KR101480465B1 - 왕복동식 압축기 및 이를 적용한 냉동기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기 및 이를 구비한 냉동기기에 관한 것이다. 본 발명은, 실린더를 비자성체와 자성체로 구분하여 이중구조로 형성함으로써, 상기 실린더로 누설되는 자속을 최소화하여 모터의 철손을 최소한으로 줄이는 동시에 상기 피스톤과의 마모를 줄여 압축기와 이를 적용한 냉동기기의 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

왕복동식 압축기, 왕복동모터, 실린더, 이중구조, 자속, 철손, 자성체

Description

왕복동식 압축기 및 이를 적용한 냉동기기{RECIPROCATING COMPRESSOR AND REFRIGERATOR HAVING THE SAME}

본 발명은 왕복동식 압축기 및 이를 적용한 냉동기기에 관한 것으로, 특히 실린더에서의 자속누설을 차단하는 기술에 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 상기 피스톤이 왕복동모터의 가동자에 연결되어 진동하면서 실린더에서 왕복운동을 하여 냉매를 압축하는 방식이다. 본 발명은 진동형 왕복동식 압축기에 관한 것으로 이하에서는 진동형 왕복동식 압축기를 왕복동식 압축기라고 약칭한다.

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

그러나, 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기에 있어서는, 상기 왕복동모터에서 자력누설이 발생되는 것을 감안하여 상기 프레임은 비자성체인 알루미늄 재질로 제작되는 반면 상기 실린더는 피스톤과의 마모를 고려하여 상대적으로 경도가 큰 자성체의 주철로 제작하는 것이나, 상기 프레임에서는 모터 코어와 도체에 쇄교하는 자속의 변화에 의해 와전류가 발생하게 되고 이 와전류에 의해 자속이 상기 실린더로 누설되는 모터의 철손(iron loss)이 증가되어 결국 압축기 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 상기 실린더의 경도를 유지하면서 상기 왕복동모터의 철손을 줄여 압축기의 효율저하를 방지할 수 있는 왕복동식 압축기 및 이를 적용한 냉동기기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 가동자가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터; 상기 왕복동모터의 가동자에 결합되어 직선으로 왕복운동을 하는 피스톤; 및 상기 피스톤이 직선으로 왕복운동을 하도록 삽입되고 그 피스톤이 왕복운동을 하면서 냉매를 압축할 수 있는 압축공간을 형성하는 실린더;를 포함하고, 상기 실린더는 내주면을 이루는 제1 실린더부와 외주면을 이루는 제2 실린더부로 구분되고, 상기 제1 실린더부와 제2 실린더부 중에서 어느 한 개는 비자성체로 형성되는 왕복동식 압축기가 제공된다.

또, 압축기; 상기 압축기의 토출측에 연결되는 응축기; 상기 응축기에 연결되는 팽창기; 및 상기 팽창기에 연결되고 상기 압축기의 흡입측에 연결되는 증발기;를 포함하고, 상기 압축기는 실린더가 내측과 외측으로 구분되고 그 양측 실린더 중에서 어느 한 개는 비자성체로 형성되는 냉동기기가 제공된다.

본 발명에 의한 왕복동식 압축기 및 이를 적용한 냉동기기는, 상기 실린더를 비자성체와 자성체로 구분하여 이중구조로 형성함으로써 상기 실린더로 누설되는 자속을 최소화하여 모터의 철손을 최소한으로 줄이는 동시에 상기 피스톤과의 마모를 줄일 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기 및 냉동기기를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 가스흡입관(SP)과 가스토출관(DP)이 연통되는 케이싱(100)과, 상기 케이싱(100)의 내부에 탄력 지지되는 프레임유닛(200)과, 상기 프레임유닛(200)에 지지되어 후술할 가동자(330)가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터(300)와, 상기 왕복동모터(300)의 가동자(33)에 후술할 피스톤(420)이 결합되어 상기 프레임유닛(200)으로 지지되는 압축유닛(400)과, 상기 왕복동모터(300)의 가동자(330)와 상기 압축유닛(400)의 피스톤(420)을 운동방향으로 탄력 지지하여 공진운동을 유도하는 복수 개의 공진유닛(500)을 포함한다.

상기 프레임유닛(200)은 상기 압축유닛(400)이 지지되고 상기 왕복동모터(300)의 전방측을 지지하는 제1 프레임(210)과, 상기 제1 프레임(210)에 결합되어 상기 왕복동모터(300)의 후방측을 지지하는 제2 프레임(220)과, 상기 제2 프레임(220)에 결합되어 후술할 복수 개의 제2 공진스프링들(530)을 지지하는 제3 프레임(230)으로 이루어진다. 상기 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220) 그리고 제3 프레임(230)은 모두 철손을 줄일 수 있도록 알루미늄과 같은 비자성체로 형성될 수 있다.

그리고 상기 제1 프레임(210)은 도너츠 모양으로 형성되고, 그 중앙에는 후술할 실린더(410)가 삽입되도록 실린더고정구멍(211)이 형성되며, 그 실린더고정구멍(211)의 선단면에는 상기 실린더(410)의 고정돌부()가 축방향(피스톤의 운동방향)으로 지지되도록 지지턱부(212)가 단차지게 형성된다.

상기 왕복동모터(300)는 상기 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220) 사이에 지지되고 코일(311)이 권선되는 외측고정자(310)와, 상기 외측고정자(310)의 안쪽에 일정 간격을 두고 결합되어 후술할 제1 실린더부(470)에 삽입 설치되는 내측고정자(320)와, 상기 외측고정자(310)의 코일(311)에 대응되도록 자석(331)이 구비되어 상기 외측고정자(310)와 내측고정자(320) 사이에서 자속 방향을 따라 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(330)로 이루어진다. 상기 외측고정자(310)와 내측고정자(320)는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 낱장씩 원통형으로 적층하거나 또는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 블록모양으로 적층하여 그 스테이터블록을 방사상으로 적층하여 이루어진다.

상기 압축유닛(400)은 상기 제1 프레임(210)에 고정되는 실린더(410)와, 상기 왕복동모터(300)의 가동자(330)에 결합되어 상기 실린더(410)의 압축공간(P)에서 왕복운동을 하는 피스톤(420)과, 상기 피스톤(420)의 선단에 장착되어 그 피스톤(420)의 흡입유로(421)를 개폐하면서 냉매가스의 흡입을 조절하는 흡입밸브(430)와, 상기 실린더(410)의 토출측에 장착되어 상기 실린더(410)의 압축공간(P)을 개폐하면서 압축가스의 토출을 조절하는 토출밸브(440)와, 상기 토출밸브(440)를 탄 력적으로 지지하는 밸브스프링(450)과, 상기 토출밸브(440)와 밸브스프링(450)을 수용하도록 상기 실린더(410)의 토출측에서 상기 제1 프레임(210)에 고정되는 토출커버(460)로 이루어진다.

상기 실린더(410)는 도 2 및 도 3에서와 같이 원통모양으로 형성되어 내주면을 이루는 제1 실린더부(470)와, 상기 제1 실린더부(470)에 삽입되도록 원통모양으로 형성되어 외주면을 이루는 제2 실린더부(480)로 이루어진다.

상기 제1 실린더부(470)는 그 내주면에 상기 피스톤(420)이 미끄럼운동을 하게 되므로 마모를 고려하여 주철이나 적어도 제2 실린더부(480)의 경도보다 높은 재질로 형성되고, 그 선단측 외주면에는 상기 제1 프레임(210)의 걸림턱부(212)에 얹혀져 축방향으로 지지되도록 고정돌부(471)가 플랜지 형상으로 형성된다.

상기 제2 실린더부(480)는 그 외주면에 상기 내측고정자(320)가 삽입되어 고정되므로 자력손실을 방지할 수 있도록 알루미늄과 같은 비자성체로 형성되고, 상기 제2 실린더부(480)는 도 4에서와 같이 제1 실린더부(470)에 인서트 다이캐스팅 공법을 이용하여 일체로 형성될 수 있다. 이 경우 상기 실린더를 용이하게 제작할 수 있어 제조비용을 절감할 수 있다. 하지만, 상기 제2 실린더부(480)는 도 5에서와 같이 제1 실린더부(470)에 압입하거나 또는 도 6에서와 같이 양쪽 실린더부(470)(480)의 내주면과 외주면에 나사산을 형성하여 나사 조립할 수도 있다. 그리고 상기 제2 실린더부(480)는 도 3에서와 같이 그 선단면이 상기 제1 실린더부(470)의 고정돌부(471) 후측면에서 상기 제1 실린더부(470)의 후단까지 동일한 길이로 형성될 수도 있고, 도 7에서와 같이 상기 내측고정자(320)의 접촉길이만큼 만 형성되어 상기 제1 실린더부(470)보다 일정길이(t)만큼 짧게 형성될 수도 있다.

상기 피스톤(420)은 도 3에서와 같이 상기 제2 실린더부(480)의 재질과 동일한 재질로 형성되거나 적어도 경도가 비슷한 재질로 형성되는 것이 상기 실린더(410)와의 마모를 줄일 수 있어 바람직하다. 그리고 상기 피스톤(420)의 내부에는 냉매가 상기 실린더의 압축실(P)로 흡입되도록 흡입유로(421)가 관통 형성되고, 상기 피스톤(420)의 외주면에는 그 선단측, 즉 상기 흡입밸브(430)가 설치되는 쪽에는 상기 제2 실린더부(480)의 내주면과 미끄럼 접촉되는 제1 베어링부(422)가 형성되며, 상기 피스톤(420)의 후단측 외주면에는 상기 제1 실린더부(470)에 지지되도록 제2 베어링부(423)가 형성된다. 그리고 상기 제1 베어링부(422)와 제2 베어링부(423) 사이에는 상기 제1 실린더부(470)의 제1 오일포켓(472)과 함께 오일저장공간을 형성하도록 음각진 제2 오일포켓(424)이 형성된다. 상기 제1 베어링부(422)의 외경이 상기 제2 베어링부(423)의 외경보다는 약간 크게 형성됨에 따라 상기 제2 실린더부(480)의 경도가 제1 실린더부(470)의 경도보다 높게 형성되는 것이다.

상기 공진유닛(500)은 상기 가동자(330)와 피스톤(420)의 연결부에 결합되는 스프링서포터(510)와, 상기 스프링서포터(510)의 전방측에 지지되는 제1 공진스프링들(520)과, 상기 스프링서포터(510)의 후방측에 지지되는 제2 공진스프링들(530)로 이루어진다.

도면중 미설명 부호인 600은 오일피더이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 왕복동모터(300)에 전원이 인가되어 상기 외측고정자(310)와 내측 고정자(320)의 사이에 자속이 형성되면, 상기 외측고정자(310)와 내측고정자(320) 사이의 공극에 놓인 상기 가동자(330)가 자속의 방향을 따라 움직이면서 상기 공진유닛(500)에 의해 지속적으로 왕복운동을 하게 된다. 그리고 상기 피스톤(420)이 상기 실린더(410)의 내부에서 후진운동을 할 때 상기 케이싱(100)의 내부공간에 채워져 있던 냉매가 상기 피스톤(420)의 흡입유로(421)와 상기 흡입밸브(430)를 통과하여 상기 실린더(410)의 압축공간(P)으로 흡입된다. 그리고 상기 피스톤(420)이 실린더(410)의 내부에서 전진운동을 할 때 상기 압축공간(P)으로 흡입된 냉매가스가 압축되어 상기 토출밸브(440)를 열면서 토출하는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이때, 상기 왕복동모터(300)에서 발생되는 자속은 상기 왕복동모터(300)의 외측고정자(310)와 내측고정자(320) 사이에서만 형성되는 것이 모터의 효율을 가장 높일 수 있으나, 상기 왕복동식 압축기는 그 구조적인 특성상 상기 외측고정자(310)와 내측고정자(320)의 주변에 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220) 그리고 실린더(410) 등이 위치하게 된다. 따라서 상기 왕복동모터(300)의 효율을 높이기 위하여는 그 왕복동모터(300)의 자속이 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220) 그리고 실린더(410)로 누설되는 것을 최소화할 수 있도록 하여야 한다. 이를 위해, 상기 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220) 그리고 실린더(410)를 모두 비자성체인 알루미늄 재질로 형성할 수도 있으나, 상기 실린더(410)의 경우 피스톤(420)과의 마모, 특히 상기 피스톤(420)의 제1 베어링부(422)는 상기 실린더(410)와 베어링면을 이루면서 미끄럼 접촉함에 따라 그만큼 마모될 위험이 많은 부위이므로 자속누설은 물론 마모로부터 보호할 수 있는 구조가 신뢰성 측면에서 유리할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 앞선 두 가지의 과제 모두를 해소할 수 있는 방안으로 상기 실린더(410)의 베어링면, 즉 내주면을 이루는 제1 실린더부(470)와 상기 내측고정자(320)가 접촉되는 면, 즉 외주면을 이루는 제2 실린더부(480)로 구분하였다. 그리고 상기 제1 실린더부(470)는 자성체이나 경도가 높은 재질로 형성하여 상기 피스톤(420)과의 마모를 줄일 수 있도록 하는 동시에 상기 제2 실린더부(480)는 비자성체로 형성함에 따라 도 8에서와 같이 상기 제2 실린더부(480)로 누설되는 자속을 최소화하여 모터의 철손을 최소한으로 줄이도록 하였다. 특히, 상기 제1 실린더부(470)는 실린더(410)의 전체길이로 형성함에 따라 상기 피스톤이 오버스트로크를 하더라도 그 피스톤(420)과의 접촉면은 항상 제2 실린더부(480)보다 경도가 자성체로 형성됨에 따라 실린더의 마모를 효과적으로 방지할 수 있다.

이렇게 하여, 상기 왕복동모터의 철손을 줄여 왕복동식 압축기의 효율을 높이는 동시에 상기 실린더와 피스톤의 마모를 줄여 왕복동식 압축기의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기가 냉동기기에 적용되는 경우에 그 냉동기기의 효율을 향상시킬 수 있다.

예컨대, 도 9에서와 같이 압축기, 응축기, 팽창기 그리고 증발기를 포함한 냉매압축식 냉동사이클을 갖는 냉동기기(700)에서 그 냉동기기(700)의 내부에는 냉동기기의 운전 전반을 제어하는 메인기판(710)에 상기 왕복동식 압축기(C)를 연결하고, 그 왕복동식 압축기(C)의 내부에 설치되는 실린더를 전술한 실시예들과 같이 상기 자성체인 제1 실린더부와 비자성체인 제2 실린더부를 갖는 이중구조로 형성할 수 있다.

이렇게 하여, 상기 압축기에서 실린더와 피스톤 사이의 마모를 방지하여 압축기의 신뢰성을 높이면서도 상기 왕보동모터에서 실린더로 자력이 누설되는 것을 방지하여 압축기의 효율을 향상킬 수 있고 이를 통해 상기 왕복동식 압축기를 적용한 냉동기기의 에너지 효율이 향상될 수 있다.

본 발명의 왕복동식 압축기는 냉장고 또는 에어콘과 같은 냉동기계에 폭넓게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명 왕복동식 압축기를 보인 종단면도,

도 2는 도 1에 따른 왕복동식 압축기에서 실린더를 분해하여 보인 사시도,

도 3은 도 1에 따른 제1 프레임과 실린더를 확대하여 보인 종단면도,

도 4 내지 도 6는 도 1에 따른 왕복동식 압축기에서 실린더를 제작하는 과정을 보인 도면들,

도 7은 도 1에 따른 왕복동식 압축기에서 제1 실린더부와 제2 실린더부의 길이를 보인 종단면도,

도 8은 도 1에 따른 왕복동모터의 자속을 보인 개략도,

도 9는 도 1에 따른 왕복동식 압축기가 구비된 냉동기기를 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

200 : 프레임유닛 210 : 제1 프레임

212 : 걸림턱 300 : 왕복동모터

320 : 내측고정자 410 : 실린더

420 : 피스톤 422,423 : 제1,제2 베어링부

424 : 제2 오일포켓 470 : 제1 실린더부

471 : 고정돌기 472 : 오일포켓

480 : 제2 실린더부

Claims (9)

1. 가동자가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터;

   상기 왕복동모터의 가동자에 결합되어 직선으로 왕복운동을 하는 피스톤; 및

   상기 피스톤이 직선으로 왕복운동을 하도록 삽입되고 그 피스톤이 왕복운동을 하면서 냉매를 압축할 수 있는 압축공간을 형성하는 실린더;를 포함하고,

   상기 실린더는 내주면을 이루는 제1 실린더부와 외주면을 이루는 제2 실린더부로 구분되고, 그 중 어느 한쪽은 비자성체로 형성되며,

   상기 제1 실린더부가 제2 실린더부에 비해 강도가 큰 재질로 형성되는 왕복동식 압축기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 실린더부가 비자성체로 형성되는 왕복동식 압축기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 실린더부는 제1 실린더부와 다이캐스팅으로 결합되는 왕복동식 압축기.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 왕복동모터는,

   환형으로 형성되는 외측고정자와, 환형으로 형성되어 상기 외측고정자의 내측에 소정의 공극을 두고 배치되는 내측고정자와, 상기 환형으로 형성되어 상기 외측고정자와 내측고정자 사이에서 왕복운동을 하는 가동자로 이루어지고,

   상기 내측고정자는 상기 제2 실린더부의 외주면에 삽입되어 결합되는 왕복동식 압축기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 외측고정자와 내측고정자는 적어도 피스톤의 운동방향 일측에서 한 개의 프레임으로 지지되고, 상기 제2 실린더부는 프레임과 일체로 형성되는 왕복동식 압축기.
7. 제5항에 있어서,

   상기 외측고정자와 내측고정자는 적어도 피스톤의 운동방향 일측에서 한 개의 프레임으로 지지되고, 상기 실린더는 프레임에 조립되는 왕복동식 압축기.
8. 제5항에 있어서,

   상기 제2 실린더부와 프레임과 동일한 재질로 형성되는 왕복동식 압축기.
9. 압축기;

   상기 압축기의 토출측에 연결되는 응축기;

   상기 응축기에 연결되는 팽창기; 및

   상기 팽창기에 연결되고 상기 압축기의 흡입측에 연결되는 증발기;를 포함하고,

   상기 압축기는 상기 제1항, 제3항, 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항의 압축기로 이루어지는 냉동기기.

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