리니어 모터는 과연 컴프레서에 적합할까?

리니어모터 컴프레서에 대한 조금 다른 생각

에어컨 관련 포스팅을 작성하다가 ‘리니어 인덕션 컴프레서’가 있다는 걸 발견 했습니다. 냉매를 압축하기 위해 컴프레서가 달리는데 여기에 일반 모터가 아닌 리니어 모터(LIM)가 달린 방식이었지요. 

www.lgnewsroom.com

LG에서 개발되어 주로 냉장고에 장착된다는 기사들 이었습니다.

잘 나가는 LG 생활가전, 경쟁력은 '모터와 컴프레서'

기존의 컴프레서는 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 줄 기구가 필요하고, 리니어타입은 모터 자체가 직선운동하기 때문에 운동변환을 위한 기구가 필요 없다는 내용이었습니다. 효율이 더 좋다고 알려져 있지요. 

리니어모터란

우선 리니어 모터가 뭔지 궁금해졌습니다. 

찾아보니 원리는 간단했습니다. 모터는 일반적으로 내부의 회전자와 외부의 고정자로 이루어져 있습니다.

외부의 고정자는 회전자를 감싸고 있는 동그란 원통모양인데, 이 녀석을 풀어서 길게 늘어놓은 모터가 바로 리니어 모터였습니다. 

northeastmaglev.com

빙글빙글 도는 운동을 하는 대신 직선으로 빠르게 움직이는 운동이 구현됩니다. 외견상 피스톤과 같은 직선운동을 하므로 궁합이 좋아 보입니다.

센서리스 리니어모터가 소형 컴프레서에 사용되다

그런데 소형 리니어 모터의 압축 효율이 정말 좋은 걸까요? 

회전하는 모터는 돌거나 멈추거나. 두 가지 동작만 하면 됩니다. 반면 리니어 모터는 왼쪽으로 갔다가 멈추고 다시 오른쪽으로 갔다 멈춰야 합니다. 3가지 동작이 필요합니다. 

https://www.youtube.com/watch?v=ME_eD5F91mg

동작 자체도 하나가 많은 데다가 멈춰야 합니다. 멈추는데도 추가 에너지가 들텐데 효율이 높다니요? 게다가 제어를 위해 코일위치를 읽어내는 센서도 필요합니다.

위에서 소개된 리니어 컴프레서는 이 문제를 스프링으로 해결했습니다. 리니어 모터 양 끝 단에 스프링을 장착했지요. 축이 모터의 끝단에 다다르면 가속을 중지하고 스프링을 이용해서 운동 방향을 바꾸는 방법입니다. 

운동에너지를 물리적으로 저장했다 방출하므로, 방향 전환의 손실에서 어느 정도 보상을 받을 수 있는 구조입니다. 

그러나 보상은 보상일 뿐 방향전환에 따른 에너지 손실은 여전히 존재합니다. 피스톤 운동에 리니어 모터는 그렇게 좋은 조합으로 보이지 않습니다.

en.wikipedia.org

리니어 모터는 오히려 오랫동안 꾸준히 가속해야 하는 자기부상열차나 모노레일 같은 설비와 궁합이 맞습니다. 길이도 길고, 방향전환도 적고, 컨트롤도 더 쉽겠지요. 

https://www.youtube.com/watch?v=ME_eD5F91mg

link - Precision Automation 

혹은 시뮬레이터나 산업 자동화 장비들에 더 많이 사용됨을 알 수 있습니다. 반복운동이 적고  위치의 정밀 제어가 필요한 분야들 입니다.

효율을 높이기 위한 다양한 방식의 컴프레셔들

이미 컴프레서의 효율을 높이는 방식은 여러가지가 존재합니다. 회전운동 자체를 활용하여 압축하는 방식이 많이 채택되어 있는데요. 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 자동차의 터보차저를 떠올리시면 됩니다. 엔진의 돌림힘을 그대로 이용해 공기를 압축합니다.

www.superstreetonline.com

로터리 방식도 있습니다. 설명이 어렵군요. 그림으로 보시면 이해가 빠르실 겁니다.

pdmanalysis.co.uk

스크류(스크롤) 방식이라고도 있는데, 역시 회전 운동만으로 기체를 압축할 수 있는 구조를 가지고 있습니다.

예로는 적절하진 않지만, 심지어 항공기의 제트엔진 팬들도, 일종의 압축기로군요. 회전 운동을 고스란히 압축에 사용한다는 점에서는 위의 사례들과 크게 다르지 않습니다. 

모두 운동 방향의 전환을 없애고 운동에너지 전체를 압축에 사용하는 형상을 가집니다.

따라서 결론을 내려 본다면

리니어 컴프레서는 방향전환의 에너지 손실을 가집니다. 방향전환에 스프링의 보조를 받아야 하므로 기계구조상 압축에 유리한 방식은 아닙니다. 내구성 확보도 쉽지 않습니다. 

컴프레서의 효율을 위해 굳이 리니어 모터는 필요 없다는 결론을 내릴 수 있지요.

www.haier.com

그럼에도 소형 가전에서 리니어 컴프레서가 이용되는건 속도의 직접제어를 통한 압축력의 세부 조절이 가능하기 때문이라고 볼 수 있습니다. 

(회전 모터인 BLDC에서도 충분히 구현이 가능하다는 건 함정이네요. -_-) 

위키피디아 – 가스 컴프레셔 (영문)

위키피디아 – LIM (영문)