 환상 부분(41)과 제 2 환상 부분(42)은 축선방향으로 위치하고 서로 부착되어 있으며, 공진 조립체의 마주하는 면에 축선방향으로 배치되어 있다. 공진 조립체의 부분은 상기 제 1 부분(41)을 통과하여 배치되어 있다.

설치 부재(40)는, 상기 피스톤(2)에 장착된 단부와 설치 부재(40)에 장착된 반대측 단부를 가지는 결합 부재(50)에 의해 피스톤(2)에 결합되어 있다. 상기 결합 부재(50)는, 예를 들어 피스톤과 설치 부재 사이로 축선방향 힘을 완전히 전달하고, 예를 들어 설치 부재의 횡방향 변위시, 피스톤에 대한 반경방향 힘의 적용을 최소화 하도록 구성되어 있다.

도시된 실시예에서, 제 1 부분(41)은 스프링 수단의 단부 코일을 수용하고 부착시키기 위해 환상 하우징을 형성하고, 제 2 부분(42)은 들어 올려진 환상 측면 가장자리(43)를 가진다. 이 환상 측면 가장자리(43)는 실린더(1)를 향하는 면의 반대측 면에 또 다른 스프링 수단(10)의 인접한 단부를 위한 하우징을 형성한다.

본 발명에 따르면, 설치 부재(40)의 제 1 단부(41)와 제 2 단부(42) 사이의 고정은, 강성 부재(44), 예를 들어 2 쌍의 강성 핀에 의해 얻어진다. 이 2 쌍의강성 핀은 서로로부터 소정 각도로 떨어져 있고, 구동 수단(3)을 관통하는 반경방향 구멍, 예를 들어 환상 디스크에 제공된 관통 보어(5a)에 장착되어 있다.

도 2 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 제 2 부분(42)은 외부면으로부터 피스톤(20)의 축선에 동축으로 결합 부재(50)와 결합하는 디스크를 포함하고, 이 디스크는 도시된 실시예에서 길고 비교적 가요성의 로드 형상이다. 도 2의 구조적인 선택에서는 상기 결합 부재(50)의 단부가 피스톤(2)과 설치 부재(40)의 제 2 부분(42)에 각각 부착되어 있고, 도 3의 구조적인 선택에서는 결합 부재(50)의 단부가 피스톤(2)과 설치 부재(40)의 제 2 부분(42)에 의해 형성된 부분에, 예를 들어 볼 조인트를 통하여 연결되어 있다.

본 발명에 따르면, 결합 부재(50)는 피스톤(2)의 몸체 내에 배치되어, 내측 단부는 상기 피스톤(2)의 상부에 결합되고 외측 단부는 구동 수단의 평면으로부터 약간 돌출하여 남게 되며, 상기 구동 수단에 가요성을 제공하기 충분한 소정 연장부를 형성한다.

Claims (12)

1. 외피를 포함하고, 그 외피 내에 모터와 실린더(1)로 구성된 기준 조립체(reference assembly), 상기 실린더(1) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(2)과 상기 피스톤(2)을 모터에 작동 가능하게 결합하는 구동 수단(3)으로 구성된 공진 조립체(resonant assembly), 및 상기 공진 조립체와 기준 조립체에 장착되고 상기 피스톤(2)의 변위 방향에서 축선방향으로 탄성적으로 변형되는 2 개의 스프링 수단(10)이 장착된, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기에 있어서, 상기 압축기가 하나의 스프링 수단(10)의 단부를 다른 하나의 스프링 수단(10)의 단부에 결합하는 설치 부재(40)와, 상기 피스톤(2)에 장착된 단부와 상기 설치 부재(40)에 장착된 반대측 단부를 가지는 결합 부재(50)를 포함하고, 상기 설치 부재(40)는 그에 결합된 상기 2 개의 스프링 수단(10)의 단부를 구비하고 상기 피스톤(2)과 함께 축선방향으로 변위되고 상기 피스톤(2)의 변위 방향에 횡방향으로 자유롭게 변위되며, 상기 결합 부재(50)는 상기 피스톤(2)과 설치 부재(40) 사이로 축선방향 힘을 전달하고 상기 피스톤(2)에 대한 반경방향 힘의 적용을 최소화 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 결합 부재(50)가 길고 비교적 가요성의 로드 형상인 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 결합 부재(50)가 상기 설치 부재(40)와 피스톤(2)에 각각 부착된 그의 단부를 가지는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합 부재(50)가 상기 설치 부재(40)와 피스톤(2)에 각각 연결된 그의 단부를 가지는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 결합 부재(50)가 상기 피스톤(2)과 설치 부재(40)에 의해 형성된 부분에 볼 조인트를 통하여 연결된 그의 단부를 가지는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 설치 부재(40)는 상기 2 개의 스프링 수단(10) 중 하나의 스프링 수단(10)의 인접한 단부와 결합하는 제 1 환상(環狀) 부분(41)과, 다른 하나의 스프링 수단(10)의 인접한 단부와 결합하는 제 2 환상 부분(42)을 포함하고, 상기 제 1 환상 부분(41)과 제 2 환상 부분(42)은 축선방향으로 위치하고 서로 부착되어 있으며 상기 공진 조립체의 마주하는 면에 축선방향으로 배치되고, 상기 공진 조립체의 부분이 상기 제 1 부분(41)을 통과하여 배치되는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 결합 부재(50)는 상기 설치 부재(40)의 제 2 부분(42)에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
8. 피스톤(2)이 상부 부분과 관형 부분을 가지는, 제 7 항에 따른 압축기에 있어서, 상기 피스톤(2)의 상부 부분에 장착되는 단부를 구비한 상기 결합 부재(50)가 상기 피스톤(2)의 몸체 내에 배치된 그의 연장부의 부분을 가지는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 설치 부재(40)의 제 1 부분(41) 및 제 2 부분(42)이 강성 부재(43)를 통해 서로 부착되어 있고, 상기 강성 부재(44)는 서로로부터 소정 각도로 떨어져 있고 상기 구동 수단(3)을 관통하는 반경방향 구멍에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 수단(3)은 환상 디스크(5)를 구비하고, 그 반대측에 상기 피스톤(2)이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 2 부분(42)이 외부면으로부터 상기 피스톤(2)의 축선에 동축으로 상기 결합 부재(50)와 결합하는 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 부분(42)은 들어 올려진 환상 측면 가장자리를 가지고, 상기 환상 측면 가장자리는 하부면으로부터 상기 스프링 수단(10)의 인접한 단부를 위한 하우징을 형성하는 것을 특징으로 하는, 선형 모터로 구동되는 왕복식 압축기.