KR100819609B1 - Linear compressor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 종형 리니어 압축기의 일 예를 도시한 것이다.1 illustrates an example of a conventional vertical linear compressor.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기를 도시한 것이다.2 illustrates a linear compressor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 진동 시스템을 개략적으로 도시한 다이어그램이다.3 is a diagram schematically illustrating a vibration system of a linear compressor according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제1 및 제2 탄성체의 탄성 계수와 쉘의 전달력과의 상관관계를 도시한 그래프이다.4 is a graph showing the correlation between the elastic modulus of the first and second elastic bodies of the linear compressor according to the present invention and the transmission force of the shell.
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다. 특히, 가동부의 가동에 의해 쉘이 진동하는 것을 방지하기 위해 탄성체를 구비하는 리니어 압축기에 관한 것이다. The present invention relates to a linear compressor. In particular, it is related with the linear compressor provided with an elastic body in order to prevent a shell from vibrating by the operation of a movable part.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치로써, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.In general, a compressor is a mechanical device that increases pressure by receiving power from a power generator such as an electric motor or a turbine to compress air, refrigerant, or various other working gases. It is widely used throughout.
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(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor)와, 선회 스크롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 나뉘어진다.These compressors can be classified into reciprocating compressors for compressing refrigerant while linearly reciprocating inside the cylinders by forming a compression space in which the working gas is absorbed and discharged between the piston and the cylinder. And a rotary compressor for compressing the refrigerant while the roller is eccentrically rotated along the inner wall of the cylinder so that a compression space for absorbing and discharging the working gas is formed between the eccentrically rotating roller and the cylinder. As a scroll compressor that compresses the refrigerant while the rotating scroll rotates along the fixed scroll to form a compressed space in which the working gas is absorbed and discharged between the orbiting scroll and the fixed scroll. Divided.
최근에는 왕복동식 압축기 중에서 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없어 압축효율을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 간단한 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.Recently, among the reciprocating compressors, in particular, the piston is directly connected to the reciprocating linear motion drive motor, so that there is no mechanical loss due to the motion conversion to improve the compression efficiency as well as a simple linear compressor has been developed a lot.
보통, 리니어 압축기는 밀폐된 쉘 내부에서 피스톤이 리니어 모터에 의해 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하도록 움직이면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 구성되되, 리니어 모터는 이너스테이터 및 아우터스테이터 사이에 영구자석이 위치되도록 하여 상호 전자기력에 의해 영구자석이 직선 왕복 운동하도록 구동되고, 이러한 영구자석이 피스톤과 연결된 상태에서 구동됨에 따라 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 한다.Normally, a linear compressor is configured to suck and compress a refrigerant and then discharge the refrigerant while the piston moves in a closed shell to reciprocate linearly inside the cylinder by a linear motor, where the linear motor is a permanent magnet between the inner and outer stators. The permanent magnets are driven to linearly reciprocate by mutual electromagnetic force, and as the permanent magnets are driven in a state connected to the pistons, the pistons reciprocate linearly inside the cylinders to inhale, compress, and discharge the refrigerant. do.
이때, 피스톤은 모터의 구동에 의해 의도적으로 직선왕복운동 하는데 반해, 쉘 내부의 다른 부품은 탄성체를 제외하고는 의도적인 운동을 하지 않는다. 따라서 이하에서, 피스톤 및 피스톤에 연결되어 피스톤과 함께 왕복운동하는 부분을 가동부(moving part), 가동부 외의 부품들을 고정부(stationary part)로 표현한다. 고정부 및 가동부는 쉘 내부에서 탄성체에 의해 쉘과 연결된다. 이하에서 리니어 압축기의 진동 시스템을 쉘, 가동부, 고정부, 탄성체로 간소화하여 표현한다. At this time, the piston is intentionally linear reciprocating movement by the drive of the motor, while the other parts inside the shell does not intentional movement except the elastic body. Therefore, in the following, the moving part, the part connected to the piston and reciprocating together with the piston, is expressed as a stationary part. The stationary part and the movable part are connected to the shell by an elastic body inside the shell. Hereinafter, the vibration system of the linear compressor is simplified and expressed as a shell, a movable part, a fixed part, and an elastic body.
종래 리니어 압축기는 가동부의 운동에 의해 고정부가 변위되고, 탄성체에 의해 고정부와 연결된 쉘에도 힘이 전달되어, 쉘에 진동이 발생한다. 쉘의 진동은 리니어 압축기의 안정성을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 소음을 발생하므로 바람직하지 못하다. In the conventional linear compressor, the fixed part is displaced by the movement of the movable part, and a force is transmitted to the shell connected to the fixed part by the elastic body, and vibration is generated in the shell. Vibration of the shell is undesirable because it not only reduces the stability of the linear compressor, but also generates noise.
도 1은 종래의 종형 리니어 압축기의 일 예를 도시한 것이다. 가동부와 고정부, 고정부와 쉘, 가동부와 쉘이 모두 탄성체에 의해 쉘에 연결되어, 가동부가 모터에 의해 구동되면, 세 개의 탄성체가 동시에 변위된다. 이때, 제1 탄성체(20) 및 제2 탄성체(21)는 다음의 관계식을 만족한다.1 illustrates an example of a conventional vertical linear compressor. The movable portion and the fixed portion, the fixed portion and the shell, the movable portion and the shell are all connected to the shell by an elastic body, and when the movable portion is driven by a motor, the three elastic bodies are displaced simultaneously. At this time, the first
식(1) Formula (1)
이때, Ma는 가동부의 질량이며, 가동부는 피스톤(1), 액추에이터(4) 및 자석 부재(5)를 포함한다. 또한 Mb는 고정부의 질량이며, 고정부는 실린더(2), 실린더 블록(2a) 및 실린더 헤드(3)를 포함한다. At this time, Ma is the mass of the movable part, and the movable part includes the
또한 리니어 압축기가 포함하는 제3 탄성체(22)는 가동부와 고정부 연결하며, 가동부가 운전 시에 공진하도록 하여 리니어 압축기의 효율을 높이기 위한 부 재이다. 그러나 제1 탄성체(21)및 제2 탄성체(20)가 식(1)을 만족하는 압축기에서, 제3 탄성체(22)가 공진 조건을 만족하기 위해서 kc는 음수가 되어야 한다. 따라서 가장 널리 이용되며 제어하기 편리한 기계적 스프링을 이용할 수 없는 문제가 있었다. In addition, the third
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가동부의 운동에 의해 쉘에 전달되는 진동을 저감하는 탄성체를 구비하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a linear compressor having an elastic body for reducing the vibration transmitted to the shell by the movement of the movable portion.
또한 본 발명은 진동을 저감하기 위한 탄성체가 모두 기계적인 탄성체에 의해 구현이 가능한 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a linear compressor in which all of the elastic body for reducing vibration can be implemented by a mechanical elastic body.
본 발명은 쉘, 쉘 내부에 설치되는 질량이 Mb인 고정부, 주파수 ω로 고정부 내부를 왕복 운동하며 유체를 압축하는 질량 Ma인 가동부, 가동부와 쉘을 연결하는 탄성 계수가 ka인 제1 탄성체, 쉘에 고정부를 연결 지지하는 탄성 계수가 kb인 제2 탄성체 및 고정부와 가동부를 연결하는 탄성 계수가 kc인 제3 탄성체를 포함하고,제1 및 제 2 탄성체는 식:The present invention provides a shell, a fixed portion having a mass M b installed inside the shell, a movable portion having a mass M a for reciprocating the inside of the fixed portion at a frequency ω and compressing a fluid, and an elastic modulus connecting the movable portion and the shell is k a . A first elastic body, a second elastic body having an elastic modulus of k b connected to and supported by the fixing part to the shell, and a third elastic body having an elastic modulus of k c connecting the fixed part and the movable part; :
를 만족하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다. 이러한 구성을 통해, 가동부의 운동에 의해 쉘에 전달되는 힘을 상쇄할 수 있어, 쉘의 진동을 저감시킬 수 있다.It provides a linear compressor characterized in that to satisfy. Through this structure, the force transmitted to the shell by the movement of the movable part can be canceled, and the vibration of the shell can be reduced.
또한 제3 탄성체의 탄성 계수가, 식:In addition, the elastic modulus of the third elastic body is
를 만족하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 구성을 통해, 리니어 압축기를 공진 조건에서 운전할 수 있다.It is an object of the present invention to provide a linear compressor characterized by satisfying the following. Through this configuration, the linear compressor can be operated under resonance conditions.
또한 본 발명은 주파수 ω가, 식:In addition, the present invention has a frequency ω, where:
를 만족하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다. 이러한 구성을 통해, kc가 항상 양수인 리니어 압축기를 구현할 수 있다. 따라서 제3 탄성체를 가스 탄성체보다 제어하기 쉬운 기계적 탄성체로 할 수 있다.It provides a linear compressor characterized in that to satisfy. Through this configuration, it is possible to implement a linear compressor in which k c is always positive. Therefore, a 3rd elastic body can be made into the mechanical elastic body which is easier to control than a gas elastic body.
또한 본 발명은 주파수 ω가, 가동부의 공진 주파수 ωcr인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다.Moreover, this invention provides the linear compressor characterized by the frequency ω being the resonant frequency ω cr of a movable part.
또한 본 발명은 제3 탄성체가 기계적인 탄성체인 것을 특징으로 하는 리니어 압축기를 제공한다. The present invention also provides a linear compressor, wherein the third elastic body is a mechanical elastic body.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 진동 시스템을 개략적으로 도시한 다이어그램이다. 2 is a diagram schematically showing a vibration system of a linear compressor according to an embodiment of the present invention.
리니어 압축기의 진동 시스템은 쉘(11), 가동부(12), 고정부(13), 제1 탄성체(14), 제2 탄성체(15, 16) 및 제3 탄성체(17)으로 이루어진다. 진동 시스템 해석에 사용된 변수는, 가동부의 변위 xa, 고정부의 변위xb, 가동부의 질량 Ma, 고정부의 질량Mb, 제1 탄성체(14)의 탄성계수 ka, 제2 탄성체(15, 16)의 탄성계수 0.5·kb, 제3 탄성체(17)의 탄성 계수 kc, 모터 파라미터 L, R, α, V, 모터 출력 Fm, 제1 탄성체(14)에 의해 가동부에 가해지는 힘 Fa, 각 제2 탄성체(15, 16)에 의해 고정부에 가해지는 힘 0.5·Fb, 절대 좌표계 N 및 각각의 단위 벡터 , 이다. 여기서 제3 탄성체의 탄성 계수는 가동부의 운동에 의한 유체의 압축시에 발생하는 유체의 탄성까지 고려한 값이다. 즉, 제3 탄성체의 탄성 계수와 유체의 압축에 의한 탄성 계수의 합을 편의상 탄성 계수 kc로 나타낸다. The vibration system of the linear compressor consists of a
쉘(11)은 운전 주파수에 비해서 공진 주파수가 상당히 높다. 따라서 쉘(11)을 강체로 가정하고 진동 시스템을 해석한다. 또한 가동부, 고정부 및 전류에 의한 시스템을 해석하기 위해서는, xa(t), xb(t) 및 q(t)의 일반화 좌표가 필요하다.The
먼저 앞의 변수들을 사용하여 진동 시스템의 운동 에너지 T를 구하면,First, using the preceding variables to find the kinetic energy T of the vibration system,
이다.to be.
또한 탄성 에너지 V는,Also the elastic energy V,
이다.to be.
또한 감쇄 에너지 R은,In addition, the attenuation energy R,
이다.to be.
또한 가상일 δW를 구하면,Also, if we find the virtual δW,
이다.to be.
또한 진동 시스템에 대한 Lagrange 방정식은,Also the Lagrange equation for the vibration system,
이다.to be.
앞에서 유도된 각각의 에너지 식 T, V, R, δW를 Lagrange 방정식에 대입하면,Substituting each of the energy equations T, V, R, and δW derived above into the Lagrange equation,
식(2)Formula (2)
식(3)Formula (3)
식(4) Formula (4)
로 나타낼 수 있다.It can be represented as.
상기 식(2) 및 식(3)을 행렬식으로 표현하면,When the above expressions (2) and (3) are expressed as determinants,
식(5)Formula (5)
으로 표현된다.It is expressed as
가진원 Fm은 Fm=F0ejwt로 조화 함수(Harmonic function)이므로, 가동부(12) 및 고정부(13)의 변위는 각각 xa=Xa0eiwt, xb=Xb0eiwt의 조화 함수로 표현된다. 이렇게 조화 함수로 표현한 변위를 다시 식(2) 및 식(3)에 대입하면,Since the excitation source F m is a harmonic function with F m = F 0 e jwt , the displacements of the
식(6)Formula (6)
으로 나타낼 수 있다.It can be represented as
여기서, Xa0, Xb0를 계산하면, 다음과 같이 나타낼 수 있다.Here, when X a0 and X b0 are calculated, it can be expressed as follows.
식(7) Formula (7)
여기서, D=(ka + kc - ma·ω2)·(kb + kc - mb·ω2)-kc 2 이다.Where D = (k a + k c - m a · ω 2) · (k b + k c - b · m ω 2) -k 2 c to be.
쉘(11)에 작용하는 총 전달력 Fs는, The total transmission force F s acting on the
식(8) Formula (8)
이다.to be.
식(7)의 관계식을 식(8)에 대입하면,Substituting the relation in equation (7) into equation (8),
식(9)Formula (9)
가 된다.Becomes
이때, 쉘(11)에 전달되는 힘을 상쇄해 알짜힘이 0이 되게 하면, 쉘(11)에 진동 발생을 저감할 수 있다. 전달력의 총합을 0이 되게 하기 위해, 식(9)에서 분자를 0이 되게 하여야 하고, F0 및 ω는 리니어 압축기의 운전 중에는 항상 0 이상의 값이므로, (-ka·Mb + kb·Ma)가 0이 되어야 한다. 따라서 쉘(11)의 전달력을 상쇄하여 진동을 저감하기 위해서, 가동부(12)의 질량, 고정부(13)의 질량, 제1 탄성체(14)의 탄성 계수 및 제2 탄성체(15, 16)의 탄성 계수는 다음과 같은 조건,At this time, when the force transmitted to the
식(10) Formula (10)
를 만족하여야 한다.Must satisfy
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기는, 제3 탄성체(17)가 가동부(12)를 공진시킬 수 있는 탄성 계수를 가져야 한다. 제3 탄성체(17)의 탄성 계수 kc는, 식(2) 및 식(3)에서 가진원 Fm을 0으로 두면, 다음과 같은 행렬식으로 표현할 수 있다.In addition, the linear compressor according to the embodiment of the present invention should have an elastic modulus in which the third
즉, 의 형태로, 관계식을 이용하면, In other words, In the form of, Using relational expressions,
이 된다.Becomes
여기서, [A]{X}={0}의 방정식이 유용해(feasible solution)를 갖기 위해서는, 행렬 [A]의 행렬식(Determant)가 0이 되어야 한다.Here, in order for the equation of [A] {X} = {0} to have a feasible solution, the determinant of the matrix [A] must be zero.
따라서, [K]의 행렬식은, Therefore, the determinant of [K] is
이고, 따라서 kc는 다음과 같다.Therefore, k c is
식(11) Formula (11)
이때, kc가 양수가 되어야 제3 탄성체(17)가 헬리컬 스프링 등 일반적인 기계적 탄성체로 구현될 수 있다. 따라서 kc > 0 인 조건을 대입하면,At this time, when c c is positive, the third
를 만족해야 한다. 또한, 가동부(12)의 공진 조건을 고려하면, 주파수 ω는 가동부의 공진 주파수인 ωcr이어야 한다.Must be satisfied. In addition, considering the resonance condition of the
상기한 조건을 바탕으로, 리니어 압축기의 진동 시스템을 시뮬레이션하였다.리니어 압축기의 진동 시스템을, 가동부(12)의 질량 Ma가 0.6kg, 고정부(13)의 질량 Mb가 5.0kg으로 하였다. 이때, 제1 탄성체(14)의 탄성 계수 ka를 1440 N/m로 하면, 식(10)을 만족하는 제2 탄성체(15, 16)의 탄성 계수의 합 kb는 1440*(5.0/0.6)이며, 따라서 12000 N/m로 된다. Based on the above conditions, we simulated the vibration system of the linear compressor. The vibration system of the linear compressor, the mass M of a moving part (12), 0.6kg, and mass M b of the
상기한 조건으로 식(11)을 만족하는 kc를 구하면, kc가 양수이므로 제3 탄성체(17)는 제어 및 구현이 쉬운 기계적인 스프링으로 할 수 있다. 따라서 기존의 종형 리니어 압축기에서 공진 조건을 만족하는 제3 탄성체(17)의 탄성 계수가 음수이기 때문에 기계적인 스프링으로 구현할 수 없었던 것이 극복되었다.If k c satisfying Equation (11) is obtained under the above condition, k c is a positive number, and thus the third
도 4는 식(7)을 만족하는, ka 및 kb를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다. 쉘(11)에 전달되는 전달력 Fs가 0이 되는 ka 및 kb를 각각 구하면 다음 표와 같다.4 is a graph showing the results of simulating k a and k b , which satisfy equation (7). Obtaining ka and kb, where the transmission force F s delivered to the
이때, 운전 조건은 M-K 공진 조건으로, 가동부(12)의 작동 주파수는 50Hz였다. 이를 통해 kc를 계산할 수 있다. kc는 가동부(12)의 운동에 의해 유체가 압축될 때의 유체의 탄성도 함께 고려하여 계산할 수 있다. 또한 모터 파라미터 α에 의해 피크가 구속된다. At this time, the operating conditions were MK resonance conditions, and the operating frequency of the
본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 쉘에 전달되는 전달력이 상쇄되어, 소 음 및 진동을 저감할 수 있다. The linear compressor provided by the present invention cancels the transmission force transmitted to the shell, thereby reducing noise and vibration.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 가동부가 공진 운전 조건에서 운전되도록 구비되는 탄성체의 탄성 계수가 양수이므로, 기계적인 스프링에 의해 구현될 수 있다는 장점이 있다.In addition, the linear compressor provided by the present invention has an advantage that the elastic modulus of the elastic body provided to operate in the resonant operation condition is a positive number, and thus may be implemented by a mechanical spring.
또한 본 발명이 제공하는 리니어 압축기는 쉘에 전달되는 전달력이 상쇄되어, 리니어 압축기를 안정적으로 운전할 수 있다는 장점이 있다. In addition, the linear compressor provided by the present invention has an advantage that the transmission force transmitted to the shell is canceled, so that the linear compressor can be stably operated.
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