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KR102278769B1 - 리니어 압축기 - Google Patents

리니어 압축기 Download PDF

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KR102278769B1
KR102278769B1 KR1020150033963A KR20150033963A KR102278769B1 KR 102278769 B1 KR102278769 B1 KR 102278769B1 KR 1020150033963 A KR1020150033963 A KR 1020150033963A KR 20150033963 A KR20150033963 A KR 20150033963A KR 102278769 B1 KR102278769 B1 KR 102278769B1
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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에는, 흡입부가 제공되는 쉘; 상기 쉘의 내부에 구비되며, 냉매의 압축공간을 형성하는 실린더; 상기 실린더의 내부에서 축방향으로 왕복운동 가능하게 제공되는 피스톤; 상기 실린더의 일측에 제공되며, 상기 냉매의 압축공간에서 압축된 냉매를 선택적으로 배출시키는 토출 밸브; 및 상기 실린더에 형성되며, 상기 토출 밸브를 통하여 배출된 냉매 중 적어도 일부의 냉매가 유동하는 노즐부; 및 상기 노즐부로부터 상기 실린더의 내주면으로 연장되며, 상기 노즐부의 유동 단면적보다 큰 유동 단면적을 가지는 확장부가 포함된다.

Description

리니어 압축기 {A linear compressor}
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다.
냉각 시스템이란, 냉매를 순환하여 냉기를 발생시키는 시스템으로서, 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 반복하여 수행한다. 이를 위하여, 상기 냉각 시스템에는, 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기가 포함된다. 그리고, 상기 냉각 시스템은, 가전제품으로서 냉장고 또는 에어컨에 설치될 수 있다.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축하여 압력을 높여주는 기계장치로서, 상기 가전제품 또는 산업전반에 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 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되고 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor) 및 선회 스크롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되고 상기 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전하면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 구분될 수 있다.
최근에는 상기 왕복동식 압축기 중에서 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없이 압축효율을 향상시킬 수 있고 간단한 구조로 구성되는 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.
보통, 리니어 압축기는 밀폐된 쉘 내부에서 피스톤이 리니어 모터에 의해 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하도록 움직이면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음 토출시키도록 구성된다.
상기 리니어 모터는 이너 스테이터 및 아우터 스테이터 사이에 영구자석이 위치되도록 구성되며, 영구자석은 영구자석과 이너(또는 아우터) 스테이터 간의 상호 전자기력에 의해 직선 왕복 운동하도록 구동된다. 그리고, 상기 영구자석이 피스톤과 연결된 상태에서 구동됨에 따라, 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선운동하면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 한다.
종래의 리니어 압축기와 관련하여, 본 출원인은 특허출원(이하, 선행문헌)을 실시하여 등록받은 바 있다.
[선행문헌]
1. 등록번호 10-1307688호, 등록일자 : 2013년 9월 5일, 발명의 명칭 : 리니어 압축기
상기 선행문헌에 따른 리니어 압축기에는, 다수의 부품을 수용하는 쉘(110)이 포함된다. 상기 쉘(110)의 상하 방향으로의 높이는, 선행문헌의 도 2에 도시되는 바와 같이, 다소 높게 형성된다.
그리고, 상기 쉘(110)의 내부에는 실린더(200)와 피스톤(300) 사이로 오일을 공급할 수 있는 급유 어셈블리(900)가 제공된다.
한편, 리니어 압축기가 냉장고에 제공되는 경우, 상기 리니어 압축기는 냉장고의 후방 하측에 구비되는 기계실에 설치될 수 있다.
최근, 냉장고의 내부 저장공간을 증대하는 것이 소비자의 주요 관심사가 되고 있다. 상기 냉장고의 내부 저장공간을 증대하기 위하여는, 상기 기계실의 용적을 줄일 필요가 있고, 상기 기계실의 용적을 줄이기 위하여 상기 리니어 압축기의 크기를 줄이는 것이 주요 이슈가 되고 있다.
그러나, 선행문헌에 개시된 리니어 압축기는 상대적으로 큰 부피를 차지하고 있어, 내부 저장공간을 증대하기 위한 냉장고에는 적합하지 않은 문제점이 있다.
상기 리니어 압축기의 크기를 줄이기 위하여 압축기의 주요 부품을 작게 만들 필요가 있으나, 이 경우 압축기의 성능이 약화되는 문제점이 발생될 수 있다.
상기 압축기의 성능이 약화되는 문제점을 보상하기 위하여, 압축기의 운전 주파수를 증가하는 것을 고려할 수 있다. 다만, 압축기의 운전 주파수가 증가할수록 압축기의 내부에서 순환되는 오일에 의한 마찰력이 증가하여 압축기의 성능이 저하되는 문제점이 나타난다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 리니어 압축기의 실린더와 피스톤 사이에 가스 베어링이 용이하게 작동하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에는, 흡입부가 제공되는 쉘; 상기 쉘의 내부에 구비되며, 냉매의 압축공간을 형성하는 실린더; 상기 실린더의 내부에서 축방향으로 왕복운동 가능하게 제공되는 피스톤; 상기 실린더의 일측에 제공되며, 상기 냉매의 압축공간에서 압축된 냉매를 선택적으로 배출시키는 토출 밸브; 및 상기 실린더에 형성되며, 상기 토출 밸브를 통하여 배출된 냉매 중 적어도 일부의 냉매가 유동하는 노즐부; 및 상기 노즐부로부터 상기 실린더의 내주면으로 연장되며, 상기 노즐부의 유동 단면적보다 큰 유동 단면적을 가지는 확장부가 포함된다.
또한, 상기 확장부는 상기 실린더의 내주면으로부터 외측으로 함몰되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 노즐부는 상기 실린더의 외주면에 연결되며, 상기 확장부는 상기 실린더의 내주면에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 확장부는, 냉매의 유동방향을 기준으로, 유동 단면적이 점점 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 확장부에는, 상기 노즐부로부터 축 방향으로 연장되는 제 1 연장부; 및 상기 제 1 연장부로부터 상기 피스톤의 외주면에 대하여 교차하는 방향으로 연장하는 제 2 연장부가 포함된다.
또한, 상기 제 2 연장부는 상기 실린더의 반경 방향에 대하여 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 확장부는, 뿔이 잘린 원뿔형의 형상을 가진다.
또한, 상기 제 2 연장부는 상기 실린더의 반경 방향으로 연장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 확장부는 설정된 축방향의 폭(W2)과 반경방향 높이(H2)를 가지도록 형성되며, 상기 확장부의 반경방향 높이(H2)는, 상기 실린더와 피스톤 사이의 이격공간(C1)의 반경방향 높이(H1)와 같거나, 그보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 노즐부는, 상기 실린더의 외주면으로부터 상기 실린더의 반경방향 내측으로 연장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 노즐부 및 확장부는, 각각 복수 개로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실린더의 외주면으로부터 함몰되는 가스 유입부; 및 상기 가스 유입부에 설치되는 실(thread) 필터가 더 포함된다.
또한, 상기 노즐부는 상기 가스 유입부로부터 상기 실린더의 내주면을 향하여 연장되는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에 따른 리니어 압축기에는, 흡입부가 제공되는 쉘; 상기 쉘의 내부에 구비되며, 냉매의 압축공간을 형성하는 실린더; 상기 실린더의 내부에서 축방향으로 왕복운동 가능하게 제공되는 피스톤; 상기 실린더의 일측에 제공되며, 상기 냉매의 압축공간에서 압축된 냉매를 선택적으로 배출시키는 토출 밸브; 상기 실린더의 외주면으로부터 함몰되어, 상기 토출 밸브에서 배출된 냉매의 적어도 일부를 유입시키는 노즐부; 및 상기 노즐부에 연통하며, 상기 실린더의 내주면으로부터 함몰되어 상기 실린더와 피스톤의 간섭을 방지하는 홈(groove)이 포함된다.
또한, 상기 토출 밸브에서 배출된 냉매는 상기 노즐부를 경유하여 상기 홈으로 유입되며, 상기 홈의 유동 단면적은 상기 노즐부의 유동 단면적보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 홈의 반경방향 높이(H2)는, 상기 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면 사이의 반경방향 높이(H1)의 1/2배보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 홈의 반경방향 높이(H2)는, 상기 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면 사이의 반경방향 높이(H1)의 4배보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 의하면, 내부 부품을 포함한 압축기의 크기를 작게 함으로써, 냉장고의 기계실의 크기를 줄일 수 있고 이에 따라 냉장고의 내부 저장공간을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 압축기의 운전 주파수를 증가함으로써 작아진 내부 부품에 의한 성능 저하를 방지할 수 있으며, 실린더와 피스톤 사이에 가스 베어링을 적용함으로써 오일에 의하여 발생할 수 있는 마찰력을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 실린더에는 가스 베어링을 위한 냉매가 유입되는 노즐부 및 상기 노즐부로부터 유동 단면적이 확장되는 확장부가 형성됨으로써, 가스 베어링에 의한 피스톤의 부상력이 향상될 수 있게 된다.
그리고, 상기 확장부가 제공됨으로써, 상기 노즐부를 가공할 때 발생할 수 있는 가공물 찌꺼기(버어, burr)가 실린더 또는 피스톤에 작용하여 마모가 발생되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 압축기의 내부에 다수의 필터장치를 구비함으로써, 실린더의 노즐로부터 피스톤의 외측으로 유입되는 압축 가스(또는 토출 가스) 중에 이물 또는 유분이 포함되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
특히, 흡입 머플러에 제 1 필터를 구비함으로써 냉매 중에 포함된 이물이 압축실로 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 실린더와 프레임의 결합부에 제 2 필터를 구비함으로써 압축된 냉매 가스중에 포함된 이물 또는 유분이 실린더의 가스 유입부로 유동하는 것을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 다수의 필터장치를 통하여, 압축기에서 베어링으로 작용하는 압축 가스로부터 이물 또는 유분을 필터링 할 수 있으므로, 상기 이물 또는 유분에 의하여 실린더의 노즐부가 막히는 현상을 방지할 수 있다.
상기 실린더의 노즐부가 막히는 현상을 방지함으로서, 실린더와 피스톤 사이에서 가스 베어링의 작용이 효과적으로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 실린더와 피스톤의 마모를 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흡입 머플러의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제 2 필터가 배치된 모습을 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 프레임의 구성을 보여주는 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 피스톤의 결합모습을 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실린더의 구성을 보여주는 분해 사시도이다.
도 7 및 도 8은 도 5의 "A"를 확대한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 피스톤의 배치 모습을 보여주는 단면도이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 확장부가 제공되지 않을 경우, 실린더 내의 압력 분포를 보여주는 도면이다.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 확장부가 제공되는 경우, 실린더 내의 압력 분포를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 냉매 유동모습을 보여주는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐부 및 확장부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실린더의 구성을 보여주는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기(100)에는, 대략 원통 형상의 쉘(101)과, 상기 쉘(101)의 일측에 결합되는 제 1 커버(102) 및 타측에 결합되는 제 2 커버(103)가 포함된다. 일례로, 상기 리니어 압축기(100)는 가로 방향으로 누워져 있으며, 상기 제 1 커버(102)는 상기 쉘(101)의 우측에, 상기 제 2 커버(103)는 상기 쉘(101)의 좌측에 결합될 수 있다.
넓은 의미에서, 상기 제 1 커버(102)와 제 2 커버(103)는 상기 쉘(101)의 일 구성으로서 이해될 수 있다.
상기 리니어 압축기(100)에는, 상기 쉘(101)의 내부에 제공되는 실린더(120)와, 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동하는 피스톤(130) 및 상기 피스톤(130)에 구동력을 부여하는 리니어 모터로서 모터 어셈블리(140)가 포함된다.
상기 모터 어셈블리(140)가 구동하면, 상기 피스톤(130)은 고속으로 왕복 운동할 수 있다. 본 실시예에 따른 리니어 압축기(100)의 운전 주파수는 대략 100Hz를 형성한다.
상세히, 상기 리니어 압축기(100)에는, 냉매가 유입되는 흡입부(104) 및 상기 실린더(120)의 내부에서 압축된 냉매가 배출되는 토출부(105)가 포함된다. 상기 흡입부(104)는 상기 제 1 커버(102)에 결합되고, 상기 토출부(105)는 상기 제 2 커버(103)에 결합될 수 있다.
상기 흡입부(104)를 통하여 흡입된 냉매는 흡입 머플러(150)를 거쳐 상기 피스톤(130)의 내부로 유동한다. 냉매가 상기 흡입 머플러(150)를 통과하는 과정에서, 소음이 저감될 수 있다. 상기 흡입 머플러(150)는, 제 1 머플러(151)와 제 2 머플러(153)가 결합되어 구성된다. 상기 흡입 머플러(150)의 적어도 일부분은 상기 피스톤(130)의 내부에 위치된다.
상기 피스톤(130)에는, 대략 원통형상의 피스톤 본체(131) 및 상기 피스톤 본체(131)로부터 반경 방향으로 연장되는 피스톤 플랜지부(132)가 포함된다. 상기 피스톤 본체(131)는 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 운동하며, 상기 피스톤 플랜지부(132)는 상기 실린더(120)의 외측에서 왕복 운동할 수 있다.
상기 피스톤(130)은 비자성체인 알루미늄 소재(알루미늄 또는 알루미늄 합금)로 구성될 수 있다. 상기 피스톤(130)이 알루미늄 소재로 구성됨으로써, 상기 모터 어셈블리(140)에서 발생된 자속이 상기 피스톤(130)에 전달되어 상기 피스톤(130)의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있다. 그리고, 상기 피스톤(130)은 단조 방법에 의하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 실린더(120)는 비자성체인 알루미늄 소재(알루미늄 또는 알루미늄 합금)로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 소재 구성비, 즉 종류 및 성분비는 동일할 수 있다.
상기 실린더(120)가 알루미늄 소재로 구성됨으로써, 상기 모터 어셈블리(140)에서 발생된 자속이 상기 실린더(120)에 전달되어 상기 실린더(120)의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있다. 그리고, 상기 실린더(120)는 압출봉 가공방법에 의하여 형성될 수 있다.
그리고, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)가 동일한 소재(알루미늄)로 구성됨으로써 열팽창 계수가 서로 같게 된다. 리니어 압축기(100)의 운전간, 상기 쉘(100) 내부는 고온(약 100℃)의 환경이 조성되는데, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)의 열팽창 계수가 동일하므로, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)는 동일한 양만큼 열변형 될 수 있다.
결국, 피스톤(130)과 실린더(120)가 서로 다른 크기 또는 방향으로 열변형 됨으로써, 피스톤과(130)의 운동간에 상기 실린더(120)와 간섭이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 실린더(120)는, 상기 흡입 머플러(150)의 적어도 일부분과, 상기 피스톤(130)의 적어도 일부분을 수용하도록 구성된다.
상기 실린더(120)의 내부에는, 상기 피스톤(130)에 의하여 냉매가 압축되는 압축 공간(P)이 형성된다. 그리고, 상기 피스톤(130)의 전방부에는, 상기 압축 공간(P)으로 냉매를 유입시키는 흡입공(133)이 형성되며, 상기 흡입공(133)의 전방에는 상기 흡입공(133)을 선택적으로 개방하는 흡입 밸브(135)가 제공된다. 상기 흡입 밸브(135)의 대략 중심부에는, 소정의 체결부재가 결합되는 체결공이 형성된다.
상기 압축 공간(P)의 전방에는, 상기 압축 공간(P)에서 배출된 냉매의 토출공간 또는 토출 유로를 형성하는 토출 커버(160) 및 상기 토출 커버(160)에 결합되며 상기 압축 공간(P)에서 압축된 냉매를 선택적으로 배출시키기 위한 토출밸브 어셈블리(161,162,163)가 제공된다.
상기 토출밸브 어셈블리(161,162,163)에는, 상기 압축 공간(P)의 압력이 토출압력 이상이 되면 개방되어 냉매를 상기 토출 커버(160)의 토출 공간으로 유입시키는 토출 밸브(161)와, 상기 토출 밸브(161)와 토출 커버(160)의 사이에 제공되어 축 방향으로 탄성력을 부여하는 밸브 스프링(162) 및 상기 밸브 스프링(162)의 변형량을 제한하는 스토퍼(163)가 포함된다.
여기서, 상기 압축 공간(P)은 상기 흡입 밸브(135)와 상기 토출 밸브(161)의 사이에 형성되는 공간으로서 이해된다. 그리고, 상기 흡입 밸브(135)는 상기 압축 공간(P)의 일측에 형성되고, 상기 토출 밸브(161)는 상기 압축 공간(P)의 타측, 즉 상기 흡입 밸브(135)의 반대측에 제공될 수 있다.
그리고, 상기 "축 방향"이라 함은, 상기 피스톤(130)이 왕복운동 하는 방향, 즉 도 3에서 가로 방향으로 이해될 수 있다. 그리고, 상기 "축 방향" 중에서, 상기 흡입부(104)로부터 상기 토출부(105)를 향하는 방향, 즉 냉매가 유동하는 방향을 "전방"이라 하고, 그 반대방향을 "후방"이라 정의한다.
반면에, "반경 방향"이라 함은 상기 피스톤(130)이 왕복운동 하는 방향에 수직한 방향으로서, 도 1의 세로 방향으로 이해될 수 있다.
상기 스토퍼(163)는 상기 토출 커버(160)에 안착되고, 상기 밸브 스프링(162)은 상기 스토퍼(163)의 후방에 안착될 수 있다. 그리고, 상기 토출 밸브(161)는 상기 밸브 스프링(162)에 결합되며, 상기 토출 밸브(161)의 후방부 또는 후면은 상기 실린더(120)의 전면에 지지되도록 위치된다.
상기 밸브 스프링(162)에는, 일례로 판 스프링(plate spring)이 포함될 수 있다.
상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동 하는 과정에서, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력보다 낮고 흡입압력 이하가 되면 상기 흡입 밸브(135)가 개방되어 냉매는 상기 압축 공간(P)으로 흡입된다. 반면에, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 흡입압력 이상이 되면 상기 흡입 밸브(135)가 닫힌 상태에서 상기 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
한편, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력 이상이 되면, 상기 밸브 스프링(162)이 변형하여 상기 토출 밸브(161)를 개방시키고, 냉매는 상기 압축공간(P)으로부터 토출되어, 토출 커버(160)의 토출공간으로 배출된다.
그리고, 상기 토출 커버(160)의 토출 공간을 유동하는 냉매는 루프 파이프(165)로 유입된다. 상기 루프 파이프(165)는 상기 토출 커버(160)에 결합되어 상기 토출부(105)로 연장되며, 상기 토출 공간의 압축 냉매를 상기 토출부(105)로 가이드 한다. 일례로, 상기 루프 파이프(178)는 소정 방향으로 감겨진 형상을 가지고 라운드지게 연장되며, 상기 토출부(105)에 결합된다.
상기 리니어 압축기(100)에는, 프레임(110)이 더 포함된다. 상기 프레임(110)은 상기 실린더(120)를 고정시키는 구성으로서, 별도의 체결부재에 의하여 상기 실린더(120)에 체결될 수 있다. 상기 프레임(110)은 상기 실린더(120)를 둘러싸도록 배치된다. 즉, 상기 실린더(120)는 상기 프레임(110)의 내측에 수용되도록 위치될 수 있다. 그리고, 상기 토출 커버(160)는 상기 프레임(110)의 전면에 결합될 수 있다.
한편, 개방된 토출 밸브(161)를 통하여 배출된 고압의 가스 냉매 중 적어도 일부의 가스 냉매는 상기 실린더(120)와 프레임(110)이 결합된 부분의 공간을 통하여 상기 실린더(120)의 외주면 측으로 유동될 수 있다.
그리고, 냉매는 상기 실린더(120)에 형성된 노즐부(123, 도 7 참조)를 통하여 상기 실린더(120)의 내부로 유입된다. 유입된 냉매는 상기 피스톤(130)과 실린더(120) 사이의 공간(C1, 도 7 참조)으로 유동되어 상기 피스톤(130)의 외주면이 상기 실린더(120)의 내주면으로부터 이격되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 유입된 냉매는 상기 피스톤(130)의 왕복 운동간 실린더(120)와의 마찰을 감소시키는 "가스 베어링"으로서 기능할 수 있다.
상기 모터 어셈블리(140)에는, 상기 프레임(110)에 고정되어 상기 실린더(120)를 둘러싸도록 배치되는 아우터 스테이터(141,143,145)와, 상기 아우터 스테이터(141,143,145)의 내측으로 이격되어 배치되는 이너 스테이터(148) 및 상기 아우터 스테이터(141,143,145)와 이너 스테이터(148)의 사이 공간에 위치하는 영구자석(146)이 포함된다.
상기 영구자석(146)은, 상기 아우터 스테이터(141,143,145) 및 이너 스테이터(148)와의 상호 전자기력에 의하여 직선 왕복 운동할 수 있다. 그리고, 상기 영구자석(146)은 1개의 극을 가지는 단일 자석으로 구성되거나, 3개의 극을 가지는 다수의 자석이 결합되어 구성될 수 있다.
상기 영구자석(146)은 연결부재(138)에 의하여 상기 피스톤(130)에 결합될 수 있다. 상세히, 상기 연결부재(138)는 상기 피스톤 플랜지부(132)에 결합되어 상기 영구자석(146)을 향하여 절곡하여 연장될 수 있다. 상기 영구자석(146)이 왕복 운동함에 따라, 상기 피스톤(130)은 상기 영구자석(146)과 함께 축 방향으로 왕복 운동할 수 있다.
그리고, 상기 모터 어셈블리(140)에는, 상기 영구자석(146)을 상기 연결부재(138)에 고정하기 위한 고정부재(147)가 더 포함된다. 상기 고정부재(147)에는, 유리 섬유 또는 탄소 섬유와 수지(resin)가 혼합되어 구성될 수 있다. 상기 고정부재(147)는 상기 영구자석(146)의 내측 및 외측을 감싸도록 제공되어, 상기 영구자석(146)과 상기 연결부재(138)의 결합상태를 견고하게 유지시킬 수 있다.
상기 아우터 스테이터(141,143,145)에는, 코일 권선체(143,145) 및 스테이터 코어(141)가 포함된다.
상기 코일 권선체(143,145)에는, 보빈(143) 및 상기 보빈(143)의 원주 방향으로 권선된 코일(145)이 포함된다. 상기 코일(145)의 단면은 다각형 형상을 가질 수 있으며, 일례로 육각형의 형상을 가질 수 있다.
상기 스테이터 코어(141)는 복수 개의 라미네이션(lamination)이 원주 방향으로 적층되어 구성되며, 상기 코일 권선체(143,145)를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 아우터 스테이터(141,143,145)의 일측에는 스테이터 커버(149)가 제공된다. 상기 아우터 스테이터(141,143,145)의 일측부는 상기 프레임(110)에 의하여 지지되며, 타측부는 상기 스테이터 커버(149)에 의하여 지지될 수 있다.
상기 이너 스테이터(148)는 상기 프레임(110)의 외주에 고정된다. 그리고, 상기 이너 스테이터(148)는 복수 개의 라미네이션이 상기 프레임(110)의 외측에서 원주 방향으로 적층되어 구성된다.
상기 리니어 압축기(100)에는, 상기 피스톤(130)을 지지하는 서포터(137) 및 상기 서포터(137)에 스프링 결합되는 백 커버(170)가 더 포함된다.
상기 서포터(137)는 소정의 체결부재에 의하여, 상기 피스톤 플랜지부(132) 및 상기 연결부재(138)에 결합된다.
상기 백 커버(170)의 전방에는, 흡입 가이드부(155)가 결합된다. 상기 흡입 가이드부(155)는 상기 흡입부(104)를 통하여 흡입된 냉매가 상기 흡입 머플러(150)에 유입되도록 안내한다.
상기 리니어 압축기(100)에는, 상기 피스톤(130)이 공진 운동할 수 있도록 각 고유 진동수가 조절된 복수의 스프링(176)이 포함된다.
상기 복수의 스프링(176)에는, 상기 서포터(137)와 스테이터 커버(149)의 사이에 지지되는 제 1 스프링 및 상기 서포터(137)와 백 커버(170)의 사이에 지지되는 제 2 스프링이 포함된다.
상기 리니어 압축기(100)에는, 상기 쉘(101)의 양측에 제공되어 상기 압축기(100)의 내부 부품이 상기 쉘(101)에 지지되도록 하는 판 스프링(172,174)이 더 포함된다.
상기 판 스프링(172,174)에는, 상기 제 1 커버(102)에 결합되는 제 1 판 스프링(172) 및 상기 제 2 커버(103)에 결합되는 제 2 판 스프링(174)이 포함된다. 일례로, 상기 제 1 판 스프링(172)은 상기 쉘(101)과 제 1 커버(102)가 결합되는 부분에 끼워질 수 있으며, 상기 제 2 판 스프링(174)은 상기 쉘(101)과 제 2 커버(103)가 결합되는 부분에 끼워지도록 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흡입 머플러의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 흡입 머플러(150)에는, 제 1 머플러(151)와, 상기 제 1 머플러(151)에 결합되는 제 2 머플러(153) 및 상기 제 1 머플러(151)와 제 2 머플러(153)에 의하여 지지되는 제 1 필터(310)가 포함된다.
상기 제 1 머플러(151) 및 제 2 머플러(153)는, 그 내부에 냉매가 유동하는 유동 공간부가 형성된다. 상세히, 상기 제 1 머플러(151)는 상기 흡입부(104)의 내측에서 상기 토출부(105) 방향으로 연장되며, 상기 제 1 머플러(151)의 적어도 일부분은 상기 흡입 가이드부(155)의 내부로 연장된다. 그리고, 상기 제 2 머플러(153)는 상기 제 1 머플러(151)로부터 상기 피스톤 본체(131)의 내부로 연장된다.
상기 제 1 필터(310)는, 상기 유동 공간부에 설치되어 이물을 필터링 하는 구성으로서 이해된다. 상기 제 1 필터(310)는 자성을 가지는 물질로 구성되어, 냉매 중에 포함된 이물, 특히 금속 오물의 필터링이 용이해질 수 있다.
일례로, 상기 제 1 필터(310)는 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 구성되어, 소정의 자성을 가질 수 있고 녹스는 현상이 방지될 수 있다.
다른 예로서, 상기 제 1 필터(310)에는 자성을 가지는 물질이 코팅되거나, 상기 제 1 필터(310)의 표면에 자석이 부착되도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 필터(310)는 다수의 필터공을 가지는 메쉬(mesh) 타입으로 구성될 수 있으며, 대략 원판형의 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 필터공은 소정 크기 이하의 직경 또는 폭을 가질 수 있다. 일례로, 상기 소정 크기는 약 25μm일 수 있다.
상기 제 1 머플러(151)와 제 2 머플러(153)는 압입 방식으로 조립될 수 있다. 그리고, 상기 제 1 필터(310)는 상기 제 1 머플러(151)와 제 2 머플러(153)의 압입되는 부분에 끼워져서 조립될 수 있다.
일례로, 상기 제 1 머플러(151) 및 제 2 머플러(153) 중 어느 하나에는, 홈부가 형성되고, 다른 하나에는 상기 홈부가 삽입되는 돌기부가 포함될 수 있다.
상기 제 1 필터(310)의 양측부가, 상기 홈부와 돌기부의 사이에 개재된 상태에서, 상기 제 1 필터(310)는 상기 제 1,2 머플러(151,153)에 의하여 지지될 수 있다.
상세히, 상기 제 1 필터(310)가 상기 제 1,2 머플러(151,153)의 사이에 위치된 상태에서, 상기 제 1 머플러(151)와 제 2 머플러(153)가 서로 가까워지는 방향으로 이동하여 압입되면, 상기 제 1 필터(310)의 양측부는 상기 홈부와 돌기부의 사이에 끼워져서 고정될 수 있다.
이와 같이, 상기 흡입 머플러(150)에 제 1 필터(310)가 제공됨으로써, 상기 흡입부(104)를 통하여 흡입된 냉매 중 소정 크기 이상의 이물은 상기 제 1 필터(310)에 의하여 필터링 될 수 있다. 따라서, 피스톤(130)과 실린더(120) 사이의 가스 베어링으로 작용하는 냉매에 이물이 포함되어, 상기 실린더(120)에 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제 1 필터(310)가 상기 제 1,2 머플러(151,153)의 압입되는 부분에 견고하게 고정되므로 상기 흡입 머플러(150)로부터 분리되는 현상을 방지할 수있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제 2 필터가 배치된 모습을 보여주는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 프레임의 구성을 보여주는 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기(100)에는, 프레임(110)과 실린더(120)의 사이에 구비되어 토출 밸브(161)를 통하여 배출된 고압의 가스 냉매를 필터링 하기 위한 제 2 필터(320)가 포함된다.
상기 제 2 필터(320)는 상기 프레임(110)과 실린더(120)가 결합되는 부분 또는 결합면에 위치될 수 있다.
상세히, 상기 실린더(120)에는, 대략 원통 형상의 실린더 본체(121) 및 상기 실린더 본체(121)로부터 반경 방향으로 연장되는 실린더 플랜지부(125)가 포함된다.
상기 실린더 본체(121)에는, 토출된 가스 냉매가 유입되는 노즐 어셈블리(122)가 포함된다. 상기 노즐 어셈블리(122)는 상기 실린더 본체(121)의 외주면을 따라 대략 원형을 형성한다.
상기 노즐 어셈블리(122)는 복수 개가 제공된다. 상기 복수의 노즐 어셈블리(122)에는, 상기 실린더 본체(121)의 축 방향 중심부로부터 일측에 위치하는 제 1 어셈블리(122a) 및 제 2 어셈블리(122b)와, 상기 축 방향 중심부로부터 타측에 위치하는 제 2 어셈블리(122c)가 포함된다.
상기 제 1 내지 제 3 노즐 어셈블리(122a,122b,122c)에는, 복수의 노즐부(123)가 포함된다. 상기 복수의 노즐부(123)는 서로 이격되어, 상기 실린더 본체(121)의 외주면으로부터 반경방향 내측으로 함몰되도록 형성된다.
상기 실린더 플랜지부(125)에는, 상기 프레임(110)과 결합되는 체결부(126)가 구비된다. 상기 체결부(126)는 상기 실린더 플랜지부(125)의 외주면으로부터 외부 방향으로 돌출되도록 구성될 수 있다. 상기 체결부(126)는, 소정의 체결부재에 의하여 상기 프레임(110)의 실린더 체결공(118)에 결합될 수 있다.
상기 실린더 플랜지부(125)에는, 상기 프레임(110)에 안착되는 안착면(127)이 포함된다. 상기 안착면(127)은 상기 실린더 본체(121)로부터 반경 방향으로 연장되는 실린더 플랜지부(125)의 후면부일 수 있다.
상기 프레임(110)에는, 상기 실린더 본체(121)를 둘러싸는 프레임 본체(111)와, 상기 프레임 본체(111)의 반경 방향으로 연장되어 상기 토출 커버(160)에 결합되는 커버 결합부(115)가 포함된다.
상기 커버 결합부(115)에는, 상기 토출 커버(160)에 결합되는 체결부재가 삽입되는 다수의 커버 체결공(116) 및 상기 실린더 플랜지부(125)에 결합되는 체결부재가 삽입되는 다수의 실린더 체결공(118)이 형성된다. 상기 실린더 체결공(118)은 상기 커버 결합부(115)로부터 다소 함몰된 위치에 형성된다.
상기 프레임(110)에는, 상기 커버 결합부(115)로부터 후방으로 함몰되어 상기 실린더 플랜지부(125)가 삽입되는 함몰부(117)가 구비된다. 즉, 상기 함몰부(117)는 상기 실린더 플랜지부(125)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 상기 함몰부(117)의 함몰된 깊이는, 상기 실린더 플랜지부(125)의 전후방 폭에 대응될 수 있다.
상기 함몰부(117)의 내주면과, 상기 실린더 플랜지부(125)의 외주면 사이에는, 소정의 냉매 유동공간이 형성될 수 있다. 상기 토출 밸브(161)에서 토출된 고압의 가스 냉매는 상기 냉매 유동공간을 경유하여, 상기 실린더 본체(121)의 외주면을 향하여 유동될 수 있다. 상기 제 2 필터(320)는 상기 냉매 유동공간보다 후방에 설치되어, 냉매를 필터링 할 수 있다.
상세히, 상기 함몰부(117)의 후단부에는 단차지게 구비되는 안착부가 형성되며, 상기 안착부에는, 링 형상의 제 2 필터(320)가 안착될 수 있다.
상기 안착부에 상기 제 2 필터(320)가 안착된 상태에서, 상기 실린더(120)가 상기 프레임(110)에 결합되면, 상기 실린더 플랜지부(125)는 상기 제 2 필터(320)의 전방에서 상기 제 2 필터(320)를 누르게 된다. 즉, 상기 제 2 필터(320)는 상기 프레임(110)의 안착부와 상기 실린더 플랜지부(125)의 안착면(127)의 사이에 개재되어 고정될 수 있다.
상기 제 2 필터(320)는 개방된 토출 밸브(161)를 통하여 배출된 고압의 가스 냉매 중 이물이 상기 실린더(120)의 노즐부(123)로 유입되는 것을 차단하며, 냉매 중에 포함된 유분을 흡착하도록 구성될 수 있다.
일례로, 상기 제 2 필터(320)에는, PET(Polyethylene Terephthalate) 섬유로 이루어진 부직포 또는 흡착포가 포함될 수 있다. 상기 PET는 내열성 및 기계적 강도가 우수하다는 장점이 있다. 그리고, 냉매 중 2μm 이상의 이물을 차단할 수 있다.
상기 함몰부(117)의 내주면과, 상기 실린더 플랜지부(125)의 외주면 사이의 유동공간을 통과한 고압의 가스 냉매는 상기 제 2 필터(320)를 통과하게 되며, 이 과정에서 냉매는 필터링 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 피스톤의 결합모습을 보여주는 단면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실린더의 구성을 보여주는 분해 사시도이고, 도 7 및 도 8은 도 5의 "A"를 확대한 단면도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 실린더와 피스톤의 배치 모습을 보여주는 단면도이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실린더(120)에는, 대략 원통 형상을 가지며 제 1 본체단부(121a) 및 제 2 본체단부(121b)를 형성하는 실린더 본체(121) 및 상기 실린더 본체(121)의 제 2 본체단부(121b)로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 실린더 플랜지부(125)가 포함된다.
상기 제 1 본체단부(121a) 및 제 2 본체단부(121b)는 상기 실린더 본체(121)의 축방향 중심부(121c)를 기준으로 상기 실린더 본체(121)의 양측 단부를 형성한다.
상기 실린더 본체(121)에는, 상기 토출밸브(161)를 통하여 배출된 고압의 가스 냉매 중 적어도 일부의 냉매가 유동하는 복수의 노즐 어셈블리(122)가 포함된다. 상기 복수의 노즐 어셈블리(122)는 서로 이격되어 형성된다.
상기 복수의 노즐 어셈블리(122)에는, 상기 실린더 본체(121)의 축방향 중심부(121c)로부터 일측에 위치하는 제 1 어셈블리(122a) 및 제 2 어셈블리(122b)와, 상기 축방향 중심부(121c)로부터 타측에 위치하는 제 3 어셈블리(122c)가 포함된다.
상기 제 1 어셈블리(122a), 제 2 어셈블리(122b) 및 제 3 어셈블리(122c)에는, 각각 다수의 노즐부(123)가 포함된다. 상기 다수의 노즐부(123)는 상기 실린더 본체(121)의 외주면으로부터 이격되어 형성된다.
상기 노즐부(123)는 상기 실린더 본체(121)의 외주면으로부터 소정 깊이 및 폭만큼 함몰되도록 구성된다. 상기 냉매는 상기 노즐부(123)를 통하여, 상기 실린더 본체(121)의 내부로 유입될 수 있다.
그리고, 유입된 냉매는 상기 피스톤(130)의 외주면과 실린더(120)의 내주면 사이에 위치하여, 상기 피스톤(130)의 움직임에 대한 가스 베어링으로서 기능한다. 다시 말하면, 상기 유입된 냉매의 압력에 의하여, 상기 피스톤(130)의 외주면은 상기 실린더(120)의 내주면으로부터 이격된 상태를 유지하게 된다. 즉, 상기 유입된 냉매는, 상기 피스톤(130)이 싱가 실린더(120)의 내주면으로부터 부상되도록 하는, 부상력을 제공한다.
상기 제 1,2 어셈블리(122a,122b)는 상기 실린더 본체(121)의 축방향 중심부(121c)를 기준으로 상기 제 2 본체단부(121b)에 더 가깝게 위치되고, 상기 제 3 어셈블리(122c)는 상기 실린더 본체(121)의 축방향 중심부(121c)를 기준으로 상기 제 1 본체단부(121a)에 더 가깝게 위치될 수 있다.
즉, 상기 복수의 노즐 어셈블리(122)는 상기 실린더 본체(121)의 축방향 중심부(121c)를 기준으로 비대칭 되는 개수로 배치된다.
도 1을 참조하면, 상기 실린더(120)의 내부 압력은, 냉매의 흡입측에 가까운 제 1 본체단부(121a)측에 비하여, 압축된 냉매의 토출측에 가까운 제 2 본체단부(121b)측에서 더 높게 형성되므로, 상기 제 2 본체단부(121b)측에 더 많은 노즐 어셈블리(122)를 형성하여 가스 베어링의 기능을 강화하고, 상기 제 1 본체단부(121a)측에는 상대적으로 적은 노즐 어셈블리(122)를 형성할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 실린더(120)에는, 상기 실린더 본체(121)의 외주면으로부터 함몰되는 노즐부(123) 및 상기 노즐부(123)로부터 상기 실린더 본체(121)의 내주면으로 연장되는 확장부(200)가 포함된다.
상기 노즐부(123)는 상기 실린더 본체(121)의 외주면에 연결되며, 상기 확장부(200)는 상기 실린더 본체(121)의 내주면에 연결된다. 상기 노즐부(123) 및 상기 확장부(200)는 각각 복수 개가 제공될 수 있다.
상기 노즐부(123)는 소정의 냉매유동 단면적을 가지도록 형성되며, 상기 실린더 본체(121)의 외주면으로부터 상기 실린더(120)의 반경방향 내측으로 연장된다.
상기 확장부(200)는 상기 노즐부(123)로부터 축 방향으로 확장되도록 구성되며, 상기 확장부(200)에서의 냉매유동 단면적은 상기 노즐부(123)에서의 냉매유동 단면적보다 크게 형성된다
상세히, 상기 확장부(200)에는, 상기 노즐부(123)로부터 축방향, 즉 전방 및 후방으로 연장되는 제 1 연장부(210) 및 상기 제 1 연장부(210)로부터 상기 실린더 본체(121)의 내주면을 향하여 연장되는 제 2 연장부(220)가 포함된다.
상기 제 2 연장부(220)는 상기 실린더(120)의 반경방향에 대하여 경사지게 형성된다. 달리 말하면, 상기 제 2 연장부(220)의 연장 방향은 상기 실린더 본체(121)의 내주면에 대하여, 교차하는 방향으로 형성된다.
상기 피스톤 본체(131)의 외주면과, 상기 실린더 본체(121)의 내주면 사이에는, 상기 노즐부(123) 및 확장부(200)를 경유하여 유입된 냉매가 유동할 수 있는 이격 공간(C1)이 형성된다.
달리 말하면, 상기 노즐부(123) 및 확장부(200)를 경유하여 유입된 냉매의 압력에 의하여, 상기 피스톤(130)은 상기 실린더(120)의 내주면으로부터 부상할 수 있고, 이 때 상기 피스톤(130)이 부상한 공간이 상기 이격 공간(C1)을 형성한다.
상기 이격 공간(C1)의 반경방향 높이는, 상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)에 대하여 원활하게 이동할 수 있는 정도로 형성되며, 실질적으로 크지 않게 형성된다. 일례로, 상기 이격 공간(C1)의 높이(H1)은 약 2 ~ 12μm의 범위에서 형성된다.
한편, 상기 실린더(120)를 통과하는 냉매의 유동 단면적은 상기 노즐부(123)로부터 상기 확장부(200)를 향하여 증가하도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 노즐부(123)를 통과한 냉매는 상기 확장부(200)를 거치면서 압력 손실이 발생하지 않으며, 상기 이격 공간(C1)으로 유동할 수 있게 된다.
만약, 상기 확장부(200)가 제공되지 않는다면, 상기 노즐부(123)를 통과한 냉매는 상대적으로 좁은 공간인 이격 공간(C1)으로 직접 유입되므로, 압력 강하가 크게 발생하게 된다. 결국, 상기 이격 공간(C1)에는 토출 압력보다 많이 저하된 압력의 냉매가 유입되므로, 상기 피스톤(130)에 대하여 충분한 부상력을 제공하지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.
한편, 상기 확장부(200)는 상기 노즐부(123)를 가공할 때 발생할 수 있는 가공물 찌꺼기(버어, burr)를 수용하는 공간부를 제공한다. 즉, 상기 확장부(200)는 상기 실린더 본체(121)의 내주면으로부터 상기 실린더(120)의 외측으로 함몰된 홈(groove)으로서, 상기 버어(burr)를 수용하는 "수용부"로서 이해될 수 있다.
다른 관점에서, 상기 확장부(200)는, 상기 버어(burr)가 상기 피스톤(130)에 작용하는 것을 제한하기 위하여, 즉 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 간섭을 방지하기 위하여, 상기 실린더 본체(121)의 내주면으로부터 함몰되는 "간섭 방지홈"으로서 이해될 수 있다.
상기 확장부(200)는 뿔이 잘린 원뿔형의 형상을 가질 수 있다. 도 8을 기준으로, 상기 확장부(200)의 하단부의 축방향 폭(W1)은 상기 확장부(200)의 상단부의 축방향 폭(W2)보다 크게 형성될 수 있다. 따라서, 냉매의 유동방향을 기준으로, 상기 확장부(200)의 유동 단면적은 점점 커질 수 있다.
일례로, 상기 확장부(200)의 상단부의 축방향 폭(W2)은 1mm이며, 상기 확장부(200)의 하단부의 축방향 폭(W1)은 1.5mm를 형성한다.
상기 확장부(200)의 반경방향 높이(H2)와, 상기 이격 공간(C1)의 반경방향 높이(H1)은 아래와 같은 관계식을 만족할 수 있다.
0.5*H1 < H2 < 4*H1
바람직하게는, 상기 H2는 H1과 같거나, 그 보다 크게 형성될 수 있다. 상기 H2가 H1보다 크게 형성됨으로써, 상기 확장부(200)의 내부 용적은 상기 확장부(200) 주변의 이격 공간(C1)의 용적보다 상대적으로 커질 수 있고, 이에 따라 상기 확장부(200)에 존재하는 냉매의 압력에 의하여, 상기 피스톤(130)이 충분히 부상될 수 있다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 확장부가 제공되지 않을 경우, 실린더 내의 압력 분포를 보여주는 도면이고, 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 확장부가 제공되는 경우, 실린더 내의 압력 분포를 보여주는 도면이다.
도 10a는 본 발명의 실시예와 달리, 상기 실린더 본체(121)에 노즐부(123)가 제공되는 경우, 즉 상기 노즐부(123)가 상기 실린더 본체(121)의 외주면으로부터 내주면까지 연장되는 경우의 압력 분포도(Pr1)를 보여준다.
상기 압력 분포도(Pr1)에서, 압력은 반경방향 외측으로 갈수록 커지는 것으로 해석될 수 있다.
도 10a를 참조하면, 냉매는 상기 노즐부(123)를 통하여 상기 실린더(120)의 내부로 유입된다. 이 때, 냉매의 압력은 손실되어, 다소 낮은 압력의 냉매가 상기 피스톤(130)에 작용하게 된다.
냉매의 압력 분포를 살펴보면, 상기 노즐부(123)의 출구측에서는 상대적으로 높은 압력(Pm)을 형성하게 된다. 즉, 상기 노즐부(123)를 상기 실린더(120)의 내측으로 연장할 때 상기 피스톤(130)과 만나는 제 1 지점(131a)에는 상기 압력(Pm)이 작용하게 된다.
반면에, 상기 노즐부(123)의 출구측으로부터 다소 이격된 지점, 즉 서로 가장 인접한 2개의 노즐부(123)의 대략 중간지점에 대응하는 피스톤(130)의 제 2 지점(131b)에는 상대적으로 적은 압력(Po)이 작용하게 된다.
결국, 상기 피스톤 본체(131)의 외주면에는, 불균등한 압력이 작용하게 되고 이에 따라 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내주면으로부터 안정적으로 부상하는 것이 제한되는 문제점이 있게 된다. 일례로, 상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부 중심으로부터 일 반경 방향으로 쏠리게 되면서, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)가 간섭되는 현상이 발생할 수 있다.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 노즐부(123) 및 확장부(200)가 상기 실린더 본체(121)에 제공되는 경우의 압력 분포도(Pr2)를 보여준다.
상기 압력 분포도(Pr2)에서, 압력은 반경방향 외측으로 갈수록 커지는 것으로 해석될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 냉매는 상기 노즐부(123) 및 확장부(200)를 경유하여 상기 실린더(120)의 내부로 유입된다. 이 때, 냉매의 압력 손실은 줄어들 수 있으며, 이에 따라 토출 압력과 차이가 크지 않은 압력의 냉매가 상기 피스톤(130)에 작용하게 된다.
냉매의 압력 분포를 살펴보면, 상기 확장부(200)의 출구측에서는 상대적으로 높은 압력(Pm')을 형성하게 된다. 여기서, 상기 압력(Pm')는 도 10a에서 설명한 압력(Pm)보다 다소 높은 값을 가지게 된다.
상기 노즐부(123)의 위치에 대응하는 피스톤(130)의 제 1 지점(131c)에는, 상기 압력(Pm')이 작용하게 된다.
그리고, 상기 노즐부(123)의 출구측으로부터 다소 이격된 지점, 즉 서로 가장 인접한 2개의 노즐부(123)의 대략 중간지점에 대응하는 피스톤(130)의 제 2 지점(131d)에는 상대적으로 적은 압력(Pi)이 작용하게 된다.
여기서, 상기 압력(Pi)는 도 10a에서 설명한 압력(Po)보다 높은 값을 가지게 된다. 즉, 상기 확장부(200)의 구성에 의하여, 충분한 압력의 냉매가 상기 실린더 본체(121)의 내주면을 따라 옆으로 이동하게 되며, 이에 따라 상기 확장부(200)로부터 다소 이격된 지점의 피스톤(130)에도 높은 압력의 냉매가 작용할 수 있게 된다.
결국, 상기 피스톤 본체(131)의 외주면에는, 균등한 압력이 작용하게 되고 이에 따라 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내주면으로부터 안정적으로 부상할 수 있게 된다. 따라서, 상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부 중심을 따라 축방향으로 안정적으로 운동할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 냉매 유동모습을 보여주는 단면도이다. 도 11을 참조하여, 본 실시예에 따른 리니어 압축기에서의 냉매 유동에 대하여 간단하게 설명한다.
도 11을 참조하면, 냉매는 흡입부(104)를 통하여 쉘(101)의 내부로 유입되며, 흡입 가이드부(155)를 통하여 흡입 머플러(150)의 내부로 유동한다.
그리고, 냉매는 상기 흡입 머플러(150)의 제 1 머플러(151)를 경유하여 제 2 머플러(153)로 유입되며, 피스톤(130)의 내부로 유동한다. 이 과정에서, 냉매의 흡입 소음이 저감될 수 있다.
한편, 냉매는 상기 흡입 머플러(150)에 제공되는 제 1 필터(310)를 경유하면서 소정 크기(25μm) 이상의 이물이 필터링 될 수 있다.
상기 흡입 머플러(150)를 통과하여 상기 피스톤(130)의 내부에 존재하는 냉매는 흡입 밸브(135)가 개방되면, 흡입공(133)을 통하여 압축공간(P)으로 흡입된다.
상기 압축공간(P)에서의 냉매 압력이 토출 압력 이상이 되면 토출 밸브(161)는 개방되며, 냉매는 개방된 토출 밸브(161)를 통하여 토출 커버(160)의 토출 공간으로 배출되며 상기 토출 커버(160)에 결합된 루프 파이프(165)를 통하여 토출부(105)로 유동하며, 압축기(100)의 외부로 배출된다.
한편, 상기 토출 커버(160)의 토출 공간에 존재하는 냉매 중 적어도 일부의 냉매는 실린더(120)와 프레임(110) 사이에 존재하는 공간, 즉 프레임(110)의 함몰부(117) 내주면과, 상기 실린더(120)의 실린더 플랜지부(125)의 외주면 사이에 형성되는 유동공간을 경유하여, 실린더 본체(121)의 외주면을 향하여 유동될 수 있다.
이 때, 냉매는 상기 실린더 플랜지부(125)의 안착면(127)과 프레임(110)의 안착부(113) 사이에 개재되는 제 2 필터(320)를 통과할 수 있으며, 이 과정에서 소정 크기(2μm) 이상의 이물이 필터링 될 수 있다. 그리고, 냉매 중 유분은 상기 제 2 필터(320)에 흡착될 수 있다.
상기 제 2 필터(320)를 통과한 냉매는 실린더 본체(121)의 외주면에 형성된 복수의 노즐부(123)로 유입된다. 그리고, 냉매는 상기 복수의 노즐부(123)를 경유하여 상기 확장부(200)로 유입되며, 이 과정에서 압력 손실을 저감할 수 있다.
냉매는 상기 확장부(200)를 통하여 실린더(120)의 내주면측으로 유동하며, 냉매의 압력은 상기 피스톤(130)의 외주면에 걸쳐 고르게 작용하게 된다. 따라서, 상기 피스톤(130)은 상기 실린더(120)의 내부에서 안정적으로 부상되어 왕복 운동을 수행할 수 있게 되며, 상기 실린더(120)와의 마찰을 방지할 수 있다.
정리하면, 고압의 가스 냉매가 상기 실린더(120)의 내부로 바이패스 되어 왕복 운동하는 피스톤(130)에 대한 베어링으로 작용하고, 이에 따라 피스톤(130)과 실린더(120) 사이의 마모를 줄일 수 있다. 그리고, 베어링을 위한 오일을 사용하지 않음으로써, 상기 압축기(100)가 고속(100Hz)으로 운전되더라도 오일에 의한 마찰 손실을 발생시키지 않을 수 있다.
또한, 압축기(100)의 내부를 유동하는 냉매의 경로상에, 다수의 필터를 구비함으로써 냉매 중에 포함된 이물을 제거할 수 있고, 이에 따라 가스 베어링으로서 작용할 냉매의 신뢰성이 향상될 수 있다. 따라서, 냉매에 포함된 이물에 의하여 피스톤(130) 또는 실린더(120)에 마모가 발생되는 현상을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 다수의 필터에 의하여 냉매 중에 포함된 유분을 제거함으로써, 유분에 의한 마찰 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐부 및 확장부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 확장부(300)에는, 상기 노즐부(123)의 출구측으로부터 축 방향, 즉 전방 및 후방으로 연장되는 제 1 연장부(301) 및 상기 제 1 연장부(301)로부터 내측 반경 방향으로 연장되는 제 2 연장부(302)가 포함된다.
상기 제 1 연장부(301) 및 제 2 연장부(302)의 구성에 의하여, 상기 확장부(300)는 대략 원통형 또는 원기둥 형상을 가지며, 상기 확장부(300)의 유동 단면적은 상기 노즐부(123)의 유동 단면적보다 크게 형성된다.
그리고, 상기 제 2 연장부(302)는 상기 제 1 연장부(301)로부터 상기 피스톤(130)에 대략 수직한 방향으로 연장되므로, 냉매의 유동방향을 기준으로 상기 확장부(300)의 유동 단면적은 대략 일정하게 형성될 수 있다.
이와 같이, 상기 실린더 본체(121)에 확장부(300)가 제공됨으로써, 상기 피스톤(130)에 충분한 크기의 부상력을 제공하고, 실린더(120)와 피스톤(130)의 간섭을 방지할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실린더의 구성을 보여주는 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실린더 본체(121)에는, 상기 토출 밸브(161)를 통하여 토출된 가스 냉매가 유입되는 가스 유입부(500) 및 상기 가스 유입부(500)에 설치되는 "필터부재"로서의 제 3 필터(550)가 배치될 수 있다.
상기 가스 유입부(500)는 상기 실린더 본체(121)의 외주면을 따라 대략 원형의 형상으로 함몰되도록 형성될 수 있다.
상기 제 3 필터(550)는 상기 실린더(120)의 내부로 소정 크기 이상의 이물이 유입되는 것을 차단하고 냉매 중에 포함된 유분을 흡착하는 기능을 수행한다. 여기서, 상기 소정 크기는 1μm 일 수 있다.
상기 제 3 필터(550)에는, 상기 가스 유입부(500)에 감겨지는 실(thread)이 포함된다. 상세히, 상기 실(thread)은, PET(Polyethylene Terephthalate) 재질로 구성되어 소정의 두께 또는 직경을 가질 수 있다.
상기 실(thread)의 두께 또는 직경은 상기 실(thread)의 강도를 고려하여 적절한 값으로 결정될 수 있다. 만약, 상기 실(thread)의 두께 또는 직경이 너무 작게 되면 상기 실(thread)의 강도가 너무 약해져 쉽게 끊어질 수 있으며, 상기 실(thread)의 두께 또는 직경이 너무 크게 되면 실(thread)을 감았을 때 상기 가스 유입부(500)에서의 공극이 너무 커져 이물의 필터링 효과가 낮아지는 문제점이 있다.
일례로, 상기 실(thread)의 두께 또는 직경은 수백 μm 단위로 형성되며, 상기 실(thread)은 수십 μm 단위의 원사(spun thread)가 다수의 가닥으로 결합되어 구성될 수 있다.
상기 실(thread)은 다수 회 감겨지고 그 단부가 매듭으로 고정되도록 구성된다. 상기 실(thread)의 감겨지는 횟수는 가스 냉매의 압력 강하정도 및 이물의 필터링 효과를 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 만약, 상기 감겨지는 횟수가 너무 크면 가스 냉매의 압력강하가 너무 커지게 되고, 상기 감겨지는 횟수가 너무 적게 되면 이물의 필터링이 잘 되지 않을 수 있다.
그리고, 상기 실(thread)의 감겨지는 장력(tension force)은 실린더(120)의 변형도 및 실의 고정력을 고려하여, 적절한 크기로 형성된다. 만약, 상기 장력이 너무 커지게 되면 실린더(120)의 변형이 유발될 수 있으며 상기 장력이 너무 작아지게 되면 실(thread)이 상기 가스 유입부(500)에 잘 고정되지 않을 수 있다.
상기 실린더 본체(121)에는, 상기 가스 유입부(500)로부터 반경방향 내측으로 노즐부(123)가 더 포함된다. 상기 노즐부(123)는 상기 가스 유입부(500)로부터 상기 실린더 본체(121)의 내주면을 향하여 연장된다. 상기 냉매는 상기 가스 유입부(500)를 거친 후 상기 노즐부(123)를 통과하여 상기 실린더 본체(121)의 내부로 유입될 수 있다.
상기 노즐부(123)의 직경 또는 크기는, 상기 가스 유입부(500)의 직경 또는 크기보다 작게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 노즐부(123)의 직경 또는 크기는, 확장부(400)의 직경 또는 크기보다 작게 형성될 수 있다.
상기 노즐부(123)에는, 상기 가스 유입부(500)에 연결되는 노즐 입구(123a) 및 확장부(400)에 연결되는 노즐 출구(123b)가 포함된다.
상기 노즐 출구(123b)의 직경 또는 크기는 상기 노즐 입구(123a)의 직경 또는 크기보다 작게 형성될 수 있다. 냉매의 유동방향을 기준으로, 상기 노즐부(123)에서의 유동 단면적은, 상기 노즐 입구(123a)로부터 상기 노즐 출구(123b)로 갈수록 점점 작게 형성된다.
상세히, 상기 노즐부(123)의 직경이 너무 커지는 경우, 상기 토출 밸브(161)를 통하여 배출된 고압의 가스 냉매 중 상기 노즐부(123)로 유입되는 냉매의 양이 너무 많게 되어 압축기의 유량 손실이 크게 되는 문제점이 있다.
반면에, 상기 노즐부(123)의 직경이 너무 작게 되면, 상기 노즐부(123)에서의 압력 강하가 크게 되어 가스 베어링으로서의 성능이 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 본 실시예에서는 상기 노즐 입구(123a)의 직경을 상대적으로 크게 형성하여 상기 노즐부(123)로 유입되는 냉매의 압력 강하를 줄이고, 상기 노즐 출구(123b)의 직경(D2)을 상대적으로 작게 형성하여 상기 노즐부(123)를 통한 가스 베어링의 유입량을 소정값 이하로 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 확장부(400)에는, 상기 노즐부(123)의 출구측으로부터 축 방향, 즉 전방 및 후방으로 연장되는 제 1 연장부(401) 및 상기 제 1 연장부(301)로부터 내측 반경 방향으로 연장되는 제 2 연장부(402)가 포함된다.
상기 제 2 연장부(402)의 높이(H4)는 상기 실린더 본체(121)의 내주면과 피스톤 본체(131)의 외주면 사이의 간격(H3)보다 크게 형성될 수 있다. 일례로, 상기 H3는 약 5μm이고, H4는 약 10μm로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 확장부(400)의 축방향 폭(W3)은 약 2mm로 형성될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 냉매가 상기 노즐부(123) 및 확장부(400)로 유입되기 전에 상기 제 3 필터(550)에 의하여 필터링 될 수 있으므로, 상기 실린더(120)와 피스톤(130) 사이의 가스 베어링에 이물이 작용하는 것을 방지할 수 있다.
100 : 리니어 압축기 101 : 쉘
110 : 프레임 111 : 프레임 본체
115 : 커버 결합부 117 : 함몰부
120 : 실린더 121 : 실린더 본체
123 : 노즐부 125 : 실린더 플랜지부
127 : 안착면 130 : 피스톤
131 : 피스톤 본체 140 : 모터 어셈블리
150 : 흡입 머플러 160 : 토출 커버
161 : 토출 밸브 162 : 밸브 스프링
171,172 : 판 스프링 176 : 스프링
200,300 : 확장부 210 : 제 1 연장부
220 : 제 2 연장부 310 : 제 1 필터
320 : 제 2 필터

Claims (17)

  1. 흡입부가 제공되는 쉘;
    상기 쉘의 내부에 구비되며, 냉매의 압축공간을 형성하는 실린더;
    상기 실린더의 내부에서 축방향으로 왕복운동 가능하게 제공되는 피스톤;
    상기 실린더의 일측에 제공되며, 상기 냉매의 압축공간에서 압축된 냉매를 선택적으로 배출시키는 토출 밸브;
    상기 실린더의 외주면에 원형의 형상으로 함몰되는 가스 유입부;
    상기 가스 유입부로부터 상기 실린더의 반경방향 내측으로 함몰되어 상기 토출 밸브를 통하여 배출된 냉매 중 적어도 일부의 냉매가 유동하며, 상기 가스 유입부보다 작은 유동 단면적을 가지는 노즐부; 및
    상기 실린더의 내주면에서 함몰되어 상기 노즐부에 연결되며, 상기 노즐부의 유동 단면적보다 큰 유동 단면적을 가지는 확장부가 포함되는 리니어 압축기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 확장부에는,
    상기 노즐부로부터 축 방향으로 연장되는 제 1 연장부; 및
    상기 제 1 연장부로부터 상기 피스톤의 외주면에 대하여 교차하는 방향으로 연장하는 제 2 연장부가 포함되는 리니어 압축기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 연장부는 상기 실린더의 반경 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 확장부는 설정된 축방향의 폭(W2)과 반경방향 높이(H2)를 가지도록 형성되며,
    상기 확장부의 반경방향 높이(H2)는, 상기 실린더와 피스톤 사이의 이격공간(C1)의 반경방향 높이(H1)와 같거나, 그보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐부 및 확장부는, 각각 복수 개로 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유입부에 설치되는 실(thread) 필터가 더 포함되는 리니어 압축기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 노즐부는 상기 가스 유입부로부터 상기 실린더의 내주면을 향하여 연장되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 확장부는 축방향의 폭(W2)과 반경방향 높이(H2)를 가지도록 형성되며,
    상기 확장부의 반경방향 높이(H2)는, 상기 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면 사이의 반경방향 높이(H1)의 1/2배보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 확장부의 반경방향 높이(H2)는, 상기 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면 사이의 반경방향 높이(H1)의 4배보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
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