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WO2012018148A1 - 리니어 압축기 - Google Patents

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WO2012018148A1
WO2012018148A1 PCT/KR2010/005154 KR2010005154W WO2012018148A1 WO 2012018148 A1 WO2012018148 A1 WO 2012018148A1 KR 2010005154 W KR2010005154 W KR 2010005154W WO 2012018148 A1 WO2012018148 A1 WO 2012018148A1
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magnet
spring constant
piston
permanent magnets
Prior art date
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PCT/KR2010/005154
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English (en)
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송기욱
최종윤
최철락
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엘지전자 주식회사
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a linear compressor capable of ensuring high efficiency while meeting the demand of low compression capacity and a small installation space, and a linear motor applied thereto.
  • the present invention not only prevents leakage of magnetic force but also a magnetic spring constant. It relates to a linear compressor that can be used and a linear motor applied thereto.
  • the reciprocating compressor is configured to compress the refrigerant while the piston reciprocates linearly in the cylinder by forming a compression space in which the working gas is absorbed and discharged between the piston and the cylinder.
  • Such a linear compressor allows the piston to be directly connected to a linear motor in reciprocating linear motion, thereby eliminating mechanical loss due to motion switching, thereby improving compression efficiency, and having a simple structure, and controlling power input to the linear motor. Since the operation can be controlled, the noise is lower than that of other compressors, so it is widely applied to home appliances such as refrigerators used indoors.
  • Figure 1 is a planar cross-sectional view showing an example of a linear compressor according to the prior art
  • Figure 2 is a side cross-sectional view showing a part of an example of a linear motor applied to the linear compressor according to the prior art.
  • the conventional linear compressor has a frame 2, a cylinder 3, a piston 4, an intake valve 5, a discharge valve assembly 6, a motor cover inside the sealed container 1 as shown in FIG. 7), the supporter 8, the back cover 9, the muffler assembly 10, eight springs 20, the structure consisting of the linear motor 30 is installed to be elastically supported.
  • the sealed container 1 is provided with a suction tube 1a through which the refrigerant is sucked and a discharge tube 1b through which the compressed refrigerant is discharged.
  • the springs 20 are installed such that the piston 4 is elastically supported in the axial direction, and four first springs 21 are installed between the motor cover 7 and the supporter 8, and four second springs.
  • the field 22 is installed between the supporter 8 and the back cover 9. Therefore, when the piston 4 moves in the direction of compressing the refrigerant, when the first springs 21 are elastically supporting the piston 4 while being compressed, while the piston 4 moves in the direction of sucking the refrigerant, The second springs 22 are compressed to elastically support the piston 4.
  • the linear motor 30 maintains an air gap between the inner stator 31 and the outer stator 32 as shown in FIGS. 1 and 2, and the permanent magnet 33 reciprocates linearly therebetween.
  • the permanent magnet 33 is connected to the piston 4 by the connecting member 34 to reciprocate the piston (4).
  • the inner stator 31 is formed in a cylindrical shape in which laminations are laminated in the circumferential direction, and one end in the axial direction of the inner stator 31 abuts on one surface of the frame 2, and the other end in the axial direction of the inner stator 31 is formed. It is fixed to the outer peripheral surface of the cylinder 3 by the fixing ring (not shown).
  • the outer stator 32 has a plurality of cores 32B and 32B 'coupled to the coil winding 32A at regular intervals in the circumferential direction, and the cores 32B and 32B' have a pair of blocks 32B and 32B. ') Is formed to surround the outer circumferential surface of the coil winding body 32A in the axial direction of the coil winding body 32A, and a pair of cores 32B and 32B' wrap around a portion of the inner circumferential surface of the coil winding body 32A. Poles 32a and 32b are provided.
  • the outer stator 32 is installed to maintain a gap with the outer circumferential surface of the inner stator 31, the outer stator 32 is positioned to abut the frame 2 and the motor cover 7 in the axial direction, and then the motor cover (7) is fixed as bolted to the frame (2).
  • Permanent magnet 33 has an NS pole, it is installed so that each pole (NS) is located on the surface facing the inner stator 31 and the outer stator (32), by the connecting member 34 It is installed to connect with the piston (4). Therefore, the piston 4 is operated while the permanent magnet 33 reciprocates linearly by mutual electromagnetic force between the inner stator 31 and the outer stator 32 and the permanent magnet 33.
  • the movable member composed of the piston 4 and the permanent magnet 33 has a mechanical spring 20 at both sides with respect to the fixed member composed of the cylinder 3 and the stators 31 and 32 with respect to the linear movement direction. Since the MK resonant frequency defined by the mass (M) of the moving member and the spring constant (K) of the springs supporting it is calculated, and the power source frequency applied to the linear motor 30 is calculated. By designing to follow the MK resonant frequency, the efficiency of the linear compressor can be optimized.
  • the inner stator 31 and the outer stator 32 are ignited by alternating N / S poles, and the permanent magnet 33 positioned therebetween is connected to the inner stator 31. According to the pole change of the outer stator 32, the reciprocating linear motion is moved by the attraction force or the repulsive force.
  • the permanent magnet 33 is not attracted to the permanent magnet 33 or because the external divergence of the electromagnetic field is increased ) Magnetizes the sealed container (1) or other components in the sealed container (1) by the electromagnetic field dissipated between the inner stator (31) and the outer stator (32) or emitted to the outside, thereby reducing the operation reliability.
  • An object of the present invention is to provide a linear compressor that can be made lighter or smaller by integrating or eliminating component parts by changing the linear motor structure.
  • an object of the present invention is to provide a linear compressor and a linear motor applied thereto which can optimize efficiency by using a magnetic spring constant (K magnet ) by changing the linear motor structure.
  • the fixed member including a cylinder having a compression space therein, an inner stator is provided on the outside of the cylinder, and an outer stator and the outer stator to form a pole in the gap; And a piston for compressing the working fluid introduced into the compression space while reciprocating linearly with the compression space of the cylinder, and a permanent magnet reciprocating linearly with the piston by mutual electromagnetic force in the gap between the inner and outer stators. And a plurality of permanent magnets arranged along the direction of reciprocating linear movement, and the N and S poles of each permanent magnet are formed to face the inner and outer stators.
  • the plurality of permanent magnets arranged along the reciprocating linear direction may be arranged so that different poles contact each other.
  • the plurality of permanent magnets arranged along the reciprocating linear direction may be arranged such that different poles are adjacent to each other.
  • a mechanical spring for elastically supporting the movable member with respect to the fixed member in both the reciprocating linear movement direction including, as the center of the at least one permanent magnet is moved away from the center of the pole of the outer stator in a reciprocating linear movement direction, Between the inner and outer stators and one or more permanent magnets, electromagnetic restoring forces can act in the same direction as the restoring force of the mechanical spring in the direction of compression.
  • a magnetic spring constant (K magnet ) compatible with the mechanical spring constant (K mechanical ) from the maximum electromagnetic restoring force acting in the same direction as the restoring force of the mechanical spring in the compression direction. ) can be obtained.
  • the mass (M) of the movable member the mechanical spring constant (K mechanical ) obtained by the restoring force of the mechanical spring, the defined gas spring constant (K gas ) and the magnetic spring constant obtained by the working fluid pressure flowing into the compression space.
  • the resonance frequency f o can be obtained by (K magnet ).
  • the magnetic spring constant K magnet has a proportional relationship with the motor characteristic value ⁇ calculated by the magnetic flux density B and the coil length l, and the stroke S of the movable member is the motor characteristic value. It has an inverse relationship with ( ⁇ ) and a proportional relationship with the magnetic spring constant (K magnet ).
  • the inner and outer stators are formed to abut on one side and have only one pole on the other side.
  • the inner stator is mounted on the outer circumferential surface of the cylinder long in the reciprocating linear motion direction
  • the outer stator is located on the outer circumferential surface of the inner stator, the connecting portion connected to the axial one end of the inner stator and the other end in the axial direction of the inner stator
  • the permanent magnets are located between the pole of the inner and outer stator can reciprocate linear motion by mutual electromagnetic force.
  • the frame is formed integrally with the cylinder is connected to the inner stator and the outer stator, the frame is supported in the reciprocating linear motion direction; may further include a.
  • the motor cover for supporting the outer stator in the bamboo direction and bolting the outer stator to the frame; further includes, the inner stator is preferably fixed by the outer stator.
  • the mechanical spring is preferably a first spring and a second spring that support the piston in both reciprocating linear motion directions.
  • the back cover is installed to maintain a distance in the axial direction with the piston; further comprising a first spring is installed between the flange and the back cover of the piston, the second spring is to be installed between the flange of the cylinder and the piston Can be.
  • the fixing member including a cylinder having a compression space therein, an inner stator installed on the outside of the cylinder, and an outer stator abutting the inner stator and a pole between the gap on the other side;
  • a movable member including a permanent magnet portion in which a plurality of permanent magnets are arranged so that different poles contact each other, and the N pole and the S pole of each permanent magnet face the inner and outer stators; And a mechanical spring that elastically supports the movable member with respect to the fixed member in both the reciprocating linear motion directions, and as the center of the one or more permanent magnets moves away from the center of the pole of the outer stator in a reciprocating linear motion direction,
  • a linear compressor in which electromagnetic restoring force acts in the same direction as the
  • a magnetic spring constant (K magnet ) compatible with the mechanical spring constant (K mechanical ) from the maximum electromagnetic restoring force acting in the same direction as the restoring force of the mechanical spring in the compression direction.
  • the magnetic spring constant (K magnet ) is proportional to the motor characteristic value ( ⁇ ) calculated by the magnetic flux density (B) and the coil length (l), and the stroke S of the movable member is the motor characteristic value ( It is preferable to have an inverse relationship with ⁇ ) and a proportional relationship with the magnetic spring constant (K magnet ).
  • the linear motor according to the present invention configured as described above is configured to reciprocally linearly move two permanent magnets connected in the movement direction between one pole of the inner stator and the outer stator, the magnetic spring constant is increased as well as the movement of the permanent magnets.
  • the distance between the two springs can be reduced, and the compressor employing this linear motor can be designed with low mechanical spring constant (K mechanical ) by designing the same resonant frequency considering the magnetic spring constant (K magnet ).
  • K mechanical mechanical
  • Only the piston can be configured to support, and accordingly the two springs to support the piston directly elastic support omit the supporter, or can simplify the motor cover shape has the advantage of low capacity, light weight, miniaturization.
  • the linear compressor according to the present invention considers a magnetic spring constant (K magnet ) in addition to the mechanical spring constant (K mechanical ) and the gas spring constant (K gas ) in the total spring constant (k) as the structure of the linear motor is changed. Since the cooling force is determined by the magnetic spring constant (K magnet ) and the motor characteristic value ( ⁇ ), the magnetic spring constant (K magnet ) can cancel the influence of the motor characteristic value ( ⁇ ), so There is an advantage to reduce scatter.
  • the linear compressor according to the present invention since the linear compressor according to the present invention generates electromagnetic force only in one pole of the stator, as the stroke S increases, the motor characteristic value ⁇ and the magnetic spring constant K magnet decrease rapidly. If the stroke amount ⁇ x occurs due to the influence of the spring K gas and the stroke S increases, the total spring constant k decreases as the magnetic spring constant K magnet decreases. As the sliding amount ⁇ x becomes larger and the overall stroke S increases, there is an advantage in that the compression capacity corresponding to the load can be easily expanded.
  • FIG. 1 is a plan sectional view showing an example of a linear compressor according to the prior art.
  • Figure 2 is a side sectional view showing a part of an example of a linear motor applied to the linear compressor according to the prior art.
  • Figure 3 is a plan sectional view showing an example of a linear compressor according to the present invention.
  • Figure 4 is a side cross-sectional view showing an example of the structure of the linear compressor according to the present invention.
  • Figure 5 is a side cross-sectional view showing a part of an example of a linear motor applied to the linear compressor according to the present invention.
  • Figure 6 is a perspective view showing an example of the inner and outer stator applied to the linear compressor according to the present invention.
  • FIG 7 to 8 are views showing an example of the operation of the linear motor applied to the linear compressor according to the present invention.
  • Figure 9 is a graph showing the initial position, the amount of sliding, the top dead center (TDC) point and the bottom dead center (BDC) of the piston in the linear compressor according to the present invention compared with the prior art.
  • FIG 3 is a plan sectional view showing an example of a linear compressor according to the present invention
  • Figure 4 is a side sectional view showing an example of the structure of the linear compressor according to the present invention.
  • the linear compressor according to the present invention includes a sealed container 101 having a suction pipe 101a and a discharge pipe 101b through which refrigerant is sucked and discharged, and inside the sealed container 101.
  • the frame 102 and the cylinder 103 are integrally manufactured, but may be formed of a magnetic material due to the characteristics of the linear motor 130 according to the present invention. That is, in the conventional linear compressor, as described above, two poles existed in the linear motor, and one of the frames, cylinders, and pistons is inevitably made because the frame magnetizes as the magnetic flux leaks through the gap existing in the poles on the cylinder side. The above had to be made of nonmagnetic material such as aluminum. However, in the linear motor 130 according to the present invention, as described later, the inner stator 131 and the outer stator 132 of the linear motor 130 are in contact with each other on the side of the frame 102 and the cylinder 103.
  • the frame 102 and the cylinder 103 need not be formed of nonmagnetic material, and the frame 102 and the cylinder 103 are made of cast iron or the like. It is possible to cast integrally.
  • Cylinder 103 is formed in a cylindrical shape that can be provided with a compression space (P), because the stroke length of the piston is shorter than the conventional linear compressor is formed in the axial direction shorter than the conventional cylinder, described below It is formed shorter than the axial length of the stators 131 and 132 of the linear motor 130 to be.
  • P compression space
  • the piston 104 is provided at a closed end of the cylinder and has a head portion 104a having a suction port 104h for sucking refrigerant into the compression space P, and a plan formed to extend radially at the other open end of the cylinder. It is made of a branch 104b, in order to prevent magnetic leakage from the linear motor 130, a part may be made of a nonmagnetic material. This is because, as will be described later, the pole is also present in the linear motor 130 according to the present invention toward the flange portion 104b of the piston 104, and the magnetic flux leaked through the gap between the poles causes the magnetic member in the vicinity thereof. Because it magnetizes.
  • the head portion 104a of the piston 104 is installed to be inserted into the cylinder 103, the flange portion 104b of the piston 104 is the magnet portion 133 of the linear motor 130 to be described below.
  • the head portion 104a of the piston 104 is installed to be inserted into the cylinder 103, the flange portion 104b of the piston 104 is the magnet portion 133 of the linear motor 130 to be described below.
  • it is connected to and is installed to be elastically supported in the axial direction by two springs (120: 121, 122).
  • the inlet valve 105 is mounted to the head portion 104a of the piston 104, and the discharge valve assembly 106 is mounted to one end of the compression space P of the cylinder 103, It is operated to open and close according to the pressure change.
  • the motor cover 107 fixes the linear motor 103 to the frame 102 to be described below, so that one end in the axial direction of the linear motor 130 is supported by the frame 102, and the shaft of the linear motor 130 is fixed. The other end of the direction is covered with the motor cover 107, and then the motor cover 107 is bolted to the frame 102.
  • the outer stator 132 of the linear motor 130 is fixed between the actual frame 102 and the motor cover 107.
  • the inner stator 131 is also fixed while the outer stator 132 of the linear motor 130 is fixed. It can be configured to be fixed together, an example of which will be described in detail below.
  • the back cover 108 is formed by bending a flat plate to accommodate the flange portion 104b of the piston 104 and the suction muffler 110, and the motor cover (ie, the front end thereof is located in a direction opposite to the linear motor 130). 107) is bolted.
  • the back cover 108 has an additional cap 108a protruding from the rear so that the spring 122 is seated. Although the structure may vibrate, an additional stopper may be provided, but the cap 108a of the back cover 108 may be a sealed container ( It is preferable that a circular or corner portion is rounded so that it can act as a stopper while colliding with 101).
  • the opening 108h is provided in the cap 108a of the back cover 108 to allow the refrigerant to flow into the suction muffler 110 and is located in line with the suction pipe 101a of the sealed container 101. desirable.
  • the suction muffler 110 is fixed to the flange portion 104b of the piston 104, and provided with various noise spaces and noise tubes to guide the refrigerant to be sucked up to the head portion 104a of the piston 104 and at the same time the suction valve.
  • the opening and closing noise of the 105 is attenuated.
  • some or all of the suction muffler 110 may be formed of a nonmagnetic material to prevent magnetic leakage of the linear motor 130.
  • the springs 120 have a first spring 121 supported at the end of the cylinder 103 and the flange 104b of the piston 104, the cap 104 of the piston 104 and the cap of the back cover 108. And a second spring 122 supported by 108b.
  • the first spring 121 is compressed when the piston 104 is moved in the direction to compress the refrigerant, while the second spring 122 is compressed when the piston 104 is moved in the direction to suck the refrigerant,
  • the first and second springs 121 and 122 behave in opposite directions.
  • the mechanical spring constant (K mechanical ) value can be relatively small, so that It is possible to design to reduce the spring constant, i.e. reduce the total number of springs, or reduce the spring constant of the individual springs, i.e. reduce the diameter (D), wire diameter (d) and length (l) of the individual springs. . Accordingly, only two springs 120 (121, 122) can be applied, and furthermore, the supporter, which is conventionally provided for installing more springs in a more effective space, can be omitted, or the spring support provided in the motor cover can be eliminated, thereby miniaturizing the compressor. Can be lightened.
  • FIG. 5 is a side sectional view showing a part of an example of a linear motor applied to the linear compressor according to the present invention
  • Figure 6 is a perspective view showing an example of the inner and outer stator applied to the linear compressor according to the present invention.
  • An example of the linear motor applied to the linear compressor according to the present invention is that the axial ends of the inner stator 131 and the outer stator 132 are connected to each other while maintaining the gap as shown in FIGS. 5 to 6.
  • the magnet unit 133 is disposed between the inner stator 131 and the outer stator 132 to be reciprocated linearly by mutual electromagnetic force.
  • the inner stator 131 may be manufactured in a form in which laminations are laminated in the circumferential direction as in the prior art, and the connection part 131a extended in the radial direction is provided on the outer circumferential surface of one end in the axial direction so as to be connected to the outer stator 132.
  • a protrusion 131b having an outer circumferential surface of one end in the axial direction extending in the axial direction is provided.
  • the outer stator 132 is installed to surround the coil winding body 132A, in which the coil is wound in the circumferential direction, and a portion excluding the inner circumferential surface of the coil winding body 132A at regular intervals in the circumferential direction of the coil winding body 132A. Consisting of a plurality of cores (132B), the core (132B) is configured such that only a portion of the lamination having a lateral 'cross section' is laminated in the circumferential direction. At this time, the core 132B has two ends positioned to face the connecting portion 131a and the protrusion 131b of the inner stator 131, and one end portion of the core 132B has a connecting portion 131 of the inner stator 131.
  • connection part 132a which protrudes toward the inner stator 131 so that it may overlap with 131a is provided, and the other end of the core 132B has the pole which migrates the clearance with the outer peripheral surface of the inner stator 131, and the protrusion 131b. 132b is provided. Furthermore, the connecting portion 132a of the core 132B is formed to press or weld the inner stator 131 by a fastening force acting in an axial direction, or being joined or welded with the connecting portion 131a of the inner stator 131, and in some form.
  • the pole 132b of the core 132B extends in both axial directions in order to widen the area of the surface facing the inner stator 131 to increase the electromagnetic force. Is preferably formed.
  • the core applied to the existing outer stator is provided with two poles, so as to increase the area of the poles facing the inner stator in order to increase the electromagnetic force in the axial direction, the core having such a shape of the coil winding body
  • the two core blocks are used to connect to the coil winding body by using a complicated coupling member and a coupling method.
  • the core 132B applied to the outer stator 132 of the present invention is provided with only one pole 132b, the coil winding body is composed of one core block in which laminations having a side cross-sectional shape of ' ⁇ ' are stacked. And 132A to simplify the fabrication process.
  • the magnet part 133 is composed of first and second permanent magnets 133a and 133b having NS poles facing the inner stator 131 and the outer stator 132, and the first and second permanent magnets 133a and 133b. It is preferable that these poles are arranged so as to abut or adjoin different poles in the axial direction, that is, the reciprocating linear motion direction.
  • the magnet part 133 itself is configured such that the two permanent magnets 133a and 133b are connected to each other in the axial direction. It is preferable that two permanent magnets 133a and 133b are connected to each other.
  • each of the first and second permanent magnets 133a and 133b may have eight permanent magnets arranged at regular intervals in the circumferential direction, and eight first permanent magnets 133a and eight second permanent magnets 133b.
  • the first permanent magnets may be installed such that different poles contact each other in the axial direction, or even if the eight first permanent magnets 133a and the eight second permanent magnets 133b are arranged in the axial direction.
  • the second permanent magnets 133b may be disposed between the 133a.
  • the magnet part 133 may further include permanent magnets arranged in the axial direction.
  • Inner stator 131 is fitted to the outer peripheral surface of the cylinder 103, the axial end of the inner stator 131 is coupled to abut the frame 102, then the outer stator 132 is fitted to the outer peripheral surface of the inner stator 131
  • the connecting portion 132a of the outer stator 132 overlaps with the connecting portion 131a of the inner stator 131, and the pawl 132b of the outer stator 132 maintains a gap with the outer circumferential surface of the inner stator 131.
  • the motor cover 107 is engaged in the axial direction and positioned to cover the outer peripheral surface of the axial end of the outer stator 132, and then bolts the motor cover 107 to the frame 102.
  • the bolt penetrates the space between the cores 132B of the outer stator 132 to couple the frame 102 and the motor cover 107, but between the frame 102 and the motor cover 107, the outer stator ( 132 is fixed, and the connecting portion 132a of the outer stator 132 presses the connecting portion 131a of the inner stator 131 to the frame 102 by a fastening force acting on the outer stator 132.
  • 131 can be fixed.
  • Frame 102 and the cylinder 103 do not need to be made of a nonmagnetic material such as aluminum by injection molding, etc., and as a magnetic material, it is easily formed integrally with a cast iron. Can be.
  • FIG 7 to 8 are diagrams showing an example of the operation of the linear motor applied to the linear compressor according to the present invention.
  • the pole 132b of the inner stator 131 and the outer stator 132 floats alternately with the N-S poles. Therefore, as shown in FIG. 7, when the pole 132b of the outer stator 132 has an N pole, the pole S of the magnet 133 is attracted and the N pole of the magnet 133 is pushed ( Similarly, the inner stator 131 raises the S pole to attract the N pole of the magnet portion 133 and simultaneously pushes the S pole of the magnet portion 133) and the second spring in addition to the restoring force of the first spring 121. The permanent magnet 133b is pushed to the right to move the magnet 133 in one axis direction (right in FIG.
  • the gap between the inner stator 131 and the pole 132b of the outer stator 132 is completely removed as the first permanent magnet 133a leaves the inner protruding end 132b 'of the outer stator 132.
  • the moving distance of the magnet part 133 that is, the stroke of the piston 104 is the second permanent magnet from the point where the center of the first permanent magnet 133a is located at the end of the outer protrusion 132b 'of the outer stator 132
  • the center of the 133b is the moving distance between the points located at the end of the inner protrusion 132b 'of the outer stator 132.
  • the restoring force acts to place the first permanent magnet 133a between the inner stator 131 and the pawl 132b of the outer stator 132.
  • the second permanent magnet 133b is formed.
  • the restoring force acts to be located between the pole 132b of the inner stator 131 and the outer stator 132.
  • the magnetic restoring force acts as a force in the same direction as the restoring force of the springs 120, 121, 122 for supporting the moving member composed of the piston 104 and the magnet part 133
  • the magnetic restoring force is a magnetic spring ( magnet spring)
  • the spring constant obtained therefrom is expressed as a magnet spring constant (K magnet ).
  • This magnetic spring constant (K magnet ) is expressed in the same units as the mechanical spring constant (K tmechanical ) that elastically supports the movable member in both directions of the reciprocating linear motion, and is compatible with it.
  • This restoring force begins to act from the center of the pole 132b of the outer stator 132 having the different poles of the permanent magnet center of the magnet portion 133 to the end of the pole 132b of the outer stator 132.
  • the restoring force (electromagnetic restoring force) of the magnetic spring in the same direction as the restoring force of the second spring 122 is that the center of the first permanent magnet 133a is located at the end of the outer protrusion 132b 'of the outer stator 132. 7 is the largest and the restoring force (electromagnetic restoring force) of the magnetic spring in the same direction as the restoring force of the first spring 121, the center of the second permanent magnet 133b is the inner protrusion of the outer stator 132 When located at the end (in the case of Figure 8) is the largest.
  • the magnetic spring constant can be obtained by the electromagnetic restoring force (maximum electromagnetic restoring force) at the above position.
  • the mechanical spring constant (K tmechanical ) can be designed relatively small according to the magnetic spring constant (K magnet ) so that the rigidity of the springs (number of springs, diameter, Length, wire diameter, etc.) can be reduced.
  • the linear compressor is designed to adjust the power source frequency f to the resonance frequency f o for the most efficient operation.
  • the resonance design is made in consideration of the magnetic spring constant K magnet as shown in the equation.
  • the mechanical spring constant (K mechanical ) defined by the restoring force of these, the spring constant (K gas ) defined by the pressure of the gas drawn into the compression space, and the center of the permanent magnet deviate from the pole center of the stator.
  • the magnetic spring constant (K magnet ) defined by the acting restoring force can be adjusted.
  • the mass (M) of the moving member can be seen as a constant value determined for each product, the gas spring constant (K gas ) varies depending on the type and load of the refrigerant, but for the resonance design of the gas spring within the operating range It is necessary to take extra consideration so that the value acts as a constant. To this end, the mass (M) of the moving member is increased to reduce the influence of the gas spring, or the rigidity of the mechanical spring is reduced to reduce the relative influence of the gas spring. . In order to increase the rigidity of the mechanical spring, inevitably, a plurality of mechanical springs must be connected in parallel, and thus a separate supporting structure such as a supporter piston for increasing the volume of the compressor and supporting the multiple mechanical springs in parallel was also required.
  • the present invention it is possible to consider a magnetic spring that provides a restoring force in the same direction as the mechanical spring in addition to the mechanical spring, so that it is possible to relatively reduce the rigidity or mechanical spring constant of the mechanical spring. Therefore, the number (n), the diameter (D), the wire diameter (d) and the length (l) of the springs supporting the pistons reciprocating linearly reciprocating linearly in both axes can be designed small, and the parts supporting the springs are omitted. The weight can be reduced and the size can be reduced.
  • adopted the linear motor of this invention has the effect of reducing stroke distribution influence. That is, the magnetic spring constant (K magnet ) has a relation proportional to the motor characteristic value ( ⁇ ) (K magnet ⁇ ⁇ ), and using this characteristic, the stroke dispersion influence effect brought about by the motor characteristic value ( ⁇ ) which varies by model of the compressor Can be reduced.
  • the cooling force is proportional to the stroke S (cold force ⁇ S)
  • the characteristic value of the linear motor represented by ⁇ can be calculated by the magnetic flux density B and the coil length l at the counter electromotive force.
  • the magnetic flux density (B) and the coil length (l) may be different according to the model of the linear motor, so that each model has its own motor characteristic value ⁇ .
  • the motor characteristic value ⁇ has a relation (K magnet ⁇ ⁇ ) proportional to the magnetic spring, while the stroke S is inversely proportional to the motor characteristic value ⁇ (S ⁇ 1 / ⁇ ).
  • K magnet ⁇ ⁇ proportional to the magnetic spring
  • S ⁇ 1 / ⁇ stroke S is inversely proportional to the motor characteristic value ⁇
  • S ⁇ K magnet has a proportional relationship (S ⁇ K magnet ).
  • the relatively large motor characteristic value ⁇ is a relatively large magnetic spring constant. Value, which also leads to a relatively large stroke S, so that the reduction in the stroke resulting from the relatively large motor characteristic value ⁇ is offset by an increase in the stroke by an increase in the magnetic spring constant value, It is possible to minimize the influence of the stroke spread and the cold power spread according to the motor characteristic value that varies depending on the model of the linear motor.
  • the relatively small motor characteristic value ⁇ is a relatively small magnetic spring constant. Value, which also leads to a relatively small stroke S, so that the increase in stroke resulting from a relatively small motor characteristic value ⁇ is offset by a decrease in stroke due to a decrease in the magnetic spring constant value, It is possible to minimize the influence of the stroke spread and the cold power spread according to the motor characteristic value that varies depending on the model of the linear motor.
  • the linear motor of the present invention since the rigidity of the mechanical spring is reduced in comparison with the related art, the influence of the gas spring acting on the load may be relatively large, but at the same time, the capacity expansion is easy according to the load.
  • the conventional linear motor generates electromagnetic force at two poles of the stator, while the linear motor of the present invention generates electromagnetic force only at one pole of the stator.
  • the motor characteristic value ⁇ affected by the magnetic flux density B also decreases. That is, as the stroke S increases in the linear compressor employing the linear motor of the present invention, the motor characteristic value ⁇ is more sensitively reduced.
  • the motor characteristic value ⁇ and the magnetic spring constant K magnet in one linear motor are reduced.
  • the spring constant (K) becomes smaller as a whole, so that in the conventional case around the initial position (x o '') where the piston 104 is pushed, In comparison, a reciprocating linear motion can be performed over a longer stroke S1. As a result, the compression capacity can be expanded more easily.

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Abstract

본 발명에 따른 리니어 압축기는 리니어 모터 구조를 변경하기 때문에 자력 누설을 방지할 수 있고, 리니어 모터 구조를 변경함에 따라 자기 스프링 상수를 고려하여 기계 스프링 상수를 줄어들도록 설계하기 때문에 피스톤을 왕복 직선 운동 방향으로 지지하는 스프링들의 사이즈를 축소시킬 뿐 아니라 스프링들을 지지하는 부품들을 없앨 수 있어 소형화/경량화가 가능해지고, 리니어 모터 구조의 특성상 스트로크의 산포 영향을 축소시키며, 나아가 부하에 대응하는 압축 용량의 확대가 용이해지는 이점이 있다.

Description

리니어 압축기
본 발명은 저압축 용량 및 소형 설치공간이라는 요구에 부응하면서 고효율을 담보할 수 있는 리니어 압축기 및 이에 적용된 리니어 모터에 관한 것으로서, 특히 자력 누설을 방지할 수 있을 뿐 아니라 자기 스프링 상수(magnetic spring constant)를 이용할 수 있는 리니어 압축기 및 이에 적용된 리니어 모터에 관한 것이다.
일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤(piston)과 실린더(cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키도록 구성된다.
최근에는 종래의 왕복동식 압축기(reciprocal compressor)가 구동모터의 회전력을 피스톤의 왕복 직선 운동력으로 전환하기 위하여 크랭크 축 등과 같은 구성부품을 포함하기 때문에 운동전환에 의한 기계적인 손실이 크게 발생되는 문제점이 있는데, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.
이러한 리니어 압축기는 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 리니어 모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없어 압축효율을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 간단하고, 이러한 리니어 모터로 입력되는 전원을 제어하여 그 작동을 제어할 수 있기 때문에 다른 압축기에 비해 소음이 작아 실내에서 사용되는 냉장고 등과 같은 가전기기에 많이 적용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기 일예가 도시된 평단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터 일예가 일부 도시된 측단면도이다.
종래의 리니어 압축기는 도 1에 도시된 바와 같이 밀폐용기(1) 내측에 프레임(2), 실린더(3), 피스톤(4), 흡입밸브(5), 토출밸브 어셈블리(6), 모터 커버(7), 서포터(8), 백 커버(9), 머플러 어셈블리(10), 8개의 스프링(20), 리니어 모터(30)로 이루어진 구조체가 탄성 지지되도록 설치된다. 물론, 밀폐용기(1)에는 냉매가 흡입되는 흡입관(1a) 및 압축된 냉매가 토출되는 토출관(1b)이 구비된다.
스프링들(20)은 피스톤(4)이 축방향으로 탄성 지지되도록 설치되는데, 4개의 제1스프링들(21)이 모터 커버(7)와 서포터(8) 사이에 설치되고, 4개의 제2스프링들(22)이 서포터(8)와 백 커버(9) 사이에 설치된다. 따라서, 피스톤(4)이 냉매를 압축시키는 방향으로 이동할 때, 제1스프링들(21)이 압축되면서 피스톤(4)을 탄성 지지하는 반면, 피스톤(4)이 냉매를 흡입시키는 방향으로 이동할 때, 제2스프링들(22)이 압축되면서 피스톤(4)을 탄성 지지한다.
리니어 모터(30)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32) 사이에 간극(Air-gap)을 유지하고, 그 사이에 영구자석(33)이 왕복 직선 운동 가능하도록 설치되되, 영구자석(33)이 연결부재(34)에 의해 피스톤(4)과 연결됨에 따라 피스톤(4)을 왕복 구동시킨다. 이너스테이터(31)는 라미네이션이 원주방향으로 적층된 원통형상으로 형성되는데, 이너스테이터(31)의 축방향 일단이 프레임(2)의 일면에 맞닿고, 이너스테이터(31)의 축방향 다른 일단이 고정링(미도시)에 의해 실린더(3) 외주면에 고정된다. 아우터스테이터(32)는 코일 권선체(32A)에 원주 방향으로 일정 간격을 두고 복수개의 코어들(32B,32B')이 결합되는데, 코어(32B,32B')는 한 쌍의 블록(32B,32B')으로 이루어져 코일 권선체(32A)의 축방향에서 코일 권선체(32A)의 외주면을 감싸도록 설치되고, 코어(32B,32B')는 코일 권선체(32A)의 내주면 일부를 감싸도록 한 쌍의 폴(32a,32b)이 구비된다. 물론, 아우터스테이터(32)는 이너스테이터(31) 외주면과 간극을 유지하도록 설치되는데, 아우터스테이터(32)는 축방향으로 프레임(2)과 모터 커버(7)에 맞닿도록 위치된 다음, 모터 커버(7)가 프레임(2)에 볼트 체결됨에 따라 고정된다. 영구자석(33)은 N-S 극을 가지되, 이너스테이터(31)와 마주보는 면과 아우터스테이터(32)와 마주보는 면에 각 극(N-S)이 위치하도록 설치되며, 연결부재(34)에 의해 피스톤(4)과 연결되도록 설치된다. 따라서, 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32) 및 영구자석(33) 사이에 상호 전자기력에 의해 영구자석(33)이 왕복 직선 운동하면서 피스톤(4)을 작동시킨다.
따라서, 피스톤(4)과 영구자석(33)으로 구성되는 이동부재는 실린더(3)와 스테이터들(31,32)로 구성되는 고정부재에 대하여 직선 운동 방향을 기준으로 양쪽에서 기계 스프링(20)에 의해 지지되기 때문에 이동부재의 질량(mass : M)과 이를 지지하는 스프링들의 스프링 상수(spring constant : K)에 의해 정의되는 M-K 공진 주파수를 산출하고, 리니어 모터(30)에 인가되는 전원 주파수를 M-K 공진 주파수를 추종하도록 설계함으로써, 리니어 압축기의 효율을 최적화시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 종래 기술의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
코일 권선체(32A)에 전원이 입력되면, 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32)는 N/S 극이 번갈아가면서 착화되고, 그 사이에 위치한 영구자석(33)은 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32)의 극 변화에 따라 인력 또는 척력에 의해 움직이면서 왕복 직선 운동하게 된다. 이때, 영구자석(33)의 중심이 아우터스테이터(32)의 두 개의 폴(32a,32b) 끝단을 벗어나면, 영구자석(33)에 인력이 미치지 않거나 전자기장의 외부 발산이 커지기 때문에 영구자석(33)이 이너스테이터(31)와 아우터스테이터(32) 사이에서 이탈되거나 외부로 발산된 전자기장에 의해 밀폐용기(1) 혹은 밀폐용기(1) 내의 다른 구성 부품을 자화시키면서 작동 신뢰성을 떨어뜨리기 되는데, 이를 방지하기 위하여 피스톤(4)의 스트로크 즉, 영구자석(33)의 이동 거리는 영구자석(33)의 중심이 아우터스테이터(32)의 두 개의 폴(32a,32b) 끝단까지로 엄격히 제한되어 왔고, 이를 위해 고강성의 스프링강으로 만들어진 여러 개의 기계 스프링(20)이 도 1에 보인 바와 같이 이동부재를 탄성 지지하는데 사용되어 왔다.
이와 같이 리니어 모터(30)가 작동되면, 피스톤(3) 및 이와 연결된 머플러 어셈블리(10)가 왕복 직선 운동하게 되고, 압축공간(P)의 압력이 가변됨에 따라 흡입밸브(5) 및 토출밸브 어셈블리(6)가 작동되며, 이와 같은 작동에 의해 냉매가 밀폐용기(1)의 흡입관(1a), 백 커버(9)의 개구부, 머플러 어셈블리(10), 피스톤(3)의 흡입구들을 지나 압축공간(P)으로 흡입되어 압축된 다음, 토출밸브 어셈블리(6), 루프 파이프(미도시) 및 밀폐용기(1)의 토출관(1b)을 통하여 외부로 빠져나간다.
최근의 리니어 압축기는 저용량에도 쉽게 적용될 수 있을 뿐 아니라 좁은 공간에서도 쉽게 설치될 수 있도록 개발되고 있다. 그런데, 종래의 리니어 압축기 및 이에 적용된 리니어 모터는, 피스톤(4)의 스트로크 길이를 전술한 이유 때문에 영구자석(33)의 중심이 아우터스테이터(32)의 두 개의 폴(32a,32b) 사이에서 왕복 직선 운동하는 거리로 엄격히 제한하고, 이를 위하여 여러 개의 스프링(20)을 사용하는 까닭에 저용량의 단순한 구조에 사용되기에 부적합하다.
본 발명은 리니어 모터 구조를 변경함으로써, 구성 부품을 일체화 또는 삭제하여 경량화 또는 소형화시킬 수 있는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 아울러, 본 발명은 구성 부품의 일체화와 경량화 또는 소형화를 가능하게 하는 리니어 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 리니어 모터 구조를 변경함으로써, 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 이용하여 효율을 최적화시킬 수 있는 리니어 압축기 및 이에 적용된 리니어 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 압축공간이 내부에 구비되는 실린더와, 실린더의 외부에 설치되는 이너스테이터와, 이너스테이터와 간극에서 폴을 형성하는 아우터스테이터를 포함하는 고정부재; 그리고, 실린더의 압축공간으로 왕복 직선 운동하면서 압축공간으로 도입되는 작동유체를 압축시키는 피스톤과, 이너스테이터와 아우터스테이터 사이의 간극에서 상호 전자기력에 의해 피스톤과 함께 왕복 직선 운동하는 영구자석을 포함하는 가동부재;를 포함하고, 영구자석은 왕복 직선 운동하는 방향을 따라 복수 개가 나열되고, 각각의 영구자석의 N극 및 S극이 이너스테이터 및 아우터스테이터와 마주 보도록 형성되는 리니어 압축기를 제공한다.
바람직하게는, 왕복 직선 운동하는 방향을 따라 나열된 복수 개의 영구자석은 서로 다른 극이 맞닿도록 나열된 것이 좋다.
다르게는, 왕복 직선 운동하는 방향을 따라 나열된 복수 개의 영구자석은 서로 다른 극이 인접하도록 나열된 것이 좋다.
또한, 가동부재를 왕복 직선 운동 방향의 양쪽에서 고정부재에 대해 탄성 지지하는 기계스프링;을 포함하고, 하나 이상의 영구자석의 중심이 아우터스테이터의 폴의 중심으로부터 왕복 직선 운동하는 방향으로 멀어짐에 따라, 이너스테이터 및 아우터스테이터와 하나 이상의 영구자석 사이에서, 압축되는 방향의 기계스프링의 복원력과 같은 방향으로 전자기적 복원력이 작용할 수 있다.
여기서, 이너스테이터 및 아우터스테이터와 하나 이상의 영구자석 사이에서, 압축되는 방향의 기계스프링의 복원력과 같은 방향으로 작용하는 최대 전자기적 복원력으로부터 기계 스프링 상수(Kmechanical)와 호환 가능한 자기 스프링 상수(Kmagnet)가 얻어질 수 있다.
이 경우, 가동부재의 질량(M), 기계스프링의 복원력에 의해 얻어지는 기계 스프링 상수(Kmechanical), 압축공간 내로 유입되는 작동유체 압력에 의해 얻어지는 정의되는 가스 스프링 상수(Kgas) 및 자기 스프링 상수(Kmagnet)에 의해 공진 주파수(fo)가 얻어질 수 있다.
이 경우, 바람직하게는 자기 스프링 상수(Kmagnet)는 자속밀도(B) 및 코일 길이(l)에 의해 산출되는 모터 특성치(α)와 비례 관계를 갖고, 가동부재의 스트로크(S)는 모터 특성치(α)와 반비례 관계를 가짐과 동시에 자기 스프링 상수(Kmagnet)과는 비례 관계를 갖는다.
또한, 이너스테이터 및 아우터스테이터는 일측에서 맞닿고 타측에서만 하나의 폴을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 이너스테이터는 실린더의 외주면에 왕복 직선 운동 방향으로 길게 장착되고, 아우터스테이터는 이너스테이터의 외주면에 위치되어, 이너스테이터의 축방향 일단과 연결되는 연결부 및 이너스테이터의 축방향 다른 일단과 간극 공간부를 유지하는 폴을 구비하며, 영구자석들은 이너스테이터와 아우터스테이터의 폴 사이에 위치하여 상호 전자기력에 의해 왕복 직선 운동할 수 있다.
또한, 실린더와 일체로 형성되며 이너스테이터와 아우터스테이터가 연결된 부분이 왕복 직선 운동 방향으로 지지되는 프레임;을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 아우터스테이터를 죽방향으로 지지하고, 아우터스테이터를 프레임에 볼트 체결시키는 모터 커버;를 추가로 포함하고, 이너스테이터는 아우터스테이터에 의해 고정되는 것이 바람직하다.
이 경우, 기계 스프링은 피스톤을 왕복 직선 운동 방향의 양쪽에서 지지하는 제1스프링 및 제2스프링인 것이 좋다.
또한, 피스톤과 축방향으로 간격을 유지하도록 설치되는 백 커버;를 추가로 포함하고, 제1스프링은 피스톤의 플랜지와 백 커버 사이에 설치되고, 제2스프링은 실린더와 피스톤의 플랜지 사이에 설치될 수 있다.
아울러, 본 발명은, 압축공간이 내부에 구비되는 실린더와, 실린더의 외부에 설치되는 이너스테이터와, 이너스테이터와 일측에서는 맞닿고 타측에서는 간극 사이에서 폴을 형성하는 아우터스테이터를 포함하는 고정부재; 실린더의 압축공간으로 왕복 직선 운동하면서 압축공간으로 도입되는 작동유체를 압축시키는 피스톤과, 이너스테이터와 아우터스테이터 사이의 간극에서 상호 전자기력에 의해 피스톤과 함께 왕복 직선 운동하며, 왕복 직선 운동하는 방향을 따라 복수개의 영구자석이 서로 다른 극이 맞닿으면서 각각의 영구자석의 N극 및 S극이 이너스테이터 및 아우터스테이터를 마주보도록 나열된 영구자석부를 포함하는 가동부재; 그리고, 가동부재를 왕복 직선 운동 방향의 양쪽에서 고정부재에 대해 탄성 지지하는 기계스프링;을 포함하고, 하나 이상의 영구자석의 중심이 아우터스테이터의 폴의 중심으로부터 왕복 직선 운동하는 방향으로 멀어짐에 따라, 이너스테이터 및 아우터스테이터와 하나 이상의 영구자석 사이에서, 압축되는 방향의 기계스프링의 복원력과 같은 방향으로 전자기적 복원력이 작용하는 리니어 압축기를 제공한다.
여기서, 이너스테이터 및 아우터스테이터와 하나 이상의 영구자석 사이에서, 압축되는 방향의 기계스프링의 복원력과 같은 방향으로 작용하는 최대 전자기적 복원력으로부터 기계 스프링 상수(Kmechanical)와 호환 가능한 자기 스프링 상수(Kmagnet)가 얻어지고, 자기 스프링 상수(Kmagnet)는 자속밀도(B) 및 코일 길이(l)에 의해 산출되는 모터 특성치(α)와 비례 관계를 갖고, 가동부재의 스트로크(S)는 모터 특성치(α)와 반비례 관계를 가짐과 동시에 자기 스프링 상수(Kmagnet)과는 비례 관계를 갖는 것이 좋다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 리니어 모터는 이너스테이터와 아우터스테이터의 하나의 폴 사이에서 운동 방향으로 연결된 두 개의 영구자석이 왕복 직선 운동하도록 구성되기 때문에 자기 스프링 상수를 높일 뿐 아니라 영구자석의 이동 거리를 줄일 수 있고, 이러한 리니어 모터가 채용된 압축기는 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 고려하여 기존과 같은 공진 주파수를 설계함에 따라 기계 스프링 상수(Kmechanical)를 낮게 설계할 수 있기 때문에 두 개의 스프링만 피스톤을 지지하도록 구성할 수 있고, 그에 따라 두 개의 스프링이 피스톤을 직접 탄성 지지하도록 하기 때문에 서포터를 생략하거나, 모터 커버 형상을 단순화시킬 수 있어 저용량화, 경량화, 소형화시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 리니어 모터의 구조가 변경됨에 따라 전체 스프링 상수(k)에서 기계 스프링 상수(Kmechanical)와 가스 스프링 상수(Kgas) 이외에도 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 고려하되, 냉력이 자기 스프링 상수(Kmagnet) 및 모터 특성치(α)에 의해 결정되기 때문에 자기 스프링 상수(Kmagnet)가 모터 특성치(α)의 영향을 상쇄시킬 수 있어 냉력을 좌우하는 스트로크(S)의 산포를 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 스테이터의 하나의 폴에서만 전자기력이 발생하기 때문에 스트로크(S)가 커질수록 모터 특성치(α) 및 자기 스프링 상수(Kmagnet)가 급격하게 줄어들게 되는데, 부하에 따라 가스 스프링(Kgas)의 영향으로 피스톤의 밀림량(Δx)이 발생하여 스트로크(S)가 증가하면, 자기 스프링 상수(Kmagnet)가 줄어듦에 따라 전체 스프링 상수(k)가 줄어들고, 이에 따라 피스톤의 밀림량(Δx)이 더 커져 전체 스트로크(S)가 더 늘어남에 따라 부하에 대응하는 압축 용량을 손쉽게 확대시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 리니어 압축기 일예가 도시된 평단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터 일예가 일부 도시된 측단면도.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기 일예가 도시된 평단면도.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구조체 일예가 도시된 측단면도.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터 일예가 일부 도시된 측단면도.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 이너스테이터 및 아우터스테이터 일예가 도시된 사시도.
도 7 내지 도 8는 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터의 작동 일예가 도시된 도면.
도 9은 본 발명에 따른 리니어 압축기에서 피스톤의 초기위치, 밀림량, 상사(TDC)점 및 하사점(BDC)이 종래와 비교되어 도시된 그래프.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기 일예가 도시된 평단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 구조체 일예가 도시된 측단면도이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 냉매가 흡/토출되는 흡입관(101a) 및 토출관(101b)이 구비된 밀폐용기(101)와, 밀폐용기(101) 내측에 프레임(102), 실린더(103), 피스톤(104), 흡입밸브(105) 및 토출밸브 어셈블리(106), 모터 커버(107), 백 커버(108), 흡입 머플러(110), 두 개의 스프링(120: 121,122), 리니어 모터(130)로 이루어진 구조체가 탄성 지지되도록 설치된다.
프레임(102)과 실린더(103)는 일체로 제작되는데, 본 발명에 따른 리니어 모터(130)의 특성상 자성 재질로 형성되더라도 무방하다. 즉, 종래의 리니어 압축기에서는 전술한 바와 같이 리니어 모터에 두 개의 폴이 존재했고, 실린더 측의 폴에 존재하는 간극을 통해 자속이 누설됨에 따라 프레임을 자화시키기 때문에 불가피하게 프레임, 실린더, 피스톤 중 하나 이상을 알루미늄과 같은 비자성체로 제작하여야 했다. 하지만, 본 발명에 따른 리니어 모터(130)에서는 후술하는 바와 같이, 프레임(102) 및 실린더(103) 측에서 리니어 모터(130)의 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)가 서로 맞닿아서, 이들 간에 폐루프가 형성됨에 따라 외부로 자속이 누설될 염려가 없기 때문에 프레임(102)이나 실린더(103)을 비자성체로 형성할 필요가 없고, 주철 등으로 프레임(102)과 실린더(103)를 일체로 주조할 수 있게 된다.
실린더(103)는 압축공간(P)이 구비될 수 있는 원통형상으로 형성되는데, 기존의 리니어 압축기에 비해 피스톤의 스트로크 길이가 짧게 구성되기 때문에 기존의 실린더보다 축방향으로 짧게 형성되며, 하기에서 설명될 리니어 모터(130)의 스테이터들(131,132)의 축방향 길이보다 짧게 형성된다.
피스톤(104)은 원통형의 막힌 일단에 구비되어 압축공간(P)으로 냉매를 흡입시키는 흡입구(104h)가 구비된 헤드부(104a)와, 원통형의 개방된 다른 일단에 반경 방향으로 확장되도록 형성된 플랜지부(104b)로 이루어지되, 리니어 모터(130)에서 자력 누설을 방지하기 위하여 일부가 비자성 재질로 제작될 수도 있다. 이것은 후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 리니어 모터(130)에도 피스톤(104)의 플랜지부(104b) 쪽으로 폴이 존재하기 때문인데, 이 폴의 간극을 통해 누설된 자속이 그 부근의 자성체 부재를 자화시키기 때문이다. 이때, 피스톤(104)의 헤드부(104a)는 실린더(103) 내측에 삽입되도록 설치되고, 피스톤(104)의 플랜지부(104b)는 하기에서 설명될 리니어 모터(130)의 자석부(133)와 연결되는 동시에 두 개의 스프링(120: 121,122)에 의해 축방향으로 탄성 지지되도록 설치된다.
물론, 피스톤(104)의 헤드부(104a)에는 흡입밸브(105)가 장착되고, 실린더(103)의 압축공간(P) 일단에는 토출밸브 어셈블리(106)가 장착되되, 압축공간(P)의 압력 변화에 따라 개폐되도록 작동된다.
모터 커버(107)는 하기에서 설명될 리니어 모터(103)를 프레임(102)에 고정시키되, 리니어 모터(130)의 축방향 일단을 프레임(102)에 지지되도록 하고, 리니어 모터(130)의 축방향 다른 일단을 모터 커버(107)로 덮어준 다음, 모터 커버(107)를 프레임(102)에 볼트 체결시킨다. 이때, 리니어 모터(130)의 아우터스테이터(132)가 실제 프레임(102)과 모터 커버(107) 사이에 고정되는데, 리니어 모터(130)의 아우터스테이터(132)를 고정시키면서 이너스테이터(131)도 함께 고정시키도록 구성할 수 있는데, 그 일예를 하기에서 자세하게 설명한다.
백 커버(108)는 평판을 피스톤(104)의 플랜지부(104b) 및 흡입 머플러(110)를 수용할 수 있도록 절곡시켜 형성되고, 선단이 리니어 모터(130)와 반대 방향에 위치하도록 모터 커버(107)에 볼트 체결된다. 백 커버(108)는 스프링(122)이 안착되도록 후방에 추가적인 캡(108a)이 돌출되는데, 구조체가 진동되더라도 추가적인 스토퍼가 구비될 수도 있지만, 백 커버(108)의 캡(108a)이 밀폐용기(101)와 충돌하면서 스토퍼 역할을 할 수 있도록 원형 또는 모서리 부분이 둥글게 형성되는 것이 바람직하다. 물론, 백 커버(108)의 캡(108a)에는 흡입 머플러(110)로 냉매가 유입될 수 있도록 개구부(108h)가 구비되고, 밀폐용기(101)의 흡입관(101a)과 일직선 상에 위치되는 것이 바람직하다.
흡입 머플러(110)는 피스톤(104)의 플랜지부(104b)에 고정되고, 각종 소음 공간 및 소음관이 구비되도록 하여 냉매가 피스톤(104)의 헤드부(104a)까지 흡입되도록 안내하는 동시에 흡입밸브(105)의 개폐 소음을 감쇄시킨다. 물론, 흡입 머플러(110)도 리니어 모터(130)의 자력 누설을 방지하기 위하여 일부 또는 전체가 비자성 재질로 형성될 수 있다.
스프링들(120)은 실린더(103) 단부와 피스톤(104)의 플랜지(104b)에 지지되는 제1스프링(121)과, 피스톤(104)의 플랜지(104b)와 백 커버(108)의 캡(108b)에 지지되는 제2스프링(122)으로 이루어진다. 제1스프링(121)은 피스톤(104)이 냉매를 압축시키는 방향으로 이동될 때에 압축되는 반면, 제2스프링(122)은 피스톤(104)이 냉매를 흡입시키는 방향으로 이동될 때에 압축되되, 제1,2스프링(121,122)은 서로 반대로 거동한다. 하기에서 설명될 리니어 모터(130)에서는 기존의 리니어 모터와 달리 자기 스프링 상수(Kmagnet) 값이 의미를 가질 수 있기 때문에 상대적으로 기계 스프링 상수(Kmechanical) 값을 작게 할 수 있어서, 전체 스프링들의 스프링 상수를 줄이는 것 즉, 전체 스프링의 개수를 줄이거나, 개별 스프링의 스프링 상수를 줄이는 것 즉, 개별 스프링의 직경(D), 선경(d) 및 길이(l)를 줄이도록 설계하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 두 개의 스프링(120: 121,122)만 적용될 수 있고, 나아가 기존에 많은 스프링들을 보다 효과적인 공간에 설치하기 위하여 구비되었던 서포터도 생략하거나, 모터 커버에 구비된 스프링 지지부도 없앨 수 있어 압축기를 소형화, 경량화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터 일예가 일부 도시된 측단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 이너스테이터 및 아우터스테이터 일예가 도시된 사시도이다.
본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용되는 리니어 모터 일예는 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 축방향 일단이 서로 연결되는 동시에 그 이외 부분은 간극을 유지하도록 설치되고, 자석부(133)가 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 간극 사이에 위치하여 상호 전자기력에 의해 왕복 직선 운동할 수 있도록 설치된다.
이너스테이터(131)는 종래 기술과 마찬가지로 원주방향으로 라미네이션이 적층되는 형식으로 제작될 수 있는데, 아우터스테이터(132)와 연결될 수 있도록 축방향 일단의 외주면에 반경 방향으로 확장된 연결부(131a)가 구비되고, 전자기력을 높이기 위하여 축방향 일단의 외주면이 축방향으로 확장된 돌출부(131b)가 구비된다. 이때, 이너스테이터(131)는 실린더(103 : 도 4에 도시)의 축방향 길이보다 길게 형성되기 때문에 기존과 같이 이너스테이터가 실린더 외주면에 고정되기 어렵고, 이를 보완하기 위하여 이너스테이터(131)를 아우터스테이터(132)에 의해 고정시키도록 하되, 하기에서 자세하게 설명하기로 한다.
아우터스테이터(132)는 원주방향으로 코일이 권선된 코일 권선체(132A)와, 코일 권선체(132A)의 원주 방향으로 일정 간격을 두고 코일 권선체(132A)의 내주면을 제외한 부분을 감싸도록 설치된 복수개의 코어(132B)으로 이루어지되, 코어(132B)는 측단면이 '┗┛' 형상인 라미네이션이 원주방향으로 일부만 적층되도록 구성된다. 이때, 코어(132B)는 이너스테이터(131)의 연결부(131a) 및 돌출부(131b)와 마주보도록 위치한 두 개의 단부가 구비되되, 코어(132B)의 하나의 단부에는 이너스테이터(131)의 연결부(131a)와 겹쳐지도록 이너스테이터(131) 방향으로 돌출된 연결부(132a)가 구비되고, 코어(132B)의 다른 하나의 단부에는 이너스테이터(131)의 외주면 및 돌출부(131b)와 간극을 이주는 폴(132b)이 구비된다. 나아가, 코어(132B)의 연결부(132a)는 이너스테이터(131)의 연결부(131a)와 형합 또는 용접되거나, 축방향으로 작용하는 체결력에 의해 이너스테이터(131)를 눌러주도록 형성되고, 어떤 형식으로 연결되든 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 일단부가 서로 연결되어 폐루프를 형성하기 때문에 스테이터들(131,132)의 연결 부분에서 자속이 누설될 가능성이 없어진다. 코어(132B)의 폴(132b)은 이너스테이터(131)의 돌출부(131b)와 마찬가지로 전자기력을 높이기 위하여 이너스테이터(131)와 마주보는 면의 면적을 넓히기 위해 양축 방향으로 모두 확장되는 돌출부(132b')가 형성되는 것이 바람직하다.
물론, 기존의 아우터스테이터에 적용된 코어는 두 개의 폴이 구비되되, 전자기력을 높이기 위하여 이너스테이터와 마주보는 폴들의 면적을 축방향으로 확장되도록 형성하고, 이와 같은 형상의 폴들을 가진 코어를 코일 권선체에 조립하기 위하여 측단면 형상이 '┗'와 '┛'인 라미네이션이 각각 적층된 두 개의 코어 블록으로 형성시킨 다음, 두 개의 코어 블록을 복잡한 결합 부재, 결합 방법으로 코일 권선체에 결합하여 사용하였지만, 본 발명의 아우터스테이터(132)에 적용된 코어(132B)는 하나의 폴(132b)만 구비되기 때문에 측단면 형상이 '┗┛' 인 라미네이션이 적층된 하나의 코어 블록으로 구성하여 바로 코일 권선체(132A)에 결합할 수 있어 제작 공정이 간단해질 수 있다.
자석부(133)는 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)를 마주보는 N-S 극을 가진 제1,2영구자석(133a,133b)으로 구성되고, 제1,2영구자석(133a,133b)이 축방향 즉, 왕복 직선 운동 방향으로 서로 다른 극과 맞닿거나, 인접하도록 나열되는 것이 바람직하다. 즉, 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)가 축방향으로 일단이 서로 연결되기 때문에 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이에서만 전자기력을 형성시키고, 아우터스테이터(132)의 하나의 폴(132b)에서만 극이 변화되더라도 자석부(133)가 왕복 직선 운동하기 위하여서는 자석부(133) 자체가 두 개의 영구자석(133a,133b)이 축방향으로 서로 연결되도록 구성되되, 두 개의 영구자석(133a,133b)이 서로 다른 극끼리 연결되는 것이 바람직하다.
물론, 하기에서 설명될 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 가지도록 리니어 모터(130)를 구성하기 위하여, 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이에 위치한 자석부(133)를 영구자석들의 배열, 개수를 조정하여 다양하게 구성할 수 있다. 일예로, 제1,2영구자석(133a,133b)은 각각 8개의 영구자석이 원주 방향으로 일정 간격을 두고 배열되되, 8개의 제1영구자석(133a)과 8개의 제2영구자석(133b)이 축방향으로 서로 다른 극이 맞닿도록 설치되거나, 8개의 제1영구자석(133a)과 8개의 제2영구자석(133b)이 축방향으로 나열되더라도 서로 다른 극이 인접하도록 제1영구자석들(133a) 사이에 제2영구자석들(133b)이 위치하도록 설치될 수도 있다. 나아가, 자석부(133)는 제1,2영구자석(133a,133b) 이외에도 추가적으로 축방향으로 나열된 영구자석을 포함할 수도 있다.
상기와 같이 구성된 리니어 모터의 결합 과정을 도 4 내지 도 6을 참조하여 살펴보면, 다음과 같다.
이너스테이터(131)가 실린더(103) 외주면에 끼워지되, 이너스테이터(131)의 축방향 일단이 프레임(102)과 맞닿도록 결합된 다음, 아우터스테이터(132)가 이너스테이터(131) 외주면에 끼워지되, 아우터스테이터(132)의 연결부(132a)가 이너스테이터(131)의 연결부(131a)와 겹쳐지고, 아우터스테이터(132)의 폴(132b)이 이너스테이터(131)의 외주면과 간극을 유지하도록 결합된다. 모터 커버(107)가 축방향에서 결합되어 아우터스테이터(132)의 축방향 일단 외주면을 덮어주도록 위치시킨 다음, 모터 커버(107)를 프레임(102)에 볼트 체결시킨다. 물론, 볼트는 아우터스테이터(132)의 코어들(132B) 사이의 공간을 관통하여 프레임(102)과 모터 커버(107)를 결합하되, 프레임(102)과 모터 커버(107) 사이에 아우터스테이터(132)를 고정시키고, 아우터스테이터(132)에 작용하는 체결력에 의해 아우터스테이터(132)의 연결부(132a)가 이너스테이터(131)의 연결부(131a)를 프레임(102)에 눌러주면서 손쉽게 이너스테이터(131)를 고정시킬 수 있다.
이와 같이, 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)가 서로 연결된 부분이 폐루프를 형성하므로, 설사 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)가 프레임(102)과 맞닿더라도 자력이 프레임(102)으로 누설될 염려가 없기 때문에 프레임(102) 및 실린더(103)가 알루미늄과 같은 비자성체로 사출 성형 등의 방법으로 제작될 필요가 없고, 자성 재질 일예로, 주철에 의해 손쉽게 주물로 일체로 형성될 수 있다.
도 7 내지 도 8은 본 발명에 따른 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터의 작동 일예가 도시된 도면이다.
도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 코일 권선체(132A)에 전원이 입력됨에 따라 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b)이 서로 N-S극을 번갈아가면서 띄게 된다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이 아우터스테이터(132)의 폴(132b)이 N극을 띄면, 자석부(133)의 S극을 끌어당기는 동시에 자석부(133)의 N극을 밀어내기 때문에(마찬가지로, 이너스테이터(131)는 S극을 띄어서 자석부(133)의 N극을 끌어당기는 동시에 자석부(133)의 S극을 밀어냄), 제1스프링(121)의 복원력에 부가하여 제2영구자석(133b)를 오른쪽으로 밀어내서 자석부(133)가 일축 방향(도 7에서 오른쪽)으로 움직이는데, 제1영구자석(133a)의 중심이 아우터스테이터(132)의 외측 돌출부(132b') 끝단을 벗어나지 않는 범위(BDC 포인트)까지 이동한다. 결과적으로, 제2영구자석(133b)은 아우터스테이터(132)의 외측 돌출부 끝단(132b')을 벗어남에 따라 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이의 간극 공간부를 완전히 벗어나게 된다. 반면, 도 8에 도시된 바와 같이 아우터스테이터(133)의 폴(132b)이 S극을 띄면, 자석부(133)의 N극을 끌어당기는 동시에 자석부(133)의 S극을 밀어내기 때문에(마찬가지로, 이너스테이터(131)는 N극을 띄어서 자석부(133)의 S극을 끌어당기는 동시에 자석부(133)의 N극을 밀어냄), 제2스프링(122)의 복원력에 부가하여 제1영구자석(133a)를 왼쪽으로 밀어내서 자석부(133)가 반대 방향(왼쪽)으로 움직이는데, 마찬가지로 제2영구자석(133b)의 중심이 아우터스테이터(132)의 내측 돌출부(132b') 끝단을 벗어나지 않는 범위(TDC 포인트)까지 이동한다. 결과적으로, 제1영구자석(133a)은 아우터스테이터(132)의 내측 돌출부 끝단(132b')을 벗어남에 따라 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이의 간극 공간부를 완전히 벗어나게 된다. 즉, 자석부(133)의 움직이는 거리 즉, 피스톤(104)의 스트로크는 제1영구자석(133a)의 중심이 아우터스테이터(132)의 외측 돌출부(132b') 끝단에 위치한 지점부터 제2영구자석(133b)의 중심이 아우터스테이터(132)의 내측 돌출부(132b') 끝단에 위치한 지점 사이의 이동 거리로 볼 수 있다.
그런데, 이상과 같은 본 발명에 따른 리니어 모터에서는 영구자석(133a,133b)이 구비된 자석부(133)가 왕복 직선 운동을 하면서 또 다른 복원력이 리니어 모터의 자석부(133)에 작용하게 된다. 이것은 도 7 및 도 8 에서와 같이 자석부(133) 중 하나의 영구자석이 이너스테이터의 돌출부(131b)와 아우터스테이터의 폴(132b) 사이를 지나치되, 자석부(133) 중 하나의 영구자석이 서로 다른 극을 가진 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 중심에서 벗어남에 따라 전자기력에 의해 다시 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 중심으로 되돌아오려고 작용하는 전자기적 복원력이 작용한다. 즉, 도 7에서는 제1영구자석(133a)이 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이에 위치하도록 하는 복원력이 작용하고, 도 8에서는 제2영구자석(133b)이 이너스테이터(131)와 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 사이에 위치하도록 하는 복원력이 작용한다.
이러한 전자기적 복원력이 피스톤(104)과 자석부(133)로 구성되는 이동부재를 지지하는 스프링들(120, 121, 122)의 복원력과 같은 방향의 힘으로 작용하기 때문에 이를 본 발명에서는 자기 스프링(magnet spring)이라 정의하고, 이로부터 얻어지는 스프링 상수를 자기 스프링 상수(magnet spring constant: Kmagnet)로 표시하기로 한다. 이러한 자기 스프링 상수(Kmagnet)는 가동부재를 왕복 직선 운동 방향의 양쪽에서 탄성 지지하는 기계 스프링 상수(Ktmechanical)와 같은 단위로 표시되고 얼마든지 호환 가능하다. 이러한 복원력은, 자석부(133) 중 하나의 영구자석 중심이 서로 다른 극을 가진 아우터스테이터(132)의 폴(132b) 중심으로부터 작용하기 시작하여 아우터스테이터(132)의 폴(132b)의 끝단에 위치하였을 때 최대가 되었다가 급격히 작아진다. 즉, 제2스프링(122)의 복원력과 같은 방향의 자기 스프링의 복원력(전자기적 복원력)은 제1영구자석(133a)의 중심이 아우터스테이터(132)의 외측 돌출부(132b') 끝단에 위치할 때(도 7의 경우) 가장 크게 되고 제1스프링(121)의 복원력과 같은 방향의 자기 스프링의 복원력(전자기적 복원력)은 제2영구자석(133b)의 중심이 아우터스테이터(132)의 내측 돌출부 끝단에 위치할 때(도 8의 경우) 가장 크게 된다. 이상의 위치에서의 전자기적 복원력(최대 전자기적 복원력)에 의해 자기 스프링 상수가 얻어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 리니어 모터가 채용된 리니어 압축기에서는, 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 고려함에 따라 기계 스프링 상수(Ktmechanical)를 상대적으로 작게 설계할 수 있어서 스프링들의 강성(스프링의 갯수, 직경, 길이, 선경 등을 포함함)을 축소시킬 수 있는 효과가 있다. 보다 상세히 설명하면, 리니어 압축기는 가장 효율적으로 운전시키기 위하여 전원 주파수(f)를 공진 주파수(fo)에 맞추도록 설계되는데, 본 발명의 리니어 모터 특성상 본 발명의 리니어 압축기를 설계하는 경우, 하기의 수학식과 같이 자기 스프링 상수(Kmagnet)를 고려하여 공진 설계가 이루어지는 것이 바람직하다.
수학식 1
Figure PCTKR2010005154-appb-M000001
즉, 리니어 모터로 공급되는 전원 주파수(f)가 결정되면, 전원 주파수(f)를 공진점에 맞추기 위하여 피스톤 및 영구자석으로 이루어지는 이동부재의 질량(M), 피스톤을 축방향 양쪽으로 지지하는 기계 스프링들의 복원력에 의해 정의되는 기계 스프링 상수(Kmechanical), 압축공간 내로 흡입되는 가스의 압력에 의해 정의되는 스프링 상수(Kgas), 영구자석의 중심이 스테이터의 폴 중심을 벗어남에 따라 전술한 바와 같이 작용하는 복원력에 의해 정의되는 자기 스프링 상수(Kmagnet)가 조절될 수 있다. 이때, 이동부재의 질량(M)은 제품 별로 정해지는 상수 값으로 볼 수 있으나, 가스 스프링 상수(Kgas)는 냉매의 종류 및 부하에 따라 변하지만, 공진 설계를 위해서는 운전 범위 내에서 가스 스프링의 값이 상수로 작용할 수 있도록 별도의 배려를 하는 것이 필요한데, 이를 위해서 이동부재의 질량(M)을 크게 하여 가스 스프링의 영향을 줄이거나, 기계 스프링의 강성을 크게 하여 가스 스프링의 상대적 영향력을 줄이고 있다. 기계 스프링의 강성을 크게 하기 위해서 불가피하게 복수개의 기계 스프링이 병렬로 연결되어야 하므로 압축기의 부피를 크게 하고, 복수개의 기계 스프링을 병렬로 지지하기 위한 써포터 피스톤과 같은 별도의 지지 구조도 필요했었다. 그런데, 본 발명에서는 기계 스프링에 부가하여 기계 스프링과 같은 방향으로 복원력을 제공하는 자기 스프링을 고려할 수 있으므로 상대적으로 기계 스프링의 강성 혹은 기계 스프링 상수를 줄이는 것이 가능해진다. 따라서, 피스톤을 왕복 직선 운동하는 피스톤을 양축 방향으로 지지하는 스프링들의 개수(n), 직경(D), 선경(d) 및 길이(l)를 작게 설계할 수 있고, 스프링들을 지지하는 부품들을 생략할 수 있어 경량화, 소형화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 리니어 모터가 채용된 리니어 압축기는, 스트로크 산포 영향을 축소시키는 효과가 있다. 즉, 자기 스프링 상수(Kmagnet)는 모터 특성치(α)와 비례하는 관계를 갖는데(Kmagnet ∝ α), 이 특성을 이용하면 압축기의 모델별로 달라지는 모터 특성치(α)가 가져오는 스트로크 산포 영향도를 줄일 수 있게 된다. 보다 상세하게 설명하면, 먼저 냉력은 스트로크(S)에 비례하고(냉력 ∝ S), α로 표시되는 리니어 모터의 특성치는 역기전력에서 자속 밀도(B) 및 코일 길이(l)에 의해 산출될 수 있는 값인데, 리니어 모터의 모델에 따라 자속 밀도(B) 및 코일 길이(l)가 다를 수 있고 이에 따라 각각의 모델들은 고유의 모터 특성치(α)를 갖게 된다. 그런데, 이러한 모터 특성치(α)는 자기 스프링과 비례하는 관계(Kmagnet ∝ α)를 가지는 반면에, 스트로크(S)는 모터 특성치(α)에 대해서는 반비례하면서(S ∝ 1/α) 자기 스프링에 대해서는 비례하는 관계(S ∝ Kmagnet)를 갖는다.
즉, 모터 특성치(α)가 큰 리니어 모터가 채용된 리니어 압축기에서는 상대적으로 큰 모터 특성치(α) 때문에 스트로크(S)가 작아지더라도, 상대적으로 큰 모터 특성치(α)는 상대적으로 큰 자기 스프링 상수 값을 가져오게 되고 이것은 또한 상대적으로 큰 스트로크(S)로 이어지므로, 모터 특성치(α)가 상대적으로 커서 생기게 되는 스트로크의 감소를, 자기 스프링 상수 값의 증가에 의한 스트로크의 증가로 상쇄하게 되어, 리니어 모터의 모델에 따라서 달라지는 모터 특성치에 따른 스트로크 산포 및 그에 따른 냉력 산포의 영향을 최소화할 수 있게 된다.
다르게는, 모터 특성치(α)가 작은 리니어 모터가 채용된 리니어 압축기에서는 상대적으로 작은 모터 특성치(α) 때문에 스트로크(S)가 커지더라도, 상대적으로 작은 모터 특성치(α)는 상대적으로 작은 자기 스프링 상수 값을 가져오게 되고 이것은 또한 상대적으로 작은 스트로크(S)로 이어지므로, 모터 특성치(α)가 상대적으로 작아서 생기게 되는 스트로크의 증가를, 자기 스프링 상수 값의 감소에 의한 스트로크의 감소로 상쇄하게 되어, 리니어 모터의 모델에 따라서 달라지는 모터 특성치에 따른 스트로크 산포 및 그에 따른 냉력 산포의 영향을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 리니어 모터에서는 기계 스프링의 강성이 종래에 비해 줄어들게 되므로 부하에 따라 작용하는 가스 스프링의 영향이 상대적으로 커질 수 있지만, 부하에 따라 용량 확대가 용이한 장점을 동시에 갖게 된다. 이를 보다 상세하게 설명하면, 기존의 리니어 모터는 스테이터의 두 개의 폴(2pole)에서 전자기력이 발생된 반면, 본 발명의 리니어 모터는 스테이터의 하나의 폴(1pole)에서만 전자기력이 발생되기 때문에 본 발명의 리니어 모터는 기존의 리니어 모터보다 스트로크(S)가 커질수록 자속 밀도(B)가 급격하게 작아지고, 그에 따라 자속 밀도(B)에 영향을 받는 모터 특성치(α)도 작아진다. 즉, 본 발명의 리니어 모터가 채용된 리니어 압축기에서 스트로크(S)가 증가할수록 모터 특성치(α)가 보다 민감하게 감소되는데, 하나의 리니어 모터 내에서 모터 특성치(α)와 자기 스프링 상수(Kmagnet)는 전술한 바와 같이 비례하는 특성을 나타낸다. 즉, 도 9의 좌측에 도시된 종래의 경우에서는, 냉매가 압축공간으로 도입되면 가스 스프링에 의해 피스톤(104)의 초기 위치(xo)가 하사점 방향으로 소정의 밀림량(Δx) 만큼 밀리게 되고, 이와 같이 피스톤(104)의 밀린 초기 위치(xo')를 중심으로 피스톤(104)이 상사점(top dead center: TDC) 및 하사점(bottom dead center: BDC) 사이에서 스트로크 S의 왕복 직선 운동을 하고, 자기 스프링의 영향을 받지 않으므로 기계 스프링 및 가스 스프링에 의해서만 스트로크(S)가 형성된다. 반면에, 도 9의 우측에 도시된 본 발명의 경우에서는 상기에서 언급한 특성과 같이 자기 스프링의 영향 때문에 상대적으로 기계 스프링 상수 값이 작도록 설계될 수 있어서 도 9의 좌측에 도시된 종래의 경우에서와 동등한 압력의 냉매가 압축공간으로 도입되더라도 피스톤(104)의 초기 위치(xo)로부터 하사점 방향으로 밀림량(Δx')의 크기가 커지고, 스트로크(S)가 커질수록 모터 특성치(α)는 작아지고 그에 비례하는 자기 스프링 상수(Kmagnet) 값도 함께 작아지므로 전체적으로 스프링 상수(K) 값이 작아져서 피스톤(104)이 밀린 초기 위치(xo'')를 중심으로 종래의 경우에 비해 더 긴 스트로크(S1)에 걸쳐서 왕복 직선 운동을 할 수 있게 된다. 결과적으로 결과적으로 압축 용량을 보다 용이하게 확대시킬 수 있다.
이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예 및 첨부도면에 기초하여 예로 들어 상세하게 설명하였다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

Claims (15)

  1. 압축공간이 내부에 구비되는 실린더와, 실린더의 외부에 설치되는 이너스테이터와, 이너스테이터와 간극에서 폴을 형성하는 아우터스테이터를 포함하는 고정부재; 그리고,
    실린더의 압축공간으로 왕복 직선 운동하면서 압축공간으로 도입되는 작동유체를 압축시키는 피스톤과, 이너스테이터와 아우터스테이터 사이의 간극에서 상호 전자기력에 의해 피스톤과 함께 왕복 직선 운동하는 영구자석을 포함하는 가동부재;를 포함하고,
    영구자석은 왕복 직선 운동하는 방향을 따라 복수 개가 나열되고, 각각의 영구자석의 N극 및 S극이 이너스테이터 및 아우터스테이터와 마주 보도록 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    왕복 직선 운동하는 방향을 따라 나열된 복수 개의 영구자석은 서로 다른 극이 맞닿도록 나열된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제1항에 있어서,
    왕복 직선 운동하는 방향을 따라 나열된 복수 개의 영구자석은 서로 다른 극이 인접하도록 나열된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    가동부재를 왕복 직선 운동 방향의 양쪽에서 고정부재에 대해 탄성 지지하는 기계스프링;을 포함하고,
    하나 이상의 영구자석의 중심이 아우터스테이터의 폴의 중심으로부터 왕복 직선 운동하는 방향으로 멀어짐에 따라, 이너스테이터 및 아우터스테이터와 하나 이상의 영구자석 사이에서, 압축되는 방향의 기계스프링의 복원력과 같은 방향으로 전자기적 복원력이 작용하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  5. 제4항에 있어서,
    이너스테이터 및 아우터스테이터와 하나 이상의 영구자석 사이에서, 압축되는 방향의 기계스프링의 복원력과 같은 방향으로 작용하는 최대 전자기적 복원력으로부터 기계 스프링 상수(Kmechanical)와 호환 가능한 자기 스프링 상수(Kmagnet)가 얻어지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  6. 제5항에 있어서,
    가동부재의 질량(M), 기계스프링의 복원력에 의해 얻어지는 기계 스프링 상수(Kmechanical), 압축공간 내로 유입되는 작동유체 압력에 의해 얻어지는 정의되는 가스 스프링 상수(Kgas) 및 자기 스프링 상수(Kmagnet)에 의해 공진 주파수(fo)가 얻어지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  7. 제4항에 있어서,
    자기 스프링 상수(Kmagnet)는 자속밀도(B) 및 코일 길이(l)에 의해 산출되는 모터 특성치(α)와 비례 관계를 갖고, 가동부재의 스트로크(S)는 모터 특성치(α)와 반비례 관계를 가짐과 동시에 자기 스프링 상수(Kmagnet)과는 비례 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  8. 제1항에 있어서,
    이너스테이터 및 아우터스테이터는 일측에서 맞닿고 타측에서만 하나의 폴을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    이너스테이터는 실린더의 외주면에 왕복 직선 운동 방향으로 길게 장착되고,
    아우터스테이터는 이너스테이터의 외주면에 위치되어, 이너스테이터의 축방향 일단과 연결되는 연결부 및 이너스테이터의 축방향 다른 일단과 간극 공간부를 유지하는 폴을 구비하며,
    영구자석들은 이너스테이터와 아우터스테이터의 폴 사이에 위치하여 상호 전자기력에 의해 왕복 직선 운동하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 제9항에 있어서,
    실린더와 일체로 형성되며 이너스테이터와 아우터스테이터가 연결된 부분이 왕복 직선 운동 방향으로 지지되는 프레임;을 추가로 포함하는 리니어 압축기.
  11. 제10항에 있어서,
    아우터스테이터를 죽방향으로 지지하고, 아우터스테이터를 프레임에 볼트 체결시키는 모터 커버;를 추가로 포함하고,
    이너스테이터는 아우터스테이터에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 제4항에 있어서,
    기계 스프링은 피스톤을 왕복 직선 운동 방향의 양쪽에서 지지하는 제1스프링 및 제2스프링인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  13. 제12항에 있어서,
    피스톤과 축방향으로 간격을 유지하도록 설치되는 백 커버;를 추가로 포함하고,
    제1스프링은 피스톤의 플랜지와 백 커버 사이에 설치되고,
    제2스프링은 실린더와 피스톤의 플랜지 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  14. 압축공간이 내부에 구비되는 실린더와, 실린더의 외부에 설치되는 이너스테이터와, 이너스테이터와 일측에서는 맞닿고 타측에서는 간극 사이에서 폴을 형성하는 아우터스테이터를 포함하는 고정부재;
    실린더의 압축공간으로 왕복 직선 운동하면서 압축공간으로 도입되는 작동유체를 압축시키는 피스톤과, 이너스테이터와 아우터스테이터 사이의 간극에서 상호 전자기력에 의해 피스톤과 함께 왕복 직선 운동하며, 왕복 직선 운동하는 방향을 따라 복수개의 영구자석이 서로 다른 극이 맞닿으면서 각각의 영구자석의 N극 및 S극이 이너스테이터 및 아우터스테이터를 마주보도록 나열된 영구자석부를 포함하는 가동부재; 그리고,
    가동부재를 왕복 직선 운동 방향의 양쪽에서 고정부재에 대해 탄성 지지하는 기계스프링;을 포함하고,
    하나 이상의 영구자석의 중심이 아우터스테이터의 폴의 중심으로부터 왕복 직선 운동하는 방향으로 멀어짐에 따라, 이너스테이터 및 아우터스테이터와 하나 이상의 영구자석 사이에서, 압축되는 방향의 기계스프링의 복원력과 같은 방향으로 전자기적 복원력이 작용하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  15. 제14항에 있어서,
    이너스테이터 및 아우터스테이터와 하나 이상의 영구자석 사이에서, 압축되는 방향의 기계스프링의 복원력과 같은 방향으로 작용하는 최대 전자기적 복원력으로부터 기계 스프링 상수(Kmechanical)와 호환 가능한 자기 스프링 상수(Kmagnet)가 얻어지고, 자기 스프링 상수(Kmagnet)는 자속밀도(B) 및 코일 길이(l)에 의해 산출되는 모터 특성치(α)와 비례 관계를 갖고, 가동부재의 스트로크(S)는 모터 특성치(α)와 반비례 관계를 가짐과 동시에 자기 스프링 상수(Kmagnet)과는 비례 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
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