KR101513611B1 - 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 마그네트를 사이에 둔 양족 고정자를 지지하는 프레임을 알루미늄 재질로 형성하고 상기 고정자에 접하는 부위에는 구리를 개재한다. 이로써, 상기 고정자에서 실린더와 같은 이웃 부재로 누설되는 철손과 자속침투를 차단하는 셔틀로스를 저감시켜 왕복동모터와 이를 적용한 왕복동식 압축기의 에너지 효율을 높일 수 있다.

왕복동식 압축기, 왕복동모터, 프레임, 내측고정자, 도전율, 철손

Description

왕복동식 압축기{RECIPROCATING COMPRESSOR}

본 발명은 왕복동모터를 채용한 왕복동식 압축기에서 자속이 프레임을 통해 실린더로 누설되는 것을 줄이는 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 원통형으로 형성되는 외측고정자와 내측고정자 그리고 양쪽 고정자 사이에 위치하여 왕복운동을 하거나 또는 코일이 감기지 않은 고정자에 고정되어 함께 왕복운동을 하는 가동자로 된 왕복동모터와, 상기 왕복동모터의 내측고정자에 압입되어 프레임에 고정되거나 또는 상기 내측고정자에 압입되어 가동자와 함께 왕복운동을 하는 실린더와, 상기 가동자에 결합되거나 또는 케이싱에 결합되어 상기 실린더에 대해 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 피스톤과, 상기 실린더의 전후 양측, 또는 상기 피스톤의 전후 양측에는 상기 왕복동모터의 왕복운동을 공진시켜 상기 피스톤의 상대운동을 유도하는 공진스프링으로 이루어져 있다. 그리고 상기 피스톤의 내부에는 냉매를 흡입하는 흡입유로가 형성되고, 상기 흡입유로의 끝단에는 흡입밸브가, 상기 실린더의 선단에는 토출밸브가 각각 설치되어 있다.

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

그러나, 상기와 같은 종래 왕복동모터에 있어서는, 상기 프레임은 누설자속을 최소한으로 줄이기 위해 비자성체인 알루미늄 재질로 제작되나, 상기 알루미늄은 비자성체이면서 도전성(導電性)을 갖게 되어 상기 프레임에서의 와전류로 인해 실린더로 자속이 누설되고 이로 인해 왕복동모터와 이를 채용한 왕복동식 압축기의 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 왕복동식 압축기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 상기 프레임을 통해 실린더로 누설되는 자속을 감소시키고 그 자속을 모터로 유도하여 왕복동모터의 자력손실로 인한 압축기의 효율저하를 방지할 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 코일이 감기는 제1 고정자와, 상기 제1 고정자와 일정 공극을 두고 배치되는 제2 고정자와, 상기 제1 고정자와 제2 고정자 사이에 배치되어 왕복운동을 하는 마그네트를 포함한 왕복동모터; 상기 왕복동모터의 제1 고정자와 제2 고정자를 지지하는 프레임; 상기 프레임에 결합되어 상기 왕복동모터의 마그네트와 함께 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 압축유닛; 및 상기 제2 고정자와 프레임 사이에 개재되어 자속을 상기 제2 고정자로 안내하는 자속안내부재;를 포함한 왕복동식 압축기가 제공된다.

본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 마그네트를 사이에 둔 양족 고정자를 지지하는 프레임을 알루미늄 재질로 형성하고 상기 프레임과 고정자가 접하는 부위에는 구리를 개재한다. 이로써, 상기 고정자에서 실린더와 같은 이웃 부재로 누설되는 철손과 자속침투를 차단하는 셔틀로스를 저감시켜 왕복동모터와 이를 적용한 왕복동식 압축기의 에너지 효율을 높일 수 있다.

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

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 가스흡입관(SP)과 가스토출관(DP)이 연통되는 케이싱(10)과, 상기 케이싱(10)의 내부에 탄력 지지되는 프레임유닛(20)과, 상기 프레임유닛(20)에 지지되어 후술할 가동자(33)가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터(30)와, 상기 왕복동모터(30)의 가동자(33)에 후술할 피스톤(42)이 결합되어 상기 프레임유닛(20)으로 지지되는 압축유닛(40)과, 상기 왕복동모터(30)의 가동자(33)와 상기 압축유닛(40)의 피스톤(42)을 운동방향으로 탄력 지지하여 공진운동을 유도하는 복수 개의 공진유닛(50)을 포함한다.

상기 프레임유닛(20)은 상기 압축유닛(40)이 지지되고 상기 왕복동모터(30)의 전방측을 지지하는 제1 프레임(21)과, 상기 제1 프레임(21)에 결합되어 상기 왕복동모터(30)의 후방측을 지지하는 제2 프레임(22)과, 상기 제2 프레임(22)에 결합되어 후술할 복수 개의 제2 공진스프링들(53)을 지지하는 제3 프레임(23)으로 이루어진다. 상기 제1 프레임(21)과 제2 프레임(22) 그리고 제3 프레임(23)은 모두 자력손실을 줄일 수 있도록 알루미늄과 같은 비자성체로 형성될 수 있다. 상기 제1 프레임(21)은 도 1 내지 도 3에서와 같이 환형으로 형성되고, 그 후측면, 즉 상기 왕복동모터(30)가 지지되는 일측면의 외곽에는 후술할 외측고정자(31)의 전방면을 지지하도록 고정돌부(21a)가 원통모양으로 형성되는 반면 중앙쪽에는 후술할 자속 안내부재(24)가 밀착되어 구비될 수 있도록 평평하게 형성된다.

상기 자속안내부재(24)는 정면투영시 원형 또는 원호형 등으로 형성될 수 있고, 측면투영시 그 외주면이 상기 제1 프레임(21)의 내측면에서 상기 내측고정자(32)의 전방면으로 갈수록 점차 단면적이 좁아지게 형성될 수 있다. 즉, 상기 자속안내부재(24)는 그 일측면이 상기 내측고정자(32)의 전방면을 지지하기 위하여는 그 내측고정자(32)의 전방면 형상과 유사하게 형성되어야 한다. 따라서 상기 자속안내부재(24)는 도 2 및 도 3에서와 같이 테이퍼진 단면 형상으로 형성될 수 있다. 물론, 상기 내측고정자(32)의 형상에 따라서는 전후 양단에 걸쳐 동일한 단면적을 가지도록 형성될 수도 있다.

그리고 상기 자속안내부재(24)는 도 4에서와 같이 상기 제1 프레임(21)으로 누설되는 자속을 상기 내측고정자(32)로 유도할 수 있도록 상기 제1 프레임(21)에 비해 높은 도전율(conductivity)을 가지는 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 제1 프레임(21)과 자속안내부재(24)를 모두 두랄루민 알루미늄(Duralumin Al)으로 제작하거나, 또는 상기 제1 프레임(21)은 범용적으로 사용되는 잉곳 알루미늄(ingot Al)을 사용하는 반면 상기 자속안내부재(24)는 두랄루민 알루미늄을 적용할 수 있다. 하지만 도전율과 재료비용을 모두 감안할 때에는 도 7에서와 같이 상기 제1 프레임(21)은 잉곳 알루미늄을 사용하고 상기 자속안내부재(24)는 구리(copper)를 사용하는 것이 적합할 수 있다.

그리고 상기 자속안내부재(24)는 그 두께가 상기 제1 프레임(21)의 두께 대비 적어도 1/3 이상으로 형성되는 것이 자속을 유도하는데 바람직할 수 있다.

그리고 상기 자속안내부재(24)는 상기 제1 프레임(21)과 동일한 재질로 형성할 경우에는 그 제1 프레임(21)과 일체로 성형하게 되나, 상기 제1 프레임(21)과 상이한 재질로 형성할 경우에는 인서트 다이캐스팅과 같은 공법을 이용하여 상기 제1 프레임(21)과 일체로 형성될 수도 있다.

그리고 상기 자속안내부재(24)는 상기 제1 프레임(21)과 별도로 제작하여 조립될 수도 있다. 이 경우에는 상기 자속안내부재(24)가 상기 제1 프레임(21)의 제위치에 결합될 수 있도록 도 5에서와 같이 상기 자속안내부재(24)와 제1 프레임(21)에 조립을 위한 기준돌기(24a)와 기준홈(21b)이 서로 대향되게 형성될 수도 있다. 예컨대, 상기 왕복동모터(20)가 왕복동식 압축기에 적용될 때 상기 자속안내부재(24)와 제1 프레임(21)에는 오일유로 등이 상호 대응되게 형성될 수 있으므로 이 경우 상기 제1 프레임(21)의 제위치에 자속안내부재(24)가 용이하게 조립될 수 있도록 하는 것은 조립공정을 간소화하는데 중요할 수 있다. 또, 도 6에서와 같이 상기 제1 프레임에 환형으로 삽입돌부(21c)가 형성되고, 그 제1 프레임(21)의 삽입돌부(21c)에 삽입되도록 상기 자속안내부재(24)의 일측면에 환형으로 삽입홈부(24b)가 형성되어 상기 자속안내부재(24)가 제1 프레임(21)의 제위치에 결합되도록 할 수도 있다.

상기 왕복동모터(30)는 상기 제1 프레임(21)과 제2 프레임(22) 사이에 지지되고 코일이 권선되는 제1 고정자(이하, 외측고정자)(31)와, 상기 외측고정자(31)의 안쪽에 일정 간격을 두고 결합되어 후술할 실린더(41)에 삽입 설치되는 제2 고정자(이하, 내측고정자)(32)와, 상기 외측고정자(31)의 코일(34)에 대응되도록 마 그네트(M35가 구비되어 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에서 자속 방향을 따라 직선으로 왕복운동을 하는 가동자(33)로 이루어진다. 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32)는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 낱장씩 원통형으로 적층하거나 또는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 블록모양으로 적층하여 그 스테이터블록을 방사상으로 적층하여 이루어진다.

상기 압축유닛(40)은 상기 제1 프레임(21)에 일체로 형성되는 동시에 별개로 삽입되어 고정되는 실린더(41)와, 상기 왕복동모터(30)의 가동자(33)에 결합되어 상기 실린더(41)의 압축공간(P)에서 왕복운동을 하는 피스톤(42)과, 상기 피스톤(42)의 선단에 장착되어 그 피스톤(42)의 흡입유로(42a)를 개폐하면서 냉매가스의 흡입을 조절하는 흡입밸브(43)와, 상기 실린더(41)의 토출측에 장착되어 상기 실린더(41)의 압축공간(P)을 개폐하면서 압축가스의 토출을 조절하는 토출밸브(44)와, 상기 토출밸브(44)를 탄력적으로 지지하는 밸브스프링(45)과, 상기 토출밸브(44)와 밸브스프링(45)을 수용하도록 상기 실린더(41)의 토출측에서 상기 제1 프레임(21)에 고정되는 토출커버(46)로 이루어진다.

상기 공진유닛(50)은 상기 가동자(33)와 피스톤(42)의 연결부에 결합되는 스프링서포터(51)와, 상기 스프링서포터(51)의 전방측에 지지되는 제1 공진스프링들(52)과, 상기 스프링서포터(51)의 후방측에 지지되는 제2 공진스프링들(53)로 이루어진다.

도면중 미설명 부호인 D는 토출공간이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 상기 왕복동모터(30)에 전 원이 인가되어 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32)의 사이에 자속이 형성되면, 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이의 공극에 놓인 상기 가동자(33)가 자속 방향을 따라 움직이면서 상기 공진유닛()에 의해 지속적으로 왕복운동을 하게 된다. 그리고 상기 피스톤(42)이 상기 실린더(41)의 내부에서 후진운동을 할 때 상기 케이싱(10)의 내부공간에 채워져 있던 냉매가 상기 피스톤(42)의 흡입유로(42a)와 상기 흡입밸브(43)를 통과하여 상기 실린더(41)의 압축공간(P)으로 흡입된다. 그리고 상기 피스톤(42)이 실린더(41)의 내부에서 전진운동을 할 때 상기 압축공간(P)으로 흡입된 냉매가스가 압축되어 상기 토출밸브(44)를 열면서 토출하는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이때, 상기 왕복동모터(30)에서 발생되는 자속은 상기 왕복동모터(30)의 외측고정자(31)와 내측고정자(32) 사이에서만 형성되는 것이 모터의 효율을 가장 높일 수 있으나, 상기 왕복동식 압축기는 그 구조적인 특성상 상기 외측고정자(31)와 내측고정자(32)의 주변에 제1 프레임(21)과 실린더(41) 등이 위치하게 된다. 따라서 상기 왕복동모터(30)의 효율을 높이기 위하여는 그 왕복동모터(30)의 자속이 제1 프레임(21)을 통해 실린더(41)로 누설되는 것을 최소화할 수 있도록 하여야 한다. 이를 위해, 본 발명에서는 상기 제1 프레임(21)과 내측고정자(32)가 접하는 부위, 즉 상기 제1 프레임(21)의 내측면 안쪽에 그 제1 프레임(21)보다 도전율이 높은 자속안내부재(24)를 개재함으로써 상기 제1 프레임(21)으로 누설되는 자속이 상기 자속안내부재(24)에 의해 상기 내측고정자(32)로 안내되도록 하여 와전류로 인한 실린더(41)로의 자속누설을 줄일 수 있다. 이를 통해 모터의 철손을 저감시켜 모터와 이를 채용한 왕복동식 압축기의 효율을 향상시킬 수 있다.

예컨대, 상기 제1 프레임(21)이 잉곳 알루미늄으로 제작하고 상기 자속안내부재(24)를 구리로 제작할 경우, 상기 제1 프레임(21)과 자속안내부재(24)를 모두 잉곳 알루미늄으로 제작하는 것에 비해 대략 22%정도의 철손저감 효과와 철손저항이 대략 2Ω정도 저감되면서 왕복동모터의 에너지효율(EER)이 0.06% 정도 향상될 수 있다.

또, 상기 제1 프레임(21)과 자속안내부재(24)를 각각 잉곳 알루미늄과 구리로 제작할 경우, 상기 구리로 된 자속안내부재(24)에 의해 상기 제1 프레임(21)에서 실린더(41)로의 자속 침투를 차단하는 소위 셔틀로스(shuttle loss) 저감 효과, 즉 마그네트에 의해서만 발생되는 자속에 의한 자력손실 저감 효과가 91.3% 수준에 달하고. 이로 인해 왕복동모터의 에너지효율(EER)이 대략 0.03% 향상될 수 있다.

그리고 상기 왕복동모터가 왕복동식 압축기에 적용되는 경우에는 AC저항(Rac)이 잉곳 알루미늄으로 상기 제1 프레임(21)과 자속안내부재(24)를 형성하는 것에 비해 대략 1.83Ω 정도 감소하여 왕복동식 압축기의 에너지 효율(EER)이 대략 0.07% 정도 향상될 수 있다.

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

도 1은 본 발명 왕복동식 압축기의 일례를 보인 종단면도,

도 2는 도 1에 따른 왕복동식 압축기에서 프레임유닛과 왕복동모터 그리고 압축유닛의 결합상태를 확대하여 보인 종단면도,

도 3은 도 1에 따른 왕복동식 압축기에서 프레임유닛과 왕복동모터 그리고 실린더를 분리하여 보인 사시도,

도 4는 도 1에 따른 왕복동식 압축기에서 자속안내부재를 구비한 경우 제1 프레임으로 누설되는 자속이 왕복동모터로 안내되는 모양을 보인 개략도

도 5 및 도 6은 도 1에 따른 왕복동식 압축기의 다른 실시예들을 보인 것으로, 자속안내부재를 별도로 조립할 때 조립위치를 용이하게 설정하기 위한 구조를 각각 보인 종단면도.

Claims (11)

1. 코일이 감기는 제1 고정자와, 상기 제1 고정자와 일정 공극을 두고 배치되는 제2 고정자와, 상기 제1 고정자와 제2 고정자 사이에 배치되어 왕복운동을 하도록 마그네트를 갖는 가동자를 포함한 왕복동모터;

   상기 왕복동모터의 제1 고정자와 제2 고정자를 지지하는 프레임;

   상기 프레임에 결합되어 압축공간을 형성하는 실린더;

   상기 실린더의 압축공간에 삽입되고 상기 왕복동모터의 가동자에 결합되어 그 가동자와 함께 왕복운동을 하는 피스톤;

   상기 실린더의 압축공간을 개폐하는 밸브들;

   상기 피스톤의 공진운동을 안내하는 복수 개의 공진스프링; 및

   상기 제2 고정자와 프레임 사이에 개재되어 자속을 상기 제2 고정자로 안내하는 자속안내부재;를 포함하고,

   상기 프레임은 환형으로 형성되어 상기 실린더가 삽입 결합되며, 상기 제2 고정자는 상기 실린더의 외주면에 삽입되어 결합되고,

   상기 자속안내부재는 환형으로 형성되어 상기 실린더에 삽입되어 결합되며, 상기 가동자의 운동방향 일측면은 상기 프레임의 일측면에 밀착되는 반면 가동자의 운동방향 타측면은 상기 제2 고정자의 일측면에 밀착되어 결합되고,

   상기 자속안내부재는 상기 프레임에 비해 도전율(conductivity)이 높은 재질로 형성되는 왕복동식 압축기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 프레임은 알루미늄 재질로 형성되고, 상기 자속안내부재는 구리로 형성되는 왕복동식 압축기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 자속안내부재는 그 두께가 상기 자속안내부재가 접하는 범위의 프레임의 두께 대비 1/3 이상으로 형성되는 왕복동식 압축기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 자속안내부재는 상기 가동자의 운동방향 타측면이 상기 제2 고정자의 대응면과 동일한 형상으로 형성되는 왕복동식 압축기.
6. 제1항 및 제3항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 자속안내부재는 상기 프레임과 일체로 형성되는 왕복동식 압축기.
7. 제6항에 있어서,

   상기 자속안내부재는 상기 프레임에 인서트 다이캐스팅으로 형성되는 왕복동식 압축기.
8. 제1항, 제3항, 제4항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 자속안내부재는 상기 프레임과 별도로 제작하여 조립되는 왕복동식 압축기.
9. 제8항에 있어서,

   상기 자속안내부재의 일측면과 이 자속안내부재가 대응되는 프레임의 일측면 에는 각각 적어도 한 개 이상씩의 기준돌기와 기준홈이 서로 형합되도록 형성되는 왕복동식 압축기.
10. 제8항에 있어서,

    상기 자속안내부재의 일측면과 이 자속안내부재가 대응되는 프레임의 일측면에는 각각 삽입돌부와 삽입홈부가 서로 형합되도록 형성되는 왕복동식 압축기.
11. 삭제

Images