JP6283356B2 - 往復動型圧縮機用電磁アクチュエータ - Google Patents

往復動型圧縮機用電磁アクチュエータ Download PDF

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Description

本明細書において開示される主題は概して、圧縮機に関する。更に詳細には、本明細書において開示される主題は、石油又は天然ガスのような流体を変位させるために使用されるように適合させた電磁駆動往復動型圧縮機に関する。
往復動型圧縮機は、ガスを加圧し、変位させるために、石油工業及びガス工業において広く使用されている。例えば、ガスパイプライン輸送システム及びガスパイプライン輸送網では、往復動型圧縮機は、天然ガスを生産場所からエンドユーザに、比較的低圧のガスを吸い込み、それよりも高い圧力のガスを排出することにより移動させる。往復動型圧縮機は更に、石油製油所及び化学プラントのような工業プラントに使用されるこの同じ機能を果たし、この場合、圧縮機は、中間製品ガス及び最終製品ガスを移動させる。
往復動型圧縮機は通常、内燃機関又はモータのような回転モータにより駆動されるピストンを含む。このようなシステムでは、クランク軸及びコネクティングロッドが、モータ軸の回転を圧縮室内のピストンの並進移動に変換する。シリンダボア内のピストンの並進移動によって今度は、ガスが、シリンダボアの端部に位置する圧縮室内で圧縮される。このような機械は、ガス圧縮が、ピストンが１方向にのみ移動する場合にのみ行われるような単動式とすることができる、又はガス圧縮が、ピストンが２方向に移動する場合に行われるような複動式とすることができる。
回転により往復運動する圧縮機は、幾つかの不具合を有している。
第１に、モータ軸が回転する毎の殆どの回転期間に亘って、コネクティングロッドから力がピストンに、ピストンの並進移動軸線となす或る角度で加わることである。
クランク軸は、ピストンに機械的に連結されるので、各行程中のピストン行程は不変である。従って、ピストンによって行程中に吐出される容積も不変である。これは、排出されるガスの容積を経時的に変えるためには、動作速度を変える必要があることを意味する。動作速度の変化は、機械のフレキシビリティ（汎用性）を、ポンプ流量の許す限り低く抑えてしまうので、排出されるガスの容積が経時的に変わってしまい、機械の速度を、輸送網におけるガス需要が増減すると必要になるように、上下させる必要がある。動作速度を変えるのは、変えることによって、効率が低下し、装置に加わる振動周波数が変化するので望ましくない。
これらの問題に対する１つの解決策が電磁駆動往復動型圧縮機である。このようなシステムは、ピストンロッドに取り付けられるリニアモータを使用して、対向するピストンを１つの圧縮室内で駆動する。これらのピストンが、角度ずれが０度の同相で移動することにより、対向するこれらのピストンの間の距離を不変に保つ場合、圧縮室容積は、一定に保たれ、往復動は、最小限のガス変位（又は、ガス圧縮）しかもたらさない。これらのピストンが、角度ずれが１８０度の逆相で移動することにより、これらのピストンが上死点中央位置に達するときの圧縮室容積が最小になり、かつこれらのピストンが下死点中央位置に達するときの圧縮室容積が最小になる場合、往復動によって容積が交互に最小及び最大になって、最大のガス変位（又は、ガス圧縮）をもたらす。従って、位相角をこれらの２つの極値の間で変化させることにより、これらのピストンが「同相」で移動するときの最小値、及びこれらのピストンが「逆相」で移動するときの最大値からの変位（及び圧縮）を変化させる手段を実現することができる。
残念なことに、現在利用可能なリニアモータ技術は、関連する慣性によるロッド荷重が大きいことにより、このような位相差を利用した圧縮機への使用には適していない。既存のリニアモータは、限られた大きさの力しか発生させることができず、天然ガスシステムに使用されるのに適する機械のピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリに関連する慣性力は、既存のリニアモータから得られる慣性力よりも大きい。更に、標準的な往復動型圧縮機内で対向配置されるピストンは、機械を途方もなく大型化してしまう。更に、標準的な往復動型圧縮機内で対向配置されるピストンの間の位相を変化させるのは、容易な動作ではない、又は高速に行われる動作ではない。
従って、位相差制御を、電磁モータに対する現在の指令を制御することにより容易に実現することができるようなピストンロッド用電磁アクチュエータが必要である。また、機械の小型化を可能にする電磁アクチュエータが必要である。最後に、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリを加速し、減速する際に関わってくる大きな慣性力を打ち消すことができる電磁アクチュエータが必要である。
本発明の種々の他の特徴、目的、及び利点は、当分野の当業者であれば、添付の図面、及び本発明の詳細な説明から理解できるであろう。
１つの実施形態では、往復動型圧縮機が提供される。前記往復動型圧縮機は、圧縮室を形成する内側面を有するハウジングであって、該ハウジングが、第１開口部及び第２開口部を有する、前記ハウジングと、圧縮面を有する第１ピストンであって、該ピストンが、前記圧縮室内に摺動可能に配置される、前記第１ピストンと、近位部及び遠位部を有する第１ピストンロッドであって、前記近位部が、前記第１開口部内に摺動可能に収容され、かつ前記第１ピストンに駆動可能に接続される、前記第１ピストンロッドと、圧縮面を、前記第１ピストン圧縮面に対向して有する第２ピストンであって、該第２ピストンが、前記圧縮室内に摺動可能に配置される、前記第２ピストンと、近位部及び遠位部を有する第２ピストンロッドであって、前記近位部が、前記第２開口部内に摺動可能に収容され、かつ前記第２ピストンに駆動可能に接続される、前記第２ピストンロッドと、前記第１ピストンロッドの遠位部に取り付けられる第１アクチュエータと、前記第２ピストンロッドの前記遠位部に取り付けられる第２アクチュエータと、を備える。前記ピストンロッドは、前記圧縮室内を延びる並進移動軸線を形成し、前記第１及び第２アクチュエータは、前記第１及び第２ピストンを前記圧縮室内で、前記並進移動軸線に沿って駆動往復移動させるように構成される。
往復動型圧縮機の別の実施形態では、前記圧縮機は、圧縮室を形成する内側面を有するハウジングであって、該ハウジングが開口部を有する、前記ハウジングと、圧縮面を有する第１ピストンであって、該ピストンが、前記圧縮室内に摺動可能に配置される、前記第１ピストンと、近位部及び遠位部を有する第１ピストンロッドであって、前記近位部が、前記開口部内に摺動可能に収容され、かつ前記第１ピストンに駆動可能に接続される、前記第１ピストンロッドと、圧縮面を、前記第１ピストン圧縮面に対向して有する第２ピストンであって、該第２ピストンが、前記圧縮室内に摺動可能に配置される、前記第２ピストンと、近位部及び遠位部を有する第２ピストンロッドであって、前記近位部が、前記第１ピストンロッド内に摺動可能に収容され、かつ前記第２ピストンに駆動可能に接続される、前記第２ピストンロッドと、前記第１ピストンロッドの遠位部に取り付けられる第１アクチュエータと、前記第２ピストンロッドの前記遠位部に取り付けられる第２アクチュエータと、を備える。前記第１及び第２ピストンロッドは、前記圧縮室内を延びる並進移動軸線を形成し、前記第１及び第２アクチュエータは、前記第１及び第２ピストンを前記圧縮室内で、前記並進移動軸線に沿って駆動往復移動させるように構成される。
本発明のこれらの特徴、態様、及び利点、及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を、同様の符号が同様の構成要素をこれらの図面全体を通じて指している添付の図面を参照しながら一読することにより、一層深く理解される。
本発明の１つの実施形態による位相差を持つピストンを有する往復動型圧縮機の概略断面図を示しており、圧縮機は、共振バネ付き複動式電磁アクチュエータを有する。 図１の圧縮機の概略断面図であり、力が往復動部品に圧縮機の動作中に加わる様子を示している。 図１の圧縮機の概略断面図であり、力が往復動部品に圧縮機の動作中に加わる様子を示している。 本発明の１つの実施形態による位相差を持つピストンを有する往復動型圧縮機の概略断面図を示しており、圧縮機は、同軸上で入れ子式に嵌合するピストンロッド、及び共振バネ付き単動式電磁アクチュエータを有する。 図４の圧縮機の概略断面図であり、力が往復動部品に圧縮機の動作中に加わる様子を示している。 図４の圧縮機の概略断面図であり、力が往復動部品に圧縮機の動作中に加わる様子を示している。
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を構成する添付の図面が参照され、これらの図面では、実施することができる特定の実施形態が例示として図示される。これらの実施形態は、当分野の当業者であれば、これらの実施形態を実施することができるように十分詳細に記載されており、他の実施形態を利用することができ、かつ論理的変更、機械的変更、電気的変更、及び他の変更を、これらの実施形態の範囲から逸脱しない限り加えることができることを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は、本発明の範囲を限定するものとして捉えられてはならない。
図１〜図３は、本発明の１つの実施形態による共振バネを備える複動式電磁アクチュエータにより駆動され、かつ位相差を持つピストンを有する圧縮機を示している。
図１は、第１駆動アセンブリ２０、第１アキュムレータアセンブリ３０、圧縮アセンブリ４０、第２アキュムレータアセンブリ５０、及び第２駆動アセンブリ６０を備える圧縮機１０を示している。第１ピストンロッド１２は、第１駆動アセンブリ２０、第１アキュムレータアセンブリ３０、及び圧縮アセンブリ４０を接続する。第２ピストンロッド１４は、第２駆動アセンブリ６０、第２アキュムレータアセンブリ５０、及び圧縮アセンブリ４０を接続する。第１ピストンロッド１２及び第２ピストンロッド１４は、軸線１６に沿って直列に、かつほぼ同軸に配置され、軸線１６は、圧縮アセンブリ４０の中心を通って延びている。
第１駆動アセンブリ２０は、第１ピストンロッド１２を介して第１アキュムレータアセンブリ３０及び圧縮アセンブリ４０と機械的に連通している。第１アキュムレータアセンブリ３０は、第１ピストンロッド１２を介して第１駆動アセンブリ２０及び圧縮アセンブリ４０と機械的に連通している。第２駆動アセンブリ６０は、第２ピストンロッド１４を介して第２アキュムレータアセンブリ５０及び圧縮アセンブリ４０と機械的に連通している。第２アキュムレータアセンブリ５０は、第２ピストンロッド１４を介して第２駆動アセンブリ６０及び圧縮アセンブリ４０と機械的に連通している。
図１に示すように、圧縮アセンブリ４０は、ハウジング４１、第１圧縮ピストン４２、及び第２圧縮ピストン４４を備える。以下に更に完全に説明されるように、第１圧縮ピストン４２及び第２圧縮ピストン４４は、ハウジング４１内に軸線方向に配置され、流体連通が遮断される少なくとも１つの圧縮室を形成する。１つの実施形態では、圧縮ピストン（４２、４４）は、ハウジング容積を３つの容積室に分割し、各容積室は、他の容積室との流体連通がほぼ遮断されている。
ハウジング４１は更に、第１開口部及び第２開口部を備え、各開口部は、軸線１６に略位置合わせされ、これらの開口部は、ハウジングの内部を、圧縮アセンブリ４０の外部の環境に連結するオリフィスを形成する。第１開口部は、第１ピストンロッド１２を軸線１６に沿って摺動可能に、かつ密閉可能に収容し、第１ピストンロッド１２は、ハウジング４１内に延び、かつ第１圧縮ピストン４２に接続されている。第２開口部は、第２ピストンロッド１４を軸線１６に沿って摺動可能に、かつ密閉可能に収容し、第２ピストンロッド１４は、ハウジング４１内に延び、かつ第２圧縮ピストン４４に接続されている。
第１ピストン４２は表面を備えている。第１ピストン表面は端面を含み、端面は、ハウジングの内側面に摺動可能に、かつ密閉可能に係合するように構成される。第１ピストン表面は更に、近位側面を含み、近位側面は、軸線１６と略直交し、かつ第２ピストン４４に対向する。第１ピストン表面は更に、遠位側面を表面の近位側面とは反対側に備え、後面は、軸線１６と略直交している。１つの実施形態では、第１ピストンロッド１２は第１圧縮ピストン４２に、第１圧縮ピストン４２の後面で接続される。本明細書において使用されるように、「ｐｒｏｘｉｍａｌ」という用語は、圧縮アセンブリ４０の中心の方に向かう配置又は移動を指す。本明細書において使用されるように、「ｄｉｓｔａｌ」という用語は、圧縮アセンブリ４０の中心から離れる方に向かう配置又は移動を指す。
第２ピストン４４は表面を備えている。第２ピストン表面は端面を含み、端面は、ハウジング内側面に摺動可能に、かつ密閉可能に係合するように構成される。第２ピストン表面は更に、近位側面を含み、近位側面は、軸線１６と略直交し、かつ第１ピストン４２に対向する。第２ピストン表面は更に、遠位側面を表面の近位側面とは反対側に備え、後面は、軸線１６と略直交している。１つの実施形態では、第２ピストンロッド１４は第２圧縮ピストン４４に、第２圧縮ピストン４４の遠位側面で接続される。
ハウジング内側面の一部、第１ピストンの近位側面、及び第２ピストンの近位側面は、一体となって中心圧縮室４３を形成する。中心圧縮室４３が今度は、入口／出口バルブ４７を介して流体供給元（図示せず）及び流体供給先（これも図示せず）と流体連通する。１つの実施形態では、ハウジング内側面の一部、及び第１ピストンの遠位側面が更に、第１圧縮室４５を形成する。今度は、第１圧縮室４５が更に、入口／出口バルブ４８を介して流体供給元及び流体供給先と流体連通する。１つの実施形態では、ハウジング内側面の一部、及び第２ピストンの遠位側面が更に、第２圧縮室４６を形成する。第２圧縮室４６が今度は、入口／出口バルブ４９を介して流体供給元及び流体供給先と流体連通する。種々の実施形態では、中心圧縮室４３、第１圧縮室４５、及び第２圧縮室４６のうちの１つの圧縮室は、互いに流体連通しないようにほぼ遮断される。当分野の当業者であれば、本明細書における本開示及び教示から認識することができることであるが、「ｆｌｕｉｄ」とは、液体、ガスを含む材料を指すか、又は流体及びガスの組み合わせを含む材料を指す。
種々の実施形態では、バルブ（４７、４８、４９）のうちの少なくとも１つのバルブは、ソレノイドアクチュエータ（図示せず）を備える。他の実施形態では、バルブ（４７、４８、４９）のうちの少なくとも１つのバルブは、磁気利用歯車式アクチュエータ（図示せず）を備える。動作状態では、バルブ（４７、４８、４９）は、ピストン（４２、４４）の移動と連動することにより、流体が少なくとも１つの圧縮室に、第１圧力で流れ込むことができ、圧縮室から第２圧力で流れ出すことができる。当分野の当業者であれば、本明細書における本開示及び教示に鑑みて理解できることであるが、圧縮室（４３、４５、４６）と流体供給元／流体供給先との間の流体連通は、図１〜図３に示す個々の専用入口バルブ及び出口バルブにより実現することができる、又は圧縮室を流体供給元及び流体供給先に選択的に流体接続するように構成される１個のバルブを介して実現することができる。
図１に更に図示されているように、第１駆動アセンブリ２０は、ステータ２２及びコア２４を備える。コア２４は、第１ピストンロッド１２の遠位端に取り付けられ、ステータ２２は、コア２４を基準として固定される。動作状態では、ステータ２２は、電磁力をコア２４に加えて、コア２４を遠位方向及び近位方向に、軸線１６に沿って往復動駆動するように構成される。
図１に更に図示されているように、第２駆動アセンブリ６０は、ステータ６２及びコア６４を備える。コア６４は、第２ピストンロッド１４の遠位端に取り付けられ、ステータ６２は、コア６４を基準として固定される。動作状態では、ステータ６２は、電磁力をコア６４に加えて、コア６４を遠位方向及び近位方向に、軸線１６に沿って往復動駆動するように構成される。
１つの実施形態では、電磁駆動部はリニアモータであり、この場合、ステータ２２は、電源にコントローラを介して選択的に接続可能な連続する隣接コイルを備える。１つの選択したコイルが電源に接続されると、これらのコイルから起電力がコイルに加わって、ピストンロッド／圧縮ピストンを軸線１６に沿って軸線方向に駆動する。一連の隣接コイルが電源に接続されると、電磁力が大きくなる。ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリの並進移動の方向に隣接する１つのコイルが、電源に接続されるコイル集合体に追加され、並進移動の方向とは反対の方向に隣接する１つのコイルが、電源に接続されるコイル集合体から取り出される場合、ステータ２２は、コア２４に加わる一定の強さの電磁力を維持する。従って、コントローラは、電源に接続される一連のコイルを任意の所定の時点で、かつコイルを作動状態にし、非作動状態にすることにより、動的に選択するように構成され、コイルを軸線１６に沿って制御可能に変位させるように構成される。本発明の１つの実施形態では、電磁駆動部は、市販のリニアモータを備える。
図１に更に図示されているように、第１アキュムレータアセンブリ３０は、第１フランジ３２、第１弾性部材３４、第１ポスト３８、第２弾性部材３７、及び第２フランジ３９を備える。１つの実施形態では、フランジ（３２、３９）の一方又は両方は、第１ピストンロッド１２により形成することができる。他の実施形態では、これらのフランジの一方又は両方は、アセンブリを第１ピストンロッド１２に取り付けることにより形成することができる。第１ポスト３８は、第１ピストンロッド１２を摺動可能に収容する開口部３６を備え、第１ピストンロッド１２を基準として固定される。各弾性部材（３４、３７）は、第１端部及び第２端部を備える。第１弾性部材３４は、第１フランジ３２に第１端部で取り付けられ、かつ第１弾性部材３４は、第１ポスト３８に第２端部で取り付けられる。第２弾性部材３７は、第２フランジ３９に第１端部で取り付けられ、かつ第２弾性部材３７は、第１ポスト３８に第２端部で取り付けられる。
図１に更に図示されているように、第２アキュムレータアセンブリ５０は、第３フランジ５２、第３弾性部材５４、第２ポスト５６、第４弾性部材５７、及び第４フランジ５９を備える。１つの実施形態では、フランジ（５４、５９）の一方又は両方は、第２ピストンロッド１４により形成することができる。他の実施形態では、これらのフランジの一方又は両方は、アセンブリを第２ピストンロッド１４に取り付けることにより形成することができる。第２ポスト５６は、第２ピストンロッド１４を摺動可能に収容する開口部５８を備え、第２ピストンロッド１４を基準として固定される。各弾性部材（５４、５７）は、第１端部及び第２端部を備える。第３弾性部材５４は、第３フランジ５２に第１端部で取り付けられ、かつ第３弾性部材５４は、第２ポスト５６に第２端部で取り付けられる。第４弾性部材５７は、第４フランジ５９に第１端部で取り付けられ、かつ第４弾性部材５７は、第２ポスト５６に第２端部で取り付けられる。
図２及び図３は、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１２、４２；１４、４４）に、駆動アセンブリ（２０、６０）から加わる力を示している。本明細書において使用されるように、「ｔｏｐ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ（上死点中央位置）」というフレーズは、圧縮アセンブリ４０内に配置されるピストン（４２、４４）が、軸線１６に沿ったピストンの最遠位側の並進移動位置にほぼ位置している状態の位置的配置を指す。本明細書において使用されるように、「ｂｏｔｔｏｍ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ（下死点中央位置）」というフレーズは、圧縮アセンブリ４０内に配置されるピストン（４２、４４）が、軸線１６に沿ったピストンの最近位側の並進移動位置にほぼ位置している状態の位置的配置を指す。
図２は、第１ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１２、４２）を近位方向に軸線１６に沿って駆動するために作用する力を示している。行程の始点では、アセンブリは、殆ど静止しており、ピストン４２は、上死点中央位置にほぼ位置している。４つの力がアセンブリに、近位方向の並進移動中に加わる。第１に、第１駆動アセンブリ２０は、上記起電力Ｆ1をアセンブリに加えて、アセンブリを近位方向に軸線１６に沿って駆動することにより、アセンブリを加速する。第２に、行程の始点において、かつ行程の一部が行われている間、変形した（伸長した）第１弾性部材３４は、第１弾性部材３４の正常な形状に復帰することにより、近位方向に向いた加速力Ｆ2がアセンブリに加わる。第３に、中心圧縮室４３内の容積が小さくなるにつれて、圧縮室内に滞留するガスから、遠位方向に向いた力Ｆ3が圧縮ピストン４２の近位側面に加わる。最後に、行程の終点の前の位置では、かつピストン４２が下死点中央位置に達するまで行程が継続すると、第２弾性部材３７が変形して（伸長して）、遠位方向に向いた減速力Ｆ4がアセンブリに加わる。
図２は更に、第２ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１４、４４）を近位方向に軸線１６に沿って駆動するために作用する力を示している。行程の始点では、アセンブリは、殆ど静止しており、ピストン４４は、上死点中央位置にほぼ位置している。上に説明したように、４つの力がアセンブリに、近位方向の並進移動中に加わる。第１に、第２駆動アセンブリ６０は、上記起電力Ｆ5をアセンブリに加えて、アセンブリを近位方向に軸線１６に沿って駆動することにより、アセンブリを加速する。第２に、行程の始点において、かつ行程の一部が行われている間、変形した（伸長した）第４弾性部材５７は、第４弾性部材５７の正常な形状に復帰することにより、近位方向に向いた加速力Ｆ6がアセンブリに加わる。第３に、中心圧縮室４３内の容積が小さくなるにつれて、圧縮室内に滞留するガスから、遠位方向に向いた力Ｆ7が圧縮ピストン４４の近位側面に加わる。最後に、行程の終点の前の位置では、かつピストン４４が下死点中央位置に達するまで行程が継続すると、第３弾性部材５４が変形して（伸長して）、遠位方向に向いた減速力Ｆ8がアセンブリに加わる。
図３は、第１ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１２、４２）を遠位方向に、軸線１６に沿って駆動するために作用する力を示している。行程の始点では、アセンブリは、殆ど静止しており、ピストン４２は、下死点中央位置にほぼ位置している。４つの力がアセンブリに、遠位方向の並進移動中に加わる。第１に、第１駆動アセンブリ２０は、上記起電力を力Ｆ9としてアセンブリに加えて、アセンブリを遠位方向に軸線１６に沿って駆動することにより、アセンブリを加速する。第２に、行程の始点において、かつ行程の一部が行われている間、変形した（伸長した）第２弾性部材３７は、第２弾性部材３７の正常な形状に復帰することにより、遠位方向に向いた加速力Ｆ10がアセンブリに加わる。第３に、第１圧縮室４５内の容積が小さくなるにつれて、第１圧縮室４５内に滞留するガスから、近位方向に向いた力Ｆ11が第１圧縮ピストン４２の遠位側面に加わる。最後に、行程の終点の前の位置では、かつピストン４２が上死点中央位置に達するまで行程が継続すると、第１弾性部材３４が変形して（伸長して）、近位方向に向いた減速力Ｆ12がアセンブリに加わる。
図３は更に、第２ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１４、４４）を遠位方向に、軸線１６に沿って駆動するために作用する力を示している。行程の始点では、アセンブリは、殆ど静止しており、ピストン４４は、下死点中央位置にほぼ位置している。上に説明したように、４つの力がアセンブリに、遠位方向の並進移動中に加わる。第１に、第２駆動アセンブリ６０は、上記起電力Ｆ13をアセンブリに加えて、アセンブリを遠位方向に軸線１６に沿って駆動することにより、アセンブリを加速する。第２に、行程の始点において、かつ行程の一部が行われている間、変形した（伸長した）第３弾性部材５４は、第３弾性部材５４の正常な形状に復帰することにより、遠位方向に向いた加速力Ｆ14がアセンブリに加わる。第３に、第２圧縮室４６内の容積が小さくなるにつれて、圧縮室内に滞留するガスから、近位方向に向いた力Ｆ15が圧縮ピストン４４の遠位側面に加わる。最後に、行程の終点の前の位置では、かつピストン４４が上死点中央位置に達するまで行程が継続すると、第４弾性部材５７が変形して（伸長して）、遠位方向に向いた減速力Ｆ16がアセンブリに加わる。
行程中、これらの力の和は、アセンブリが、アセンブリの並進移動中に軸線１６に沿って加速し、減速する割合を表す。アセンブリが加速しているとき、アセンブリの慣性力が増加する。アセンブリが減速しているとき、アセンブリの慣性力が減少する。アセンブリが一定速度で移動する場合、アセンブリの慣性力は一定である。従って、行程が始まるとき、第１弾性部材が弛緩してアセンブリを加速することにより、アセンブリに蓄積される慣性力が増加する。１つの移動位置にある間、第２弾性部材が変形し始めて、アセンブリを減速することにより、アセンブリに蓄積される慣性力が減少する。集合的に、これらの弾性部材は、アセンブリに蓄積される慣性エネルギーを第１行程中に蓄積し、蓄積エネルギーをアセンブリに次の行程中に伝達することにより、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１２、４２；１４、４４）に生じるエネルギーを往復動中に保存するという技術的効果を有する。
当分野の当業者であれば、本明細書における本開示及び教示に鑑みて容易に理解することができることであるが、上に説明した弾性部材ペアの構成を変更することにより、関連するこれらの力を加えるタイミングを変えることができる。例えば、図示の複数の弾性部材ペア（３４、３７；５４、５７）が、異なるバネ定数を持つようにする構成は本発明の範囲に含まれる。別の構成として、弾性部材から加わる力の及ぶ距離は、弾性部材ペア（３４、３７；５４、５７）内で異ならせることができる。最後に、１個の弾性部材が、上に説明した機能を実行して、例えば行程の始点で遠位方向に伸びた行程を開始し、行程の過程で弛緩し、行程の終了部分で近位方向に変形するようにする構成は本発明の範囲に含まれる。
有利な点として、弾性部材は、バネ定数、共振周波数、及びバネ共振周波数の高調波を有する共振バネを備える。図示の実施形態では、共振バネ３４は、ピストンが、第１フランジ３２が第１ポスト３８に対して遠位方向に並進移動することにより上死点中央位置に近づくにつれて変形するように構成されることにより、共振バネが伸長すると、バネがエネルギーを吸収するようになり、バネがピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１２、４２）を、アセンブリが上死点中央位置に近づくにつれて更に減速する。本実施形態では、伸長した共振バネ３４は、バネの正常な形状に次の行程中に復帰することにより、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１２、４２）を近位方向に加速して、アセンブリに蓄積される慣性エネルギーを第１遠位方向行程中に軸線１６に沿って蓄積し、アセンブリを近位方向に軸線１６に沿って加速することにより、エネルギーをアセンブリに第２近位方向行程中に軸線１６に沿って返す。
特定の実施形態では、バネは、バネの振動（往復動）の周波数が、共振バネの固有周波数、又は固有周波数の高調波に一致する場合に、より大きなエネルギーを吸収するように構成される共振バネである。例えば、ピストンロッド１２／圧縮ピストン４２の往復動速度が、共振バネ３４の固有周波数にほぼ一致する場合、上に説明したバネの変形が繰り返されることによって、バネが連続して往復動することにより蓄積され、印加されるエネルギーを最大にすることができる。このような実施形態では、圧縮機１０を、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリがバネの固有周波数、又は固有周波数の高調波にほぼ一致する速度で往復動するように動作させることにより、必要な駆動力を最小限に抑えることができる。
有利な点として、圧縮機の種々の実施形態は、部分負荷状態で運転することができる。１つの運転モードでは、ピストン４２の遠位側面に掛かる負荷は、第１圧縮室４５と流体供給元／流体供給先との間の流体連通のタイミングを、入口／出口バルブ４８を選択的に作動させて制御することにより変えることができる。例えば、ピストン４２は、入口／出口バルブ４８を作動させることにより部分的に負荷を掛けないようにして、第１圧縮室４５に流入する流体と第１圧縮室４５から流出する流体との圧力差が、部分的なピストン運動が行われているときに、小さくなる、又はほぼ最小になるようにする。同様に、ピストン４４の遠位側面に掛かる負荷は、第２圧縮室４６と流体供給元／流体供給先との間の流体連通のタイミングを、入口／出口バルブ４９を選択的に作動させて制御することにより変えることができる。例えば、ピストン４４は、入口／出口バルブ４９を作動させることにより部分的に負荷を掛けないようにして、第２圧縮室４６に流入する流体と第２圧縮室４６から流出する流体との圧力差が、部分的なピストン運動が行われているときに、小さくなる、又はほぼ最小になるようにする。別の運転モードでは、ピストン（４２、４４）の近位側面に掛かる負荷は、圧縮室４３と流体供給元／流体供給先との間の流体連通のタイミングを、入口／出口バルブ４７を作動させて制御することにより変えることができる。例えば、ピストン（４２、４４）は、入口／出口バルブ４７を作動させることにより部分的に負荷を掛けないようにして、圧縮室４３に流入する流体と圧縮室４３から流出する流体との圧力差が、部分的なピストン運動が行われているときに、小さくなる、又はほぼ最小になるようにする。このような運転モードによって、流体需要量が、天然ガス需要量が天然ガス輸送網において変化する場合のように変化する場合の期間のように、運転を柔軟に行うことができる。
有利な点として、１つの実施形態では、圧縮機は可変容量圧縮機である。例えば、コントローラは、ピストン位相を、従って圧縮機容量を、非一時的な機械可読媒体に記録される命令セットでプログラムすることにより変えるように構成することができ、これらの命令によってコントローラは、（ｉ）０度と１８０度との間のピストン位相差を含む圧縮機通電位相設定値を受信し；（ｉｉ）一連のコイルを、電源との接続をピストンロッド／圧縮ピストンの行程中に行って、それぞれの行程長を決定するために必要な複数のコイルの中から選択し；（ｉｉｉ）選択した各コイルを電源に接続する必要がある時点を決定し、コイルが電源にそれぞれの行程中に接続される時間長を決定し、コイルを電源からそれぞれの行程中に遮断する時点を決定し；（ｉｖ）特定したこれらのコイルを電源に、所定の時点で選択的に接続し、選択したこれらのコイルが電源に接続されている状態を、決定した時間長だけ保持し、特定したこれらのコイルを、決定した時点で選択的に遮断して、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリを駆動するようになる。１つの実施形態では、コントローラは更に、これらのコイルを選択し、接続時点、接続時間長、及び遮断時点を決定するために使用される行程長設定値を受信するように構成することができる。
図４〜図６は、本発明の１つの実施形態による共振バネを備える単動式電磁アクチュエータにより駆動され、かつ位相差を持つピストンを有する圧縮機を示している。
図４は、駆動アセンブリ２２０、第１アキュムレータアセンブリ２３０、圧縮アセンブリ２４０、及び第２アキュムレータアセンブリ２５０を備える圧縮機２００を示している。第１ピストンロッド２１２は、駆動アセンブリ２２０、第１アキュムレータアセンブリ２３０、及び圧縮アセンブリ２４０を接続する。第２ピストンロッド２１４は、駆動アセンブリ２２０、第２アキュムレータアセンブリ２５０、及び圧縮アセンブリ２４０を接続する。
第２ピストンロッド２１４は中空であり、遠位開口部２２８を通路の遠位端に有し、かつ近位開口部２１５を通路の近位端に有する通路（図示せず）を備えている。第２ピストンロッドは、第１ピストンロッド２１２の一部を、第２ピストンロッドの軸線長さに沿って摺動可能に、かつ密閉可能に収容するように適合させ、第１及び第２ピストンロッドは、軸線２１６に沿って同軸に位置合わせされる。図４に示すように、破線２１８は、第１ピストンロッド２１２のうち、第２ピストンロッド２１４内に収容される部分を表している。動作状態では、これらのピストンロッドは、ピストンロッド（２１２、２１４）が、他方のピストンロッドに対して、軸線２１６に沿って別々に並進移動することができるように構成される。
駆動アセンブリ２２０は、第１ピストンロッド２１２を介して第１アキュムレータアセンブリ２３０及び圧縮アセンブリ２４０と機械的に連通する。第１アキュムレータアセンブリ２３０は、第１ピストンロッド２１２を介して駆動アセンブリ２２０及び圧縮アセンブリ２４０と機械的に連通する。駆動アセンブリ２２０は更に、第２ピストンロッド２１４を介して第２アキュムレータアセンブリ２５０及び圧縮アセンブリ２４０と機械的に連通する。第２アキュムレータアセンブリ２５０は、第２ピストンロッド２１４を介して駆動アセンブリ２２０及び圧縮アセンブリ２４０と機械的に連通する。
図４に示すように、圧縮アセンブリ２４０は、ハウジング２４１、第１圧縮ピストン２４４、及び第２圧縮ピストン２４２を備える。第１圧縮ピストン２４４及び第２圧縮ピストン２４２は、ハウジング２４１内に軸線方向に配置され、流体連通が遮断される少なくとも１つの圧縮室を形成する。図４に示す実施形態では、圧縮ピストン（２４２、２４４）は、ハウジング容積を３つの容積室に分割し、各容積室は、他の容積室との流体連通がほぼ遮断されている。
ハウジング２４１は更に、軸線２１６に略位置合わせされる開口部を備え、開口部は、ハウジングの内部を、圧縮アセンブリ２４０の外部の環境に連結するオリフィスを形成する。第１開口部は、第２ピストンロッド２１４を軸線２１６に沿って摺動可能に、かつ密閉可能に収容し、第２ピストンロッド２１４は、ハウジング２４１内に延びており、かつ第２圧縮ピストン２４２に接続されている。
第２圧縮ピストン２４２は表面を備える。第２圧縮ピストン表面は端面を含み、端面は、ハウジング２４１の内側面に摺動可能に、かつ密閉可能に係合するように構成される。第１ピストン表面は更に、近位側面を含み、近位側面は、軸線２１６と略直交している。第１ピストン近位側面は更に、開口部２１５を含み、第１ピストンロッド２１２は、開口部２１５から延びており、かつ第１圧縮ピストン２４４に取り付けられる。
第１圧縮ピストン表面は更に、遠位側面を近位側面とは反対側に備え、後面は、軸線２１６と略直交している。１つの実施形態では、第２ピストンロッド２１４は、第２圧縮ピストン２４２に、第２圧縮ピストン２４２の後面で接続される。
第１圧縮ピストン２４４は表面を備える。第１圧縮ピストン表面は端面を含み、端面は、ハウジング内側面に摺動可能に、かつ密閉可能に係合するように構成される。第１圧縮ピストン表面は更に、近位側面を備え、近位側面は、軸線２１６と略直交しており、かつ第２圧縮ピストン２４２の近位側面に対向している。第１ピストン表面は更に、遠位側面を第１ピストンの近位側面とは反対側に備え、後面は、軸線２１６と略直交している。図４に示す実施形態では、第１ピストンロッド２１２は、第１圧縮ピストン２４４に、第１圧縮ピストンの近位側面で接続される。
ハウジング内側面の一部、第１ピストン近位側面、及び第２ピストン近位側面は、一体となって中心圧縮室２４３を形成する。中心圧縮室２４３が今度は、入口／出口バルブ２４７を介して流体供給元（図示せず）及び流体供給先（これも図示せず）と流体連通する。１つの実施形態では、ハウジング内側面の一部、及び第１ピストン遠位側面が更に、第１圧縮室２４５を形成する。今度は、入口／出口バルブ２４８を介して第１圧縮室２４５が更に、流体供給元及び流体供給先と流体連通する。１つの実施形態では、ハウジング内側面の一部、及び第２ピストンの遠位側面が更に、第２圧縮室２４６を形成する。第２圧縮室２４６が今度は、入口／出口バルブ２４９を介して流体供給元及び流体供給先と流体連通する。種々の実施形態では、中心圧縮室２４３、第１圧縮室２４５、及び第２圧縮室２４６のうちの１つの圧縮室は、互いに殆ど流体連通することがないように遮断される。
種々の実施形態では、バルブ（２４７、２４８、２４９）のうちの少なくとも１つのバルブは、ソレノイドアクチュエータ（図示せず）を備える。他の実施形態では、バルブ（２４７、２４８、２４９）のうちの少なくとも１つのバルブは、磁気利用歯車式アクチュエータ（図示せず）を備える。動作状態では、バルブ（２４７、２４８、２４９）は、ピストン（２４２、２４４）の移動に連動することにより、流体が少なくとも１つの圧縮室に、第１圧力で流れ込むことができ、圧縮室から第２圧力で流れ出すことができる。当分野の当業者であれば、本明細書における本開示及び教示に鑑みて理解できることであるが、圧縮室（２４３、２４５、２４６）と流体供給元／流体供給先との間の流体連通は、図４〜図６に示す個々の専用入口バルブ及び出口バルブにより実現することができる、又は圧縮室を流体供給元及び流体供給先に選択的に流体接続するように構成される１個のバルブを介して実現することができる。
図４に更に図示されているように、駆動アセンブリ２２０は、ステータ２２２、第１コア２２６、及び第２コア２２８を備える。第１コア２２６は、第１ピストンロッド２１２に取り付けられ、第２コア２２８は、第２ピストンロッド２１４の遠位部に取り付けられ、ステータ２２２は、コア（２２６、２２８）を基準として固定される。動作状態では、ステータ２２２は、電磁力をコア（２２６、２２８）に加えて、コア（２２６、２２８）を遠位方向及び近位方向に、軸線２１６に沿って往復動駆動するように構成される。本発明の実施形態では、ステータは、コア（２２６、２２８）を互いに対して個別に駆動するように構成される。
１つの実施形態では、駆動アセンブリ２２０はリニアモータを備え、この場合、ステータ２２２は、電源（図示せず）にコントローラ（図示せず）を介して選択的に接続可能な複数のコイル２２５を備える。複数のコイル２２５の中の１つの個別コイルが電源に接続されると、これらのコイルから起電力がコア（２２６、２２８）に加わって、それぞれのコアに軸線２１６に沿って軸線方向に取り付けられるピストンロッド／圧縮ピストンを駆動する。１つのコイルが、電源に接続されるコイル集合体に追加されると、電磁力が大きくなる。１つのコイルが、電源に接続されるコイル集合体から取り外されると、電磁力が小さくなる。ピストンロッド／圧縮アセンブリの並進移動の方向に隣接するコイルが、電源に接続されるコイル集合体に追加され、かつ並進移動方向とは反対方向に隣接するコイルが、電源に接続されるコイル集合体から取り外される場合、ステータ２２２は、該当するコア２４に加わる一定の電磁力を維持する−電磁力は実際には、軸線に沿って並進移動するコアに追従する。本発明の１つの実施形態では、電磁駆動部は、市販のリニアモータを備える。
図４に更に図示されているように、第１アキュムレータアセンブリ２３０は、第１フランジ２３２、第１弾性部材２３４、第１ポスト２３８、第２弾性部材２３７、及び第２フランジ２３９を備える。１つの実施形態では、フランジ（２３２、２３９）の一方又は両方は、第１ピストンロッド２１２により形成することができる。他の実施形態では、これらのフランジの一方又は両方は、アセンブリを第１ピストンロッド２１２に取り付けることにより形成することができる。第１ポスト２３８は、第１ピストンロッド２１２を摺動可能に収容する開口部２３６を備え、第１ポスト２３８は、第１ピストンロッド２１２を基準として固定される。各弾性部材（２３４、２３７）は、第１端部及び第２端部を備える。第１弾性部材２３４は、第１フランジ２３２に第１弾性部材２３４の第１端部で取り付けられ、かつ第１弾性部材２３４は、第１ポスト２３８に第１弾性部材２３４の第２端部で取り付けられる。第２弾性部材２３７は、第２フランジ２３９に第２弾性部材２３７の第１端部で取り付けられ、かつ第２弾性部材２３７は、第１ポスト２３８に第２弾性部材２３７の第２端部で取り付けられる。
図４に図示されているように、第２アキュムレータアセンブリ２５０は、第３フランジ２５２、第３弾性部材２５４、第２ポスト２５６、第４弾性部材２５７、及び第４フランジ２５９を備える。１つの実施形態では、フランジ（２５４、２５９）の一方又は両方は、第２ピストンロッド２１４により形成することができる。他の実施形態では、これらのフランジの一方又は両方は、アセンブリを第２ピストンロッド２１４に取り付けることにより形成することができる。第２ポスト２５６は、第２ピストンロッド２１４を摺動可能に収容する開口部２５８を備え、第２ピストンロッド２１４を基準として固定される。各弾性部材（２５４、２５７）は、第１端部及び第２端部を備える。第３弾性部材２５４は、第３フランジ２５２に、第３弾性部材２５４の第１端部で取り付けられ、かつ第３弾性部材２５４は、第２ポスト２５６に第３弾性部材２５４の第２端部で取り付けられる。第４弾性部材２５７は、第４フランジ２５９に第４弾性部材２５７の第１端部で取り付けられ、かつ第４弾性部材２５７は、第２ポスト２５６に第４弾性部材２５７の第２端部で取り付けられる。
図５及び図６は、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（２１２、２４２；２１４、２４４）に、圧縮機２００の駆動アセンブリ（２２０）から加わる力を示している。
図５は、圧縮機２００が最初の往路の往復動をしているときに力が加わる様子を示しているのであるが、第１ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（２１２、２４４）を駆動して、ピストン２４４を近位方向に軸線２１６に沿って駆動するために作用する力を示している。行程の始点では、アセンブリは、殆ど静止しており、ピストン２４２は、上死点中央位置にほぼ位置している。４つの力がアセンブリに、近位方向の並進移動中に加わる。第１に、駆動アセンブリ２２０は、遠位方向に向いた上記起電力Ｆ101をアセンブリに加えて、アセンブリを遠位方向に軸線２１６に沿って駆動することにより、アセンブリを加速する。第２に、行程の始点において、かつ行程の一部が行われている間、変形した（伸長した）第２弾性部材２３７は、第２弾性部材２３７の正常な形状に復帰することにより、遠位方向に向いた加速力Ｆ102がアセンブリに加わる。第３に、中心圧縮室２４３内の容積が小さくなるにつれて、圧縮室内に滞留するガスから、反対方向の力Ｆ103が圧縮ピストン２４４の近位側面に加わる。最後に、行程の終点の前の位置では、かつピストン２４４が下死点中央位置に達するまで行程が継続すると、第１弾性部材２３４が変形して（伸長して）、反対方向の力Ｆ104がアセンブリに加わって、アセンブリがアセンブリの下死点中央位置に近づくにつれて、アセンブリを減速する。
図５は更に、圧縮機２００が最初の往路の往復動をしているときに力が加わる様子を示しているのであるが、第２ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（２１４、２４２）を駆動して、ピストン２４２を近位方向に軸線２１６に沿って駆動するために作用する力を示している。行程の始点では、アセンブリは、殆ど静止しており、ピストン２４２は、上死点中央位置にほぼ位置している。４つの力がアセンブリに、第２ピストンが近位方向に並進移動しているときに加わる。第１に、駆動アセンブリ２２０は、近位方向に向いた上記起電力Ｆ105をアセンブリに加えて、アセンブリを近位方向に軸線２１６に沿って駆動することにより、アセンブリを加速する。第２に、行程の始点において、かつ行程の一部が行われている間、変形した（伸長した）第３弾性部材２５４は、第３弾性部材２５４の正常な形状に復帰することにより、近位方向に向いた加速力Ｆ106がアセンブリに加わる。第３に、中心圧縮室２４３内の容積が小さくなるにつれて、圧縮室内に滞留するガスから、反対方向の力Ｆ107が第２圧縮ピストン２４２の近位側面に加わる。最後に、行程の終点の前の位置では、かつピストン２４２が下死点中央位置に達するまで行程が継続すると、第４弾性部材２５７が変形して（伸長して）、反対方向の追加の力Ｆ108がアセンブリに加わって、アセンブリがアセンブリの下死点中央位置に近づくにつれて、アセンブリを減速する。
動作状態では、印加中のこれらの力が合算され、結果的に生じる力によって、ピストンが移動する。有利な点として、これらの弾性部材から加わる力は、行程の一部が行われている間にのみ加わり、駆動アセンブリの力を補完する。例えば、アキュムレータの１つの弾性部材が行程を伸長状態で開始することにより、それ以外の状態で必要とされる駆動アセンブリの力を、追加の力を行程の始点で加えることにより小さくするという技術的効果が得られる。同様に、アキュムレータの補完弾性部材が行程を正常状態で開始すると、行程の終点に向かって伸長することにより、アセンブリを減速し、アセンブリが次に往復動するための慣性エネルギーを蓄積することができる。
図６は、圧縮機２００が次の復路の往復動をしているときに力が加わる様子を示しているのであるが、第１ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（２１２、２４４）を遠位方向に、軸線２１６に沿って駆動するために作用する力を示している。行程の始点では、アセンブリは、殆ど静止しており、第１圧縮ピストン２４４は、下死点中央位置にほぼ位置している。４つの力がアセンブリに、遠位方向にピストンが並進移動しているときに加わる。第１に、駆動アセンブリ２２０は、近位方向に向いた起電力Ｆ109をアセンブリに加えて、ピストンを遠位方向に軸線２１６に沿って駆動することにより、アセンブリを加速する。第２に、行程の始点において、かつ行程の一部が行われている間、変形した（伸長した）第１弾性部材２３４は、第１弾性部材２３４の正常な形状に復帰することにより、近位方向に向いた加速力Ｆ110がアセンブリに加わる。第３に、第１圧縮室２４５内の容積が小さくなるにつれて、圧縮室内に滞留するガスから、反対方向の力Ｆ111が第１圧縮ピストン２４４の遠位側面に加わる。最後に、行程の終点の前の位置では、かつピストン４２が上死点中央位置にほぼ達するまで行程が継続すると、第２弾性部材２３７が変形して（伸長して）、反対方向の力Ｆ112がアセンブリに加わって、アセンブリがアセンブリの上死点中央位置に近づくにつれて、アセンブリを減速する。
図６は更に、圧縮機２００が次の復路の往復動をしているときに加わる様子を示しているのであるが、第２ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（２１４、２４２）を遠位方向に、軸線２１６に沿って駆動するために作用する力を示している。行程の始点では、アセンブリは、殆ど静止しており、第２圧縮ピストン２４２は、下死点中央位置にほぼ位置している。４つの力がアセンブリに、第２圧縮ピストン２４２が遠位方向に並進移動しているときに加わる。第１に、駆動アセンブリ２２０は、上記起電力Ｆ113をアセンブリに加えて、ピストン２４２を遠位方向に軸線２１６に沿って駆動することにより、アセンブリを加速する。第２に、行程の始点において、かつ行程の一部が行われている間、変形した（伸長した）第４弾性部材２５７は、第４弾性部材２５７の正常な形状に復帰することにより、遠位方向に向いた加速力Ｆ114がアセンブリに加わる。第３に、第２圧縮室２４６内の容積が小さくなるにつれて、圧縮室内に滞留するガスから、反対方向の力Ｆ115が圧縮ピストン２４２の遠位側面に加わる。最後に、行程の終点の前の位置では、かつ第２圧縮ピストン２４２が、ピストンの上死点中央位置に達するまで行程が継続すると、第３弾性部材２５４が変形して（伸長して）、反対方向の力Ｆ116がアセンブリに加わって、アセンブリがアセンブリの上死点中央位置に近づくにつれて、アセンブリを減速する。
行程中、これらの力の和は、アセンブリが、軸線２１６に沿ったアセンブリの並進移動中に加速し、減速する割合を表す。アセンブリが加速しているとき、アセンブリの慣性力は大きくなる。アセンブリが減速しているとき、アセンブリの慣性力は小さくなる。アセンブリが一定速度で移動するとき、アセンブリの慣性力は一定である。従って、行程の開始時、第１弾性部材が弛緩すると、アセンブリが加速されて、アセンブリに蓄積される慣性力が大きくなる。或る移動位置にある状態では、第２弾性部材は、変形し始めて、アセンブリを減速することにより、アセンブリに蓄積される慣性力が小さくなる。概括すると、これらの弾性部材は、アセンブリに蓄積される慣性エネルギーを最初の行程中に蓄積し、保存エネルギーをアセンブリに、次の行程中に付与することにより、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（２１２、２４４；２１４、２４２）に蓄積されるエネルギーを往復動中に保存する。
有利な点として、弾性部材は、バネ定数、共振周波数、及びバネ共振周波数の高調波を有する共振バネを備える。図示の実施形態では、共振バネ３４は、ピストンが、第１フランジ３２が第１ポスト３８に対して遠位方向に並進移動することにより上死点中央位置に近づくにつれて変形するように構成されることにより、共振バネが伸長すると、バネがエネルギーを吸収するようになり、バネがピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１２、４２）を、アセンブリが上死点中央位置に近づくにつれて更に減速する。本実施形態では、伸長した共振バネ３４は、共振バネ３４の正常な形状に次の行程中に復帰することにより、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリ（１２、４２）を近位方向に加速するので、アセンブリに蓄積される慣性エネルギーは、軸線１６に沿った第１遠位方向行程中に蓄積され、アセンブリを近位方向に軸線１６に沿って加速することにより、エネルギーがアセンブリに、軸線１６に沿った第２近位方向行程中に返される。
特定の実施形態では、バネは、バネの振動（往復動）の周波数が、共振バネの固有周波数、又は固有周波数の高調波に一致する場合に、より大きなエネルギーを吸収するように構成される共振バネである。例えば、ピストンロッド１２／圧縮ピストン４２の往復動速度が、共振バネ３４の固有周波数にほぼ一致する場合、上に説明したバネの変形が繰り返されると、バネが連続して往復動することにより蓄積され、印加されるエネルギーを最大にすることができる。このような実施形態では、圧縮機１０を、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリがバネの共振周波数、又は共振周波数の高調波にほぼ一致する速度で往復動するように動作させることにより、必要な駆動力を最小限に抑えることができる。
有利な点として、圧縮機の種々の実施形態は、部分負荷状態で運転することができる。１つの運転モードでは、ピストン２４２の遠位側面に掛かる負荷は、第１圧縮室２４５と流体供給元／流体供給先との間の流体連通のタイミングを、入口／出口バルブ２４８を選択的に作動させて制御することにより変えることができる。例えば、ピストン２４２は、入口／出口バルブ２４８を作動させることにより部分的に負荷を掛けないようにして、第１圧縮室２４５に流入する流体と第１圧縮室２４５から流出する流体との圧力差が、部分的なピストン運動が行われているときに、小さくなる、又はほぼ最小になるようにする。同様に、ピストン２４４の遠位側面に掛かる負荷は、第２圧縮室２４６と流体供給元／流体供給先との間の流体連通のタイミングを、入口／出口バルブ２４９を選択的に作動させて制御することにより変えることができる。例えば、ピストン２４４は、入口／出口バルブ２４９を作動させることにより部分的に負荷を掛けないようにして、第２圧縮室２４６に流入する流体と第２圧縮室２４６から流出する流体との圧力差が、部分的なピストン運動が行われているときに、小さくなる、又はほぼ最小になるようにする。別の運転モードでは、ピストン（２４２、２４４）の近位側面に掛かる負荷は、圧縮室２４３と流体供給元／流体供給先との間の流体連通のタイミングを、入口／出口バルブ２４７を作動させて制御することにより変えることができる。例えば、ピストン（２４２、２４４）は、入口／出口バルブ２４７を作動させることにより部分的に負荷を掛けないようにして、圧縮室２４３に流入する流体と圧縮室２４３から流出する流体との圧力差が、部分的なピストン運動が行われているときに、小さくなる、又はほぼ最小になるようにする。このような運転モードによって、流体需要量が、天然ガス需要量が天然ガス輸送網において変化する場合のように変化する場合の期間のように、運転を柔軟に行うことができる。
有利な点として、１つの実施形態では、圧縮機は可変容量圧縮機である。例えば、コントローラは、ピストン位相を、従って圧縮機容量を、非一時的な機械可読媒体に記録される命令セットでプログラムすることにより変えるように構成することができ、これらの命令によってコントローラは、（ｉ）０度と１８０度との間のピストン位相差を含む圧縮機通電位相設定値を受信し；（ｉｉ）一連のコイルを、電源との接続をピストンロッド／圧縮ピストンの行程中に行って、それぞれの行程長を決定するために必要な複数のコイルの中から選択し；（ｉｉｉ）選択した各コイルを電源に接続する必要がある時点を決定し、コイルが電源にそれぞれの行程中に接続される時間長を決定し、コイルを電源からそれぞれの行程中に遮断する時点を決定し；（ｉｖ）特定したこれらのコイルを電源に、所定の時点で選択的に接続し、選択したこれらのコイルが電源に接続されている状態を、決定した時間長だけ保持し、特定したこれらのコイルを、決定した時点で選択的に遮断して、ピストンロッド／圧縮ピストンアセンブリを駆動するようになる。１つの実施形態では、コントローラは更に、これらのコイルを選択し、接続時点、接続時間長、及び遮断時点を決定するために使用される行程長設定値を受信するように構成することができる。
有利な点として、圧縮機２００のピストンロッド（２１２、２１４）を入れ子式に嵌合させることにより、圧縮機をより小さく、より小型化することができ、圧縮機を単一の駆動アセンブリから製造することができる。その結果、機械の全体寸法がより小さくなって、圧縮機を収容するために必要な収容部のサイズが小さくなるので有利である。
当分野の当業者であれば、本明細書における本開示及び教示に鑑みて容易に理解できることであるが、上に説明した弾性部材ペアの形状を変更して、関連する力を加えるタイミングを変えることができる。例えば、図示の補助弾性部材（２３４、２３７；２５４、２５７）が、異なるバネ定数を有する構成は本発明の範囲に含まれる。別の構成として、弾性部材から加わる力が及ぶ距離は、補助弾性部材（２３４、２３７；２５４、２５７）の間で異ならせることができる。最後に、弾性部材が１つだけ、上記機能を果たして、例えば遠位方向に行程の始点で伸長する行程を開始し、行程の経過中に弛緩し、行程の終端部分で近位方向に変形する構成は本発明の範囲に含まれる。
可能な有利な実施形態によれば、固定される第１導体と、第１ピストンロッド又は第２ピストンロッドのいずれかに取り付けられる第２導体と、を有するキャパシタは、誘電体（例えば、空気）を挟んで分離され；このようにして、キャパシタは、可動プレート（正確に言うと、一方のプレートが他方のプレートに対して移動する）を有するので、可変静電容量を有する。本実施形態の変形例によれば、２つの導電性プレートの間の誘電体占有距離は、これらのピストンロッドの並進移動とともに変化する。第１導体及び第２導体には、圧縮機の動作中に１度だけ給電することができ、第１導体及び第２導体は、絶縁されたままの状態とすることができる。また、第１導体及び第２導体には、これらの圧縮機の異なる動作期間中に異なる態様で給電することができ、第１導体及び第２導体は、絶縁されたままの状態とすることができる。また、第１導体及び第２導体は、圧縮機の動作中に定電圧発生装置に永続的に接続すること、又は圧縮機の動作中に可変電圧発生装置に永続的に接続することができる（通常、発生装置の電圧は、並進移動アセンブリの振動周期に対してゆっくり変化する）。このようなアキュムレータは、これらのピストンロッドの移動に対応する変化可能な電荷を蓄積し、キャパシタは従って、これらのピストンロッドの慣性エネルギーを貯蔵し、電荷を供給して、これらのピストンロッドの次の並進移動を駆動するように構成される。１つ以上のキャパシタの使用を、一定のバネ定数又は可変バネ定数を有することができる１つ以上のバネの使用と組み合わせることができる。
本発明の種々の実施形態のバネは、時間及び空間に対して一定のバネ定数を有することができ、これはヘリカルバネの最も普通の場合に対応していることは注目に値する；別の構成として、バネ定数は、時間軸で、及び／又は位置によって変えることができ、特にバネの長さに沿って変えることができる（すなわち、バネ定数は、バネの圧縮度合いによって異なる）。
可能な有利な実施形態によれば、圧縮機容量を、行程を長くし、作動時間を維持して、磁石位置の最適化を可能にすることにより変化させるように構成される容量可変式アキュムレータが提供される。例示したように、アキュムレータは、複数の選択可能な平行バネを有する弾性部材を備える。行程に使用されるバネの数は変えることができるので、バネ定数を変えることができ、従って行程長を変え、磁石位置を最適化することができる。
より一般的には、このようなアキュムレータは、第１ピストンロッド又は第２ピストンロッドのいずれかに接続される第１端部、及び第１ピストンロッド又は第２ピストンロッドのいずれかを基準として固定される第２端部を有するバネアセンブリを備えることができる。バネアセンブリは、複数のバネを含むことができ、このバネアセンブリのバネ定数は、調整可能とすることができ；これらのバネは、異なるバネ定数を有することができ、平行に配置して、選択的に作動するようにすることができる。別の構成として、バネアセンブリは、異なる長さを有する複数のバネを備えることができ、これらのバネは、異なる有効行程を有する（すなわち、並進移動可能なアセンブリの第１変位範囲では、第１バネ集合体が、並進移動可能なアセンブリに作用する、第２変位範囲では、第２バネ集合体が作用する、第３変位範囲では、第３バネ集合体が作用するなど）ように平行に配置される。「ａｒｒａｎｇｅｄ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ（平行に配置される）」という表現は、機能的観点で解釈されるべきであり；実際、これらのバネの軸線は、互いに対して平行とすることができる（限定的な場合として、一致させることもできる）、又は互いに対して傾けることができる。
本発明について、特定の実施形態を参照して説明してきたが、当分野の当業者であれば、本発明の範囲から逸脱しない限り、種々の変更を行い、等価物で置き換えることができることを理解できるであろう。更に、多くの変形を加えて、特定の状況又は材料を本発明による教示に、本発明の範囲から逸脱しない限り適合させることができる。従って、本発明は、開示される特定の実施形態に限定されるのではなく、かつ本発明は、添付の請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を包含する。
１０、２００ 圧縮機
１２、２１２ 第１ピストンロッド
１４、２１４ 第２ピストンロッド
１６、２１６ 軸線
２０ 第１駆動アセンブリ
２２、６２、２２２ ステータ
２４、６４ コア
３０、２３０ 第１アキュムレータアセンブリ
３２、２３２ 第１フランジ
３４ 第１弾性部材、共振バネ
３６、２１５、２３６ 開口部
３７、２３７ 第２弾性部材
３８、２３８ 第１ポスト
３９、２３９ 第２フランジ
４０、２４０ 圧縮アセンブリ
４１、２４１ ハウジング
４２、２４４ 第１圧縮ピストン、圧縮ピストン、第１ピストン、ピストン
４３、２４３ 中心圧縮室、圧縮室
４４ 第２圧縮ピストン、圧縮ピストン、第２ピストン、ピストン
４５、２４５ 第１圧縮室
４６、２４６ 第２圧縮室
４７、４８、４９、２４７、２４８、２４９ 入口／出口バルブ
５０、２５０ 第２アキュムレータアセンブリ
５２、２５２ 第３フランジ
５４、２５４ 第３弾性部材
５６、２５６ 第２ポスト
５７、２５７ 第４弾性部材
５８、２５８ 開口部
５９、２５９ 第４フランジ
６０ 第２駆動アセンブリ
２１４ 第２ピストンロッド
２１５ 近位開口部、開口部
２１８ 破線
２２０ 駆動アセンブリ
２２５ コイル
２２６ 第１コア
２２８ 第２コア、遠位開口部
２３４ 第１弾性部材
２４２ 第２圧縮ピストン、圧縮ピストン、ピストン
２４４ 第１圧縮ピストン、圧縮ピストン、ピストン
Ｆ1、Ｆ5、Ｆ13、Ｆ101、Ｆ105、Ｆ109、Ｆ113 起電力
Ｆ2、Ｆ6、Ｆ10、Ｆ14、Ｆ102、Ｆ106、Ｆ110、Ｆ114 加速力
Ｆ3、Ｆ7、Ｆ9、Ｆ11、Ｆ15、Ｆ103、Ｆ104、Ｆ107、Ｆ108、Ｆ111、Ｆ112、Ｆ115、Ｆ116 力
Ｆ4、Ｆ8、Ｆ12、Ｆ16 減速力

Claims (10)

  1. 往復動型圧縮機（２００）であって、
    内側面（２５０）を有し、かつ少なくとも１つの圧縮室を形成するハウジング（２４１）であって、前記ハウジング（２４１）が開口部（２６０）を有する、前記ハウジング（２４１）と、
    少なくとも１つの圧縮面を有する第１ピストン（２４２）であって、前記ピストンが、前記圧縮室内に摺動可能に配置される、前記第１ピストン（２４２）と、
    近位部（２６３）及び遠位部（２６４）を有する第１ピストンロッド（２１２）であって、前記近位部（２６３）が、前記開口部内に摺動可能に収容され、前記第１ピストンロッド（２１２）が、前記第１ピストン（２４２）に駆動可能に接続される、前記第１ピストンロッド（２１２）と、
    少なくとも１つの圧縮面（２６５）を、前記第１ピストン圧縮面に対向して有する第２ピストン（２４４）であって、前記第２ピストン（２４４）が、前記圧縮室内に摺動可能に配置される、前記第２ピストン（２４４）と、
    近位部（２６７）及び遠位部（２６６）を有する第２ピストンロッド（２１４）であって、前記近位部（２６７）が、前記第１ピストンロッド（２１２）内に摺動可能に収容され、前記第２ピストンロッド（２１４）が、前記第２ピストン（２４４）に駆動可能に接続される、前記第２ピストンロッド（２１４）と、
    前記第１ピストンロッド（２１２）の遠位部（２６４）に取り付けられる第１アクチュエータ（２２４）と、
    前記第２ピストンロッド（２１４）の前記遠位部（２６６）に取り付けられる第２アクチュエータ（２２６）と、
    を備え、
    前記第１及び第２ピストンロッド（２１２、２１４）は、前記圧縮室内を延びる並進移動軸線（２１６）を形成し、
    前記第１及び第２アクチュエータ（２２４、２２６）は、前記第１及び第２ピストン（２４２、２４４）を、前記圧縮室内で、前記並進移動軸線（２１６）に沿って駆動往復移動させるように構成される、
    往復動型圧縮機（２００）。
  2. 少なくとも１つのアクチュエータは、力発生装置及び力アキュムレータを備える、請求項１に記載の往復動型圧縮機（２００）。
  3. 前記アクチュエータはバネアセンブリを備え、前記バネアセンブリは、前記第１ピストンロッド（２１２）及び前記第２ピストンロッド（２１４）の一方のピストンロッドに取り付けられる第１端部、及び前記第１ピストンロッド（２１２）及び前記第２ピストンロッド（２１４）の一方のピストンロッドを基準として固定される第２端部を有し、前記バネアセンブリは、１つ以上のバネを備え、前記バネアセンブリのバネ定数は調整可能である、請求項１または２に記載の往復動型圧縮機（２００）。
  4. 前記バネアセンブリの少なくとも１つのバネは、前記バネの長さに沿って可変のバネ定数を有する、請求項３に記載の往復動型圧縮機（２００）。
  5. 前記バネアセンブリは、異なる長さを有し、かつ平行に配置されて異なる有効行程を有する複数のバネを備える、請求項３または４に記載の往復動型圧縮機（２００）。
  6. 前記ピストンロッドは、前記バネの共振周波数、及び前記バネの前記共振周波数の高調波のうちの一方に略一致する周波数で往復動するように構成される、請求項３から５のいずれかに記載の往復動型圧縮機（２００）。
  7. 前記アキュムレータはキャパシタを備え、前記キャパシタは、固定される第１導体と、前記第１及び第２ピストンロッド（２１２、２１４）の一方のピストンロッドに取り付けられる第２導体を有することにより、前記少なくとも１つのキャパシタは、可動プレートを有し、かつ可変静電容量を有する、請求項２に記載の往復動型圧縮機（２００）。
  8. 前記アクチュエータは、アーマチャ及び保持プレートを有するソレノイドを備え、前記保持プレートは、前記第１及び第２ピストンロッド（２１２、２１４）の一方のピストンロッドに取り付けられ、前記アーマチャは、前記第１及び第２ピストンロッド（２１２、２１４）の前記一方のピストンロッドを基準として固定される、請求項１から７のいずれかに記載の往復動型圧縮機（２００）。
  9. 前記ソレノイドアクチュエータは、前記並進移動軸線（２１６）に沿って並進移動するように構成される、請求項８に記載の往復動型圧縮機（２００）。
  10. 前記アクチュエータは、トラクタ及びコアを有するリニアモータを備え、前記コアは、前記第１ピストンロッド（２１２）及び前記第２ピストンロッド（２１４）の一方のピストンロッドに取り付けられ、前記トラクタは、前記第１及び第２ピストンロッド（２１２、２１４）の前記一方のピストンロッドを基準として固定される、請求項１から９のいずれかに記載の往復動型圧縮機（２００）。
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