KR100301548B1 - 자유피스톤단부위치리미터 - Google Patents

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윌리암 티. 베일
니콜라스 알. 반 데어 왈트
루우벤 제트. 운거
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윌리엄 티. 비일 ; 존 지. 크로포드
썬파워, 인코포레이티드
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Abstract

실린더(12)에서 밀봉되어 왕복 가능한 미스톤(14)을 구비하고, 피스톤의 대향 단부에서 경계지어지는 제 2 공간(20)으로부터 피스톤의 제 1 단부에 의해 경계지어지는 작업 공간(16)을 분리하는 형태의 자유 피스톤 기계용의 피스톤 단부 위치 리미터. 상기 작업 공간 및 제 2 공간은 평균 압력을 갖는 작업 유체를 포함한다. 제 1 밸브는 유체 저장조(25)와 작업 공간 사이에 연통하도록 접속되고 작업유체 압력이 평균 압력으로부터 한 방향으로 충분히 변화할 때만 개방되도록 되어있다. 제 2 위치 응답 밸브(30)는 저장조와 제 2 공간 사이에 접속되고 왕복 운동의 소정 단부 리미트에 도달한 피스톤에 반응하여 개방하기 위해 피스톤에 작동 가능하게 접속된다.

Description

자유 피스톤 단부 위치 리미터
대부분의 피스톤은 크랭크축에 연결된 커넥팅 로드와 같은, 견고한 기계적 링크에 연결되어 있기 때문에 소정의 단부 제한선(end limit)으로 한정된다. 그러나, 하나 이상의 자유 피스톤을 이용하는 많은 기계들이 알려져 있다. 자유 피스톤은 이러한 기계적 결합이 없이 실린더 내에서 왕복운동하기 때문에, 단부 제한선에 기계적으로 한정되지 않는다. 이러한 자유 피스톤은 전자기 리니어 모터에 의해 작동될 수도 있고, 예를 들어 가스 또는 다른 유체 압축기 또는 펌프에 사용될 수 있다. 자유 피스톤은 또한 자유 피스톤 스터얼링 엔진 및 저온 냉각기와 같은 자유 피스톤 스터얼링 사이클 장치 내에서 사용된다. 자유 피스톤은 하우징 내에 형성되어 있는 실린더 내에서 왕복운동한다. 상기 하우징은 통상적으로 피스톤의 한 단부에 의해 한정되는 작업공간과 피스톤의 반대편 단부에 의해 한정되는 제 2공간 또는 후면공간을 에워싼다. 상기 자유 피스톤은 평균 위치(mean position)로 부터 대향되는 방향으로 하사점(BDC) 위치와 상사점(TDC) 위치까지 왕복 행정을 형성한다. 평균 위치로부터의 이들 행정의 크기는 작업 요구, 부하 또는 가스 압력과 같은 기계의 작동 상태의 함수로서 변화한다. 평균 위치로부터의 피스톤의 변위는 대략 시간 또는 각도의 사인곡선(sinusoidal)함수이다. 피스톤 왕복운동의 크기는 평균 위치로부터 하사점 위치 또는 상사점 위치까지의 변위이다. 하사점 위치에서 상사점 위치까지의 거리가 상기 피스톤의 행정이다.
이러한 장치의 작동 상태 변화는 피스톤 행정의 크기 변화를 초래할 뿐만 아니라, 평균 위치의 변화 또는 접근(creep)을 초래하기도 한다. 평균 위치의 변화는 예를들어 시간에 따라 피스톤에 노출되는 압력이 비대칭적으로 번화하는 것과 그 결과로서 피스톤 밀봉부를 통해 작업유체가 비대칭적으로 누출됨으로 인해 발생할 수 있다.
통상적으로, 제 1 공간 또는 작업공간 및 제 2 공간 또는 후면공간의 체적은 시간에 따라 평균압력에 대한 유체 압력의 변화를 겪는다. 통상적으로, 시간함수에 따른 후면공간의 압력변화는 작업공간에서의 압력변화보다 작으며 보다 사인곡 선에 가깝다. 작업공간 내에서의 시간에 따른 비대칭 압력변화와 피스톤을 통과하는 비대칭 누출의 결과로, 한 공간으로부터 다른 공간으로, 더 일반적으로는 작업공간으로부터 제 2 또는 후면공간으로 작업유체의 순수 누출(net leakage)이 초래된다. 따라서, 비록 각각의 사이클 동안 미소 가스량이 한 방향으로 먼저 누출되고 이어서 다른 방향으로 누출된다고 할지라도, 대향 방향 각각에서의 누출은 통상적으로 동일하지 않기 때문에, 각 사이클 동안 한 공간으로부터 다른 공간으로 가스의 소규모 순수 이동(net transfer)이 초래된다. 상기 공간 사이의 이러한 가스이동은 점진적으로 축적되어 결국에는 자유 피스톤의 평균위치를 일단부 또는 타단부쪽으로 접근하게 하고, 통상적으로는 작업공간을 향하여 내측으로 접근하게 한다. 요약하면, 비록 제 1 및 제 2 공간 각각이 평균압력에 대하여 시간함수에 따른 압력 변화를 겪지만, 제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 향하는 방향에서의 순수누출은 제 2 공간으로부터 제 1 공간으로 향하는 대향방향으로 피스톤의 평균위치의 순수 이동 또는 접근을 초래한다.
요약하면, 제 1 및 제 2 공간이 각각 시간의 함수로 평균 압력에 대한 압력변화를 겪더라도, 상기 제 1 공간에서 상기 제 2 공간으로와 같은, 한쪽 방향으로의 순수 누출이, 제 2 공간에서 제 1 공간으로와 같은, 반대 방향으로의 피스톤의 평균 위치의 이동 또는 접근을 초래한다. 따라서, 비록 진동의 크기가 일정하게 유지된다 할지라도, 과도한 접근은 마침내 피스톤이 압축기의 밸브판, 스터얼링 엔진의 열교환기 또는 스터얼링 엔진의 디스플레이서(displacer)와 같은 제한 구조물과 부딪히게 할 수도 있다. 마찬가지로, 상기 평균위치가 변하지 않고 유지된다할지라도, 예를 들어 감소된 부하 요구(1oad demand)에 의해 초래되는 진동 크기의 증가는 상기와 같은 충돌을 똑같이 유발할 수 있다.
따라서, 피스톤과 다른 제한 구조물 사이에서 소정의 유극(clearance)을 유지하기 위하여 왕복운동 자유 피스톤의 단부 위치를 제한하는 단부 제한 구조물이필요하다. 예를 들어, 자유 피스톤 압축기에서 최대 압축비로 압축기를 작동시켜 결국 최대 효을을 얻기 위하여, 상기 피스톤은 최소 유극으로, 종종 수백분의 1 mm 정도로, 가능한 한 가깝게 밸브판에 접근하는 것이 바람직하다. 그러나, 밸브판과의 충돌에 의한 상기 장치의 파손을 피하도록 피스톤이 밸브판 쪽으로 더 이동할 수 없게 하는 것이 또한 필요하다. 이와는 달리, 자유 피스톤의 단부 위치를 제한하는 것은 때때로 열역학적인 이유 때문에 바람직하다.
본 발명의 또 다른 목적 및 특징은, 크고 작은 냉매 유량에 대한 요구, 냉매의 압력 변화 또는 스터얼링 엔진에 의한 크고 작은 작업요구 또는 스터얼링 냉각기에 의한 높거나 낮은 열 펌핑율의 요구 등과 같은, 작동상태의 변화에 따른 광범위한 왕복운동 피스톤의 평균 위치에 걸쳐서, 그리고 광범위한 피스톤 왕복운동의 크기 또는 행정에 걸쳐서 피스톤 위치에 대한 단부 제한선을 유지하는 것이다.
본 발명은 일반적으로 압축기와 스터얼링 사이클 엔진 및 냉각기 등의 실린더 내에서 자유롭게 왕복운동하는 피스톤을 갖는 장치에 관한 것이며, 특히 상기 왕복운동하는 자유 피스톤의 이동의 단부 위치를 제한하기 위한 기계구조에 관한 것이다.
제1도는 작업공간을 향한 피스톤의 내향 이동을 제한하는, 본 발명의 일실시예인 자유 피스톤 압축기의 개략도이고,
제2도는 자유 피스톤 스터얼링 엔진의 작업공간을 향한 동력 피스톤의 내향 이동을 제한하는 본 발명의 일실시예의 개략도이고,
제3도는 피스톤을 통한 중간 포트를 포함하고 있는 장치에 의해 제한되는 단부 위치를 갖춘 피스톤의 개략도이고,
제4도는 피스톤을 통한 중간 포트에 의해 제한되는 작업공간으로부터 이격되도록 외향 이동하는 자유 피스톤의 개략도이고,
제5도는 체크밸브를 사용하지 않은 본 발명의 일실시예에 의해 제한되는 피스톤의 단부 위치를 갖는 압축기의 개략도이고,
제6도는 위상각 또는 시간의 함수로 제5도의 실시예의 피스톤의 변위를 도시한 오실로그램이고,
제7도는 위상각 또는 시간의 함수로 제5도의 실시예의 작업공간 내의 압력을 도시한 오실로그램이고,
제8도는 본 발명과 관련하여 압축기의 흡입챔버를 동시에 부가적으로 이용하는 압축기 및, 현저하게 큰 압력 변화율에도 불구하고 단부 위치 제한선을 유지하기 위해 본 발명과 함께 사용하기 위한 추가 구조물을 도시한 본 발명의 다른 대안적 실시예이고, 그리고
제9도는 왕복운동하는 피스톤의 위치의 이동을 작업공간을 향한 내측의 단부 제한선까지 제한하기 위한 본 발명의 다른 구조적 구성요소를 도시한 도면이다.
본 발명에서, 제 1 밸브는 유체 저장조 및 제 1 공간 사이에 연결된다. 제 1 밸브는 제 1 공간 내의 작업유체의 압력이 그것의 평균압력으로부터 한 방향으로 충분히 변화될 때, 즉 작업유체의 압력이 평균압력보다 층분히 크거나 작을 때에만 개방된다. 제 2 위치-반응 밸브는 상기 저장조에 연속 개방식으로 유통가능한 상태로 연결되고, 또한 제 2 공간에 연결된다. 제 2 위치-반응 밸브는 개방시, 제 2공간에 상기 저장조를 연결한다. 상기 제 2 밸브는 피스톤이 왕복운동의 소정의 단부 제한선에 도달하는 것에 반응하여 제 2 공간을 상기 저장조에 연결하도록, 제2 밸브를 개방시키기 위하여 피스톤에 작동 가능하게 결합된다.
후술하는 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 명확성을 위하여 특정 용어가 사용될 것이다. 그러나, 이와같이 선택된 특정 용어에 의해 본 발명이 제한되지 않으며, 각각의 특정 용어들은 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술적 균등물을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 상기 특정 용어들에 연관된 어휘 또는 그와 유사한 용어들을 상세한 설명에서 종종 사용하였다. 이들은 직접적인 연관성에만 제한되지 않고, 우회적인 다른 방법을 통하여 당업자에 의해 균등물로 인식되는 연관성 또한 포함한다.
통로, 포트, 챔버, 피스톤, 하우징 및 다양한 밸브 등과 같은 본 발명의 물리적 구성은 모두 종래 기술에서 주지되어 있으므로, 본 발명의 다양한 실시예가 도면에서 개략적으로 도시되어 있다. 또한, 본 발명의 구조물은 결합되는 기계장치의 매우 일부분에만 관련되므로, 기계장치의 공지되어 있는 다른 세부사항들은 설명되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예를 도시한 도면이다. 본 실시예는 실린더(12)를 갖춘 하우징(10)과 실린더(12) 내에서 밀폐상태로 왕복운동하는 피스톤(14)을 갖고 있다. 하우징(10)은 피스톤(14)의 제 1 단부(18)에 의해 한정되는 작업공간(16)을 에워싼다. 작업공간(16)은 가스가 흡입된 후에 압축되는 체적이다. 하우징(10)은 또한 피스톤(14)의 제 2 단부(21)에 의해 한정되는, 때때로 후면공간 또는 외부체적으로 불리는 제 2 공간(20)을 갖는다. 피스톤(14)은 커넥팅로드(24)에 의해 피스톤에 연결된 전자기 리니어 모터(22)에 의해 왕복형태로 구동된다. 리니어 모터(22)는 커넥팅로드(24)에 장착된 내부 영구자석을 왕복 형태로 구동시키기 위해 시변적 전위가 인가되는 통상적인 전자기 리니어 모터이다.
유체 저장조(25)는 체크밸브인 제 1 밸브(26)를 통해 작업공간(16)에 연결된다. 체크밸브(26)는 작업공간(16)으로부터의 작업유체의 압력이 작업공간(16) 내의 평균압력보다 훨씬 낮을 때에만 개방된다. 도 1에서, 제 1 밸브가 체크밸브이기 때문에, 작업공간 압력이 저장조(25)내의 압력보다 더 낮을 때마다 개방된다. 따라서, 제 1 밸브(26)는 사이클 도중에 저장조(25)를 작업공간(16)의 평균압력 이하의 압력으로, 바람직하게는 거의 최소 작업공간 압력으로 유지한다.
저장조(25)는 또한 통로(28)를 통해 실린더(12)의 벽을 관통하는 포트(30)에 연결되어서 실린더(12) 내로 개방된다. 피스톤(14)이 소정의 내향 단부 제한선에 도달할 때 포트(30)가 피스톤(14)과 떨어지게 되어 덮이지 않고 제 2 공간에 노출되도록 하는 위치에, 포트(30)가 실린더 벽을 따라 배치된다. 도 1의 실시예에서, 포트(30)는 피스톤(14)이 도시된 상사점(TDC) 제한선에 도달할 때 노출된다. 상사점 제한선은 밸브판 또는 밸브 헤드를 나타내는 단부벽(31)으로부터 소정의 유극(clearance)만큼 이격된다. 예를 들어, 포트(30), 또는 상기 포트와 결합된 슬롯 또는 홈은 0.3mm의 축방향 치수를 가질 수 있다. 상기 포트 또는 슬롯의 시작부가 단부벽(31)과의 층돌 위치로부터 「0.05mm 十 피스톤 길이」 만큼 이격되도록, 상사점 위치로부터 단부벽(31)까지의 유극은, 예를 들어 0.05mm일 수 있다.
출원인의 용어 약정에서, 작업공간으로 내향하는 피스톤 운동은 피스톤의 내향운동으로 칭하고, 피스톤의 최내부 위치는 내부 제한선(in limit)으로 칭한다. 유사하게, 제 2 공간(20)을 향한 운동은 외향운동으로서 칭하고 상기 외향운동의 제한선은 외부 제한선(out limit)으로 칭한다.
저장조(25)는 도 1의 압축기에 의해 압축되는 유체의 공급원(29)에 결합될 수 있으며 결국, 본 발명에 따른 저장조와 압축기의 저압 흡입 챔버로서 동시에 사용될 수 있다. 결국, 압축되기 위해 작업공간(16) 내로 유입되는 가스는 또한 체크밸브(26)를 통해 유입된다. 그 다음에, 압축된 가스가 체크밸브(32)를 통해 통상적인 방법으로 배출된다. 그러나, 대안적으로 저장조(25)는 상기한 본 발명의 내부 제한 목적(in limit purpose)을 위해 사용될 수 있으며, 체크밸브(34)를 통한 대안적인 투입력 연결부가 종래의 방법으로 제공될 수도 있다.
도 1의 실시예의 작동에서, 저장조(25)는 작업공간(16)의 평균압력 이하의 비교적 낮은 압력으로 유지되고, 바람직하게는 피스톤의 왕복운동 동안 작업공간(16)이 도달하는 최저압에 가깝게 유지된다. 만일 피스톤이 도 1에서 도시된 상사점 단부 제한선에 도달하지 않으면, 포트(30)는 전체 싸이클 동안 덮여진 채로 있으며, 저장조(25)는 저압으로 유지된다. 피스톤(14)이 상사점 내부 제한선에 도달하는 경우, 포트(30)는 노출되며 작업유체는 제 2 공간(20)으로부터 통로(28)를 통해 저장조(25) 내로 유입되는데, 그 이유는 저장조(25)가 체크밸브(26)에 의해 층분한 저압으로 유지되기 때문이다. 작업공간 내부 압력변화의 폭이 제 2 공간 내부 압력변화의 폭을 훨씬 초과하며, 저장조가 최소 작업공간 압력에 가깝게 유지되기 때문에, 저장조(25)내의 압력은 제 2 공간 내부 압력보다 충분히 낮다. 포트(30)의 상기 노출은 제 2 공간(20)으로부터 유체의 일부를 제거하고 결국 피스톤(14)의 평균위치를 바깥쪽으로 이동시킨다. 피스톤이 왕복운동을 하고 단부 제한선에 이르는 각각의 순간에, 미소량의 유체가 제 2 공간(20)으로부터 저장조(25)내로 이동되고 궁극적으로는 작업공간(16) 내로 유입된다. 포트(30)가 축 방향으로 한정된 직경 또는 다른 축방향 치수를 갖기 때문에, 피스톤이 상사점 내측 단부 제한선에 도달하기 시작할 때 포트(30)는 단지 부분적으로 노출될 것이다. 후속되는 각각의 왕복운동 동안에, 제 2 공간에서 저장조로 그리고 저장조에서 작업공간으로의 각 사이클 동안에 층분한 유체의 이동에 의한 평형이 달성될 때까지 피스톤은 포트를 좀더 점진적으로 노출시킬 수 있다.
협동하는 포트(30)와 피스톤(14)은 스풀 밸브로서의 기능을 하며, 스풀 밸브에 대한 통상적인 방법으로, 피스톤 또는 실린더 내에 포트(30)와 소통하는 홈이 제공될 수 있다. 대안적으로, 상기 스풀 밸브는 피스톤에 직접 형성되기보다는 분리구조로 형성될 수 있고, 적절한 기계적 연결에 의해 피스톤에 연결될 수 있다.
마찬가지로, 도 1에 도시된 스풀 밸브 장치대신 다른 밸브가 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 작동 밸브는 피스톤이 선택된 단부 제한선에 이르게 될 때 전기 밸브가 개방되도록, 스위치에 연결된 이동 피스톤 상의 돌출부에 기계적으로 연결되어 사용될 수 있다. 그러나 이러한 전기 밸브는 불필요하게 복잡한 것으로 여겨진다.
도 2는 도 1의 발명이 엔진 또는 냉각기와 같은 자유 피스톤 스터얼링 장치에 적용된 형태를 도시한 것이다. 도 2의 자유 피스톤 스터얼링 장치는 공지되어 있는 통상적인 방법으로 하우징(46) 내에 형성되어 있는 실린더(44) 내에서 자유롭게 왕복운동하는 왕복 동력 피스톤(40)과 디스플레이서(42)를 갖고 있다. 스터얼링 장치는 동력 피스톤(40)에 의해 분리된 통상적인 작업공간(48)과 제 2 공간(50)을 갖고 있다. 또한, 통상적인 측열장치(52)를 갖고 있다. 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 피스톤(40)의 제 1 단부(62)가 선택된 TDC 제한선에 이르게 될 때 피스톤(40)의 제 2 단부(60)에 의해 덮이지 않도록 위치되는 포트(58)에, 저장조(54)가 통로(56)를 통하여 연결된다. 저장조(54)는 또한 체크밸브(64)를 통해 작업공간(48)에 연결된다. 상기 작업공간(48)은, 자유 피스톤 스터얼링엔진 장치분야에서 공지된 바와 같이, 축열장치(52)를 통해 소통되는 디스플레이서(42)의 양 측면의 요소 부분으로 연장된다.
도 2에 도시된 통상적인 자유피스톤 스터얼링 장치의 작동시, 작업공간(48)은 동력 피스톤(40)과 디스플레이서(42)가 실린더(44) 내에서 왕복운동할 때 시간의 함수로 압력 변화를 겪는다. 이에 따라서, 저장조(54)는 체크밸브(64)를 통해 빠져나가는 유체에 의해 작업공간(48)의 최소 압력에 거의 근접한 압력에서 유지된다. 상기 동력 피스톤(40)이 작업공간 쪽으로 내향하여 충분히 접근하여 포트(58)가 상기 피스톤의 상사점 최내측 왕복 행정위치에서 노출되면, 가스가 제 2 공간(50)으로부터 도 1에 도시된 것과 동일한 방법으로 저장조(54)로 유도된다. 결국, 제 2 공간(50)으로부터 가스를 제거하고 그리고 동일한 가스를 작업공간(48)에 부가함으로써 TDC 제한선을 넘는 피스톤 행정은 방지된다.
도 3은 포트가 이 포트를 지나가는 피스톤의 실제 물리적 단부 또는 스커트에 의해 덮이지 않도록 하는 것이 반드시 필요하지는 않음을 도시하고 있다. 도 3에서 중공 피스톤(70)이 하우징(74)에 형성된 실린더(72) 내에서 왕복운동한다. 상기 하우징은 또한, 피스톤(70)에 의해 분리되는 작업공간(76)과 제 2 공간(78)을 형성한다. 도 1과 2에서와 같이, 저장조(80)는 체크밸브(82)를 통해 작업공간(76)에 연결되고 그리고 또한 통로(84)에도 연결된다. 그러나 도 3의 실시예에 있어서, 통로는 중공 피스톤(70)의 벽을 통해 포트(88)와 정합되는 실린더(72)내의 포트(86)에서 종료한다. 결국, 도 3의 실시예는, 포트를 개방시키고 이를 피스톤(70)내의 포트(88)를 통해 제 2 공간으로 노출시킴에 의해 도 1 및 2의 실시예에서 피스톤 위치가 제한되는 방법과 유사한 방법으로, 소정의 TDC 제한선까지로 피스톤(70)의 운동을 제한한다.
도 4는 본 발명이 또한 피스톤의 최외부 위치를 제한하는데 사용될 수도 있음을 도시하고 있다. 도 4에서 중공 피스톤(90)은 하우징(94)에 형성된 실린더(92)내에서 왕복운동된다. 또한 하우징(94)은 작업공간(96)과 제 2 공간(98)을 형성한다. 저장조(100)는 체크밸브(102)를 통해 연결되며 통로(104)에도 연결된다. 통로(104)는 전술한 실시예들과 유사한 방법으로 실런더 내에 형성된 포트(106)에서 종료된다. 또한 피스톤(90)이 소정의 BDC 외부 제한선에 이르게 될 때 실린더의 포트(106)와 정합되도록, 보어 또는 포트(108)가 중공 피스톤(90)의 벽을 관통하여 제공된다. 도 4에 있어서, 체크밸브(102)는 저장조(100)가 저압보다는 고압에서 유지되도록 도 1-3의 체크밸브와는 반대로 향하게 된다. 저장조(100)는 작업공간(96)과 제 2 공간(98)의 평균압력 이상의 압력에서 유지된다.
도 4의 실시예의 작동시, 만약 왕복 피스톤(90)이 포트(108)가 포트(106)와 정합되도록 충분히 멀리 왕복운동되지 않는다면, 포트(106)는 전체 싸이클이 진행되는 동안 피스톤(90)의 스커트(skirt)에 의해 덮이게 된다. 저장조(100)는 작업공간 최대 압력인 비교적 고압에서 유지된다. 그러나, 만약 피스톤(90)이 포트(106)가 피스톤 포트(108)에 의해 노출되도록 움직인다면, 유체는 저장조(100)로부터 통로(104)를 통해, 제 2 공간(98)으로 흐를 수 있다. 따라서, 제 2 공간(98)으로의 이러한 가스 전달은 피스톤이 작업공간(96)으로부터 더 바깥으로 움직이는 것을 방지한다.
그러므로, 제한선을 제공하기 위하여, 저장조는 작업공간 또는 제 2 공간의 평균압력 보다 낮은 비교적 저압으로 저장조를 유지하도록 체크밸브(82) 등의 밸브를 통해 연결되어야만 한다. 외부 제한선을 유지하기 위하여, 밸브(102) 등의 밸브는 저장조(100) 등의 저장조를 비교적 고압으로 유지하도록 배열되어야만 한다.
도 5-7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있으며, 저장조와 작업공간 사이에 연결된 제 1 밸브는 도 1-4에 예시된 바와 같은 체크밸브로 한정되는 대신에 스풀밸브와 같은 다른 타입의 밸브일 수도 있다. 나아가, 이것은 앞서 도시된 바와 동일한 타입인 스풀밸브가 될 수 있다. 상술한 바와 같은 제 1 밸브는 작업 유체 압력이 평균압력으로부터 한 방향으로 충분히 변할 때에만 개방되어야 한다. 예를 들어, 내부 제한선을 설정하기 위하여, 제 1 밸브는 작업유체 압력이 평균압력보다 더 낮게 될 때 개방되어야 한다.
도 5에 있어서, 피스톤(110)은 하우징(114)에 형성된 실린더(112)내에서 왕복운동한다. 또한, 하우징(114)은 제 2 공간(116) 및 작업공간(118)을 형성한다. 도 5의 실시예는 유체를 유입하기 위해 저장조(122)에 연결된 흡입부(120)를 갖춘 압축기이다. 저장조(122)는 전술한 실시예에 관하여 기술된 방법으로 실린더(112)를 관통하는 통로(124)를 통해 포트(126)로 연결된다. 도 1-4에 예시된 체크밸브 대신에, 저장조(122)는 실린더(112)의 벽을 관통하는 통로(128)를 통해 제 2 포트(130)로 또한 연결된다. 제 2 포트(130)는 피스톤이 피스톤(110)의 제 1 단부(132)의 평균 위치를 지나 작업공간으로부터 외향으로 소정의 거리에 위치될 때 피스톤에 의해 덮이지 않고 작업공간에 노출되는 위치에 위치된다. 이러한 포트 위치는 저장조(122)가 작업공간(118) 내의 유체의 압력 싸이클 중에서 저압부분 동안에만 통로(128)를 통해 작업공간(118)으로 연결되는 것을 보장한다. 가스는 압축부분의 싸이클을 행하는 동안 체크밸브(134)를 통해 가스가 펌핑되어 나오도록 피스톤에 의해 작업공간 내로 유입된다. 전술한 실시예와 같이, 단부 제한 포트(126)는 피스톤이 TDC 제한선에 도달할 때 노출되도록 위치된다. 또한, 전술한 실시예에서와 같이, 포트(126)의 노출은 제 2 공간(116)으로부터 저압 흡입 저장조(122)로 유체를 뽑아내서 유체를 제거하여 작업공간(118) 쪽인 내측으로 피스톤(110)의 평균 위치가 더 이동하는 것을 방지한다.
도 6은 대략적으로 사인 모션인, 시간 또는 위상각의 함수로서 피스톤(110)의 빈위를 도시하고 있다.
도 7은 도 6의 피스톤의 변위와 관련된 시간 또는 위상각의 함수로서, 작업공간(118) 내에서의 압력 변화를 도시하고 있다. 상기 피스톤이 피스톤의 평균 위치로부터 상사점 쪽으로 이동할 때, 상기 압력은 배기 체크밸브(134)가 개방될 때까지 곡선(A)을 따라 증가한다. 체크밸브(134)가 개방된 후에, 압축된 유체가 압축기의 작업공간(118)을 빠져나가는 동안 짧은 일정 압력 구간이 발생한다. 상기 피스톤이 상사점 위치를 지나서 외측으로 이동하기 시작할 때, 상기 작업공간(118)내에서의 압력 감소로 인해 배기 체크밸브(134)가 폐쇄되고 상기 작업공간(118)내의 압력은 곡선(B)을 따라 감소한다. 지점(C)에서 상기 포트(130)가 노출되면, 상기 작업공간 내의 압력은 저장조(122)의 흡입 압력까지 증가하고, 상기 피스톤(11O)이 하사점 위치에 도달하여 지점(D)에서 내측으로 이동하기 시작할 때까지 상기 압력으로 유지된다. 그 후, 상기 압력은 곡선(A')을 따라 작업공간(118) 내에서 연속적으로 증가하며 그런 다음 상기 싸이클을 반복한다.
도 8은 내부 제한 포트에 대한 또 다른 포트의 배열을 도시한다. 본 실시예에서는 상기 포트가 도 1에 도시한 방법으로 피스톤의 실제 물리적 단부에 의해 노출되거나 도 3에 도시한 방법으로 피스톤을 관통하는 포트에 의해 노출될 필요없이, 상기 포트는 피스톤 상에 형성된 하부 절결부에 의해 노출될 수 있음을 나타낸다. 도 8에서, 피스톤(140)은 실린더(142) 내에서 왕복운동한다. 예컨대 기능적으로 도 1의 포트(30)의 역할을 수행하는 단부 제한 포트(144)는 피스톤(140)에 형성된 하부 절결부(146)와 정합상태가 된다. 결과적으로, 포트(144)는 하부 절결부(146)와 실린더(142)의 벽 사이의 공간을 통해 제 2 공간(148)과 연결된다.
도 9는 본 발명을 구현한 압축기의 일부를 도시한 것이다. 피스톤(150)은 실린더(152) 내에서 왕복운동한다. 다수의 영구 자석(156,158)이 스파이더(spider)(154)에 의해 피스톤(150)에 장착된다. 이들 영구 자석은 전기 권선(164)을 포함하는 극부품(pole pieces)(160,162) 내부에서 왕복운동한다. 실린더(152)의 외면 주위에 고정된, 저 자기저항(low reluctance) 강자성 원통형 부품(165)은 상기 극부품(160, 162)으로부터 대향하는 자석(156, 158)의 측면상에 저 자기저항의 자기 통로를 제공한다. 상기 자석과 더불어, 극부품, 원통형 부품 및 권선들은 피스톤을 왕복운동시키는 리니어 모터를 형성한다. 또한, 소정의 작동 주파수에서 공명 왕복운동을 제공하기 위해 스프링(166)이 피스톤에 장착된다. 스프링(166)은 중앙부가 피스톤(150)에 그리고 주변부가 하우징(180)에 부착되는 통상적인 다수의 평판 스프링 층이다. 제 1 작업공간(168)은 피스톤의 제 1 단부(170)에 형성되고 제 2 후면공간(172)은 하우징(180)의 나머지 부분에 형성된다. 종래의 밸브판과 매니폴드(184)는 실린더(152)의 단부에 장착되고 작업공간(168)으로부터 상기 매니폴드(184)의 내측으로 그리고 배기 라인(186)의 바깥으로 압축 유체를 통행시키기 위한 (내측에 있어 보이지 않는) 체크밸브를 포함한다. 흡입 챔버(188)는 하우징(180)의 내측에서 매니폴드(184)를 에워싸고 있으며 흡입 라인(190)에 의해 저압 유체를 유입하는 공급원에 연결된다.
작업공간(168)을 향한 내측으로의 피스톤(150) 운동은 실린더(152)의 외측단부 근처에 단부 제한 포트(192)를 제공함으로써 제한된다. 포트(192)는 실린더(152)의 내측으로 형성된 통로(194)에 의해 흡입 챔버(188)에 연결된다. 본 실시예에서, 포트(192)는 도 8과 관련하여 도시한 바와 같이, 하부 절결부(196)에 의해 제 2 공간에 개방 및 노출되도록 위치된다. 본 실시예에서, 또한 흡입 챔버(188)는 피스톤(150)이 그의 한계점으로 내측을 향해 이동하고 전술한 방식으로 제 2 공간(172)으로부터 상기 흡입 챔버 내로 가스를 배출시키도록 포트(192)를 개방하는 경우, 유체를 제 2 공간으로부터 배출시키기 위한 본 발명의 저장조로서의 기능을 한다.
본 발명의 실시예들이 갖는 하나의 단점은 상기 피스톤이 상사점 위치에 있동안에 포트(192) 등의 포트가 짧은 순간 동안만 개방되기 때문에, 단부 제한선을 초과하는 피스톤의 운동을 방지하기 위해서 제 2 공간으로부터 유체를 회수하는 작동이 더디다는 점이다. 그러므로, 갑작스럽게 또는 일시적으로 흡입 압력이 변경되는 경우에 제 2 공간으로부터 저장조로 유체를 급속히 이동시킬 수 있도록 할필요가 있다. 그러한 급속 펌핑은 도 9의 가상선 내에 있는 이퀄라이저(200)에 의해 성취된다.
상기 이퀄라이저(200)는 흡입 챔버(188)와 제 2 공간(172)사이의 소통을 위해 연결된 제 3 밸브를 가진다. 사실상, 이와 같은 이궐라이저의 제 3 밸브는 포트(192)가 개방될 때 통로(194)와 포트(192)에 의해 제공되는 통로와 (개략적인 회로의 방향으로) 평행한 고속의 유체흐름을 제공한다. 밸브 작동기는 소정의 압력 변화율을 초과하는, 흡입 챔버(188) 내의 압력 변화율에 응답하여 제 3 밸브를 개방하도록 제 3 밸브와 연결되어 있다.
더욱 상세하게는, 이퀄라이저(200)는 하우징(202)을 갖추고 있다. 상기 밸브 작동기는 하우징(202) 내에 장착되어 있으며 챔버(206)를 에워싸는 다이아프램(204)을 포함한다. 나선형 스프링(208)은 밸브 시트(212)에 대하여 밸브(210)를 샹향으로 밀봉 유지하도록 상기 다이아프램(204)을 상향으로 편향시킨다. 챔버(206)는 챔버(206)와 흡입 챔버(188) 사이를 소통하는 소형의 유동 제한 오리피스(214)를 제외하고 밀봉되어 있다. 상기 다이아프램(204) 아래의 공간은 유동 제한 오리피스가 아닌 개구(216)에 의해 상기 흡입 챔버(188)에 연결되어 있다.
이퀄라이저(200)의 정상 작동중, 상기 다이아프램(204)의 양면은 동일 압력, 즉 흡입 압력에 노출된다. 스프링(208)은 밸브 시트(212)에 대하여 상기 밸브(210)를 편향시키기에 충분한 힘을 발휘하고 흡입 챔버(188)와 제 2 공간(172)사이의 소통을 방지한다. 상기 이퀄라이저 챔버(206)는 상기 오리피스(214)를 통한 상기 흡입 챔버와의 장기간의 소통의 결과로서 흡입 압력으로 된다.
그러나, 흡입 챔버(188) 내의 갑작스런 또는 일시적인 압력 감소의 경우에, 이퀄라이저 챔버(206)내의 압력은 챔버(206)내의 가스가 예컨대, 0.2mm의 직경을 갖춘 유동 제한 오리피스를 통해 급속하게 방출될 수 없기 때문에, 급격히 변화하지 않는다. 결국, 흡입 압력의 급격한 감소에 의해 이퀄라이저 챔버(206)내에 고압을 초래하여 스프링의 편향을 극복하고, 밸브(210)를 밸브 시트(212)로부터 하방으로 낮추도록 다이아프램(204)을 이동시키고, 밸브(210)를 개방시켜서 가스가 제 2 공간(172)으로부터 이퀄라이저 및 큰 개구(216)를 통해 흡입 챔버(188)로의 유동하는 것을 허용한다. 이는 비교적 다량의 유체가 제 2 공간(172)으로부터 흡입 챔버(188) 내로 전달될 수 있게 함으로써, 피스톤의 주기적인 작동동안에 피스톤(150)이 내측으로 더 이동하는 것을 방지한다. 그러나, 오리피스(214)를 통한 유동율을 결정하는 오리피스(214)의 크기에 의해 결정되는 짧은 시간 지연 이후에, 이퀄라이저 챔버(206) 내의 압력이 감소되어, 다이아프램을 횡단하는 압력차가 감소하고 스프링은 상기 압력차를 극복하며 밸브(212)를 폐쇄한다.
그러므로, 피스톤(150)의 단부 위치는, 피스톤 주위에서 작업공간(168)으로 부터 제 2 공간(172)으로 점진적인 방식으로 유체가 천천히 누출되는 것에 무관하게, 내측으로의 이동이 제한될 뿐만 아니라, 갑작스런 또는 일시적인 흡입 압력의 변화의 경우에도 제한된다.
이상 본 발명의 양호한 실시예에 대해 상세히 설명하였으나, 본 발명의 사상 또는 하기의 특허청구범위의 범주로부터 이탈함이 없이 다양한 변형이 채용될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (14)

  1. 하우징을 구비한 자유 피스톤 장치에 사용되는 피스톤 단부 위치 리미터로서,
    상기 하우징은 실린더 및 상기 실린더 내에서 밀봉식으로 왕복운동 가능한 피스톤을 갖추고 있고, 상기 하우징은 상기 피스톤의 제 1 단부에 의하여 한정되는 제 1 공간과 상기 피스톤의 반대쪽 제 2 단부에 의하여 한정되는 제 2 공간을 둘러싸고 있으며, 상기 제 2 공간은 평균압력을 갖는 작업유체를 수용하고 있고, 상기 제 1 공간은 상기 평균압력으로부터 양 방향으로 점진적으로 변화하는 압력을 갖는 작업유체를 수용하고 있으며,
    상기 피스톤 단부 위치 리미터는,
    (a) 유체 저장조,
    (b) 상기 저장조와 상기 제 1 공간의 사이에서 소통가능하게 연결되어 있는 제 1 밸브, 및
    (c) 상기 저장조와 연속적으로 유체 소통이 가능하게 연결되어 있고, 상기 제 2 공간에 연결되어 있는 제 2 위치 반응 밸브를 포함하며, 그리고
    상기 제 1 밸브는 상기 제 1 공간 내의 작업유체 압력이 상기 평균압력으로 부터 한 방향으로 충분히 변화할 때만 개방되도록 구성되며,
    상기 제 2 밸브는 상기 피스톤이 그 왕복운동의 소정의 단부 제한선에 도달하는 것에 반응하여 상기 제 2 공간을 상기 저장조에 연결하게끔 개방되도록 상기 피스톤에 작동 가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 밸브가 상기 실린더 내로 개방되는 포트를 포함하고 있으며, 상기 포트는 상기 저장조와 연결되어 있고, 상기 피스톤이 상기 제 1 공간으로부터 외측으로 소정의 거리에 위치될 때 상기 포트는 상기 피스톤에 의해 막히지 않고 상기 제 1 공간에 노출되는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 장치가 압축기이고, 상기 포트가 상기 압축기에 상기 피스톤의 평균 위치를 지나서 흡입 포트를 형성하도록, 작업유체 공급원과도 연결되는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 밸브는 상기 제 2 공간의 평균압력보다 낮은 압력으로 상기 저장조를 유지하도록 상기 저장조로부터 상기 제 1 공간으로의 유체 유동을 허용하는 체크밸브이고, 상기 소정의 단부 제한선은 상기 제 1 공간의 내향으로 왕복운동하는 피스톤의 제한선인 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 밸브가 상기 저장조로부터 상기 실린더로 개방되는 포트로 소통되는 통로를 포함하고 있으며, 상기 포트는 상기 소정의 단부 제한선에 도달했을 때 피스톤에 의해 막히지 않고 상기 제 2 공간에 노출되는 위치에서 상기 실린더의 벽을 관통하는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 포트는 상기 소정의 단부 제한선에 도달했을 때 상기 피스톤의 제 2 단부를 지나서 위치되는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 장치는 압축기이고, 상기 체크밸브는 상기 압축기의 흡입 체크밸브이고, 그리고 상기 유체 저장조는 상기 압축기의 흡입 저장조인 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 장치는 스터얼링 사이클 장치이고, 상기 제 1 공간은 디스플레이서를 갖춘 상기 장치의 작업공간인 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 밸브는 상기 제 2 공간의 평균압력보다 높은 압력으로 상기 저장조를 유지하도록 상기 제 1 공간으로부터 상기 저장조로의 유체 유동을 허용하는 체크밸브이고, 상기 소정의 단부 제한선은 상기 제 1 공간으로부터 외향으로 왕복운동하는 피스톤의 제한선인 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 밸브가 상기 저장조로부터 상기 실린더로 개방되는 포트로 소통되는 통로를 포함하고 있으며, 상기 포트는 상기 소정의 단부 제한선에 도달했을 때 피스톤에 의해 막히지 않고 상기 제 2 공간에 노출되는 위치에서 상기 실린더의 벽을 관통하는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  11. 제 1 항에 있어서, 저장조 압력의 시간에 대한 소정의 변화율에 반응하는 이퀄라이저를 더 포함하고, 상기 이퀄라이저는 상기 저장조와 제 2 공간 사이의 소통을 위해 연결되어 있는 제 3 밸브와 상기 제 3 밸브에 연결되어 있어서 상기 저장조 압력 변화의 시간율에 반응하여 상기 소정의 변화율을 초과할 때 상기 제 3 밸브를 개방하는 밸브 작동기를 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 밸브 작동기는, 상기 제 3 밸브에 연결되어 있고 상기 밸브를 밀폐시키기 위해 편향되는 다이아프램을 포함하며, 상기 다이아프램은 제 1 측부와 대향 제 2 측부를 갖추고 있고, 상기 제 1 측부상의 압력이 상기 제 2 측부상의 압력을 상기 편향을 극복하기에 충분하게 초과하는 것에 반응하여 상기 제 3 밸브를 개방시키기 위하여 제 3 밸브에 연결되어 있고, 상기 다이아프램의 제 1 측부는 유동을을 제한하는 구속부를 통해 상기 저장조로 통기되는 챔버에 노출되고, 그리고 상기 다이아프램의 제 2 측부는 저장조에 대한 구속부 없이 통기되는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  13. 하우징을 구비한 자유 피스톤 장치에 사용되는 피스톤 단부 위치 리미터로서,
    상기 하우징은 실린더 및 상기 실린더 내에서 밀봉식으로 왕복운동 가능한 피스톤을 갖추고 있고, 상기 하우징은 상기 피스톤의 제 1 단부에 의하여 한정되는 제 1 공간과 상기 피스톤의 반대쪽 제 2 단부에 의하여 한정되는 제 2 공간을 둘러싸고 있으며, 상기 제 2 공간은 평균압력을 갖는 작업유체를 수용하고 있고, 상기 제 1 공간은 상기 평균압력으로부터 양 방향으로 점진적으로 번화하는 압력을 갖는 작업유체를 수용하고 있으며,
    상기 피스톤 단부 위치 리미터는,
    (a) 유체 저장조,
    (b) 상기 저장조와 상기 제 1 공간의 사이에서 소통가능하게 연결되어 있는 제 1 밸브,
    (c) 상기 저장조에 연결되어 있는 제 2 밸브, 및
    (d) 시간에 대한 저장조 압력의 소정의 변화율에 반응하는 이퀄라이저를 포함하고, 그리고
    상기 제 1 밸브는 상기 제 1 공간 내의 작업유체 압력이 상기 평균압력으로 부터 한 방향으로 충분히 변화할 때만 개방되도록 구성되고,
    상기 제 2 밸브는 상기 피스톤이 그 왕복운동의 소정의 단부 제한선에 도달하는 것에 반응하여 상기 제 2 공간을 상기 저장조에 연결하게끔 개방되도록 상기 제 2 공간에 연결되어 있으며,
    상기 이퀄라이저는 상기 저장조와 제 2 공간 사이의 소통을 위해 연결되어 있는 제 3 밸브, 및 상기 제 3 밸브에 연결되어 있어서 상기 저장조 압력 변화의 시간율이 상기 소정의 변화율을 초과하는 것에 반응하여 상기 제 3 밸브를 개방하는 밸브 작동기를 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 밸브 작동기가, 상기 제 3 밸브에 연결되는, 상기 밸브를 밀폐시키기 위해 편향되는 다이아프램을 포함하고 있으며, 상기 다이아프램은 제 1 측부와 이에 대향하는 제 2 측부를 갖고 있고 상기 제 1 측부상의 압력이 상기 제 2 측부상의 압력을 상기 편향을 극복하기에 충분하게 초과하는 것에 반응하여 상기 제 3 밸브를 개방시키기 위해 제 3 밸브에 연결되어 있고, 상기 다이아프램의 제 1 측부는 유동을을 제한하는 구속부를 통해 상기 저장조로 통기되는 챔버에 노출되고, 그리고 상기 다이아프램의 제 2 측부는 상기 저장조에 대한 구속부없이 통기되는 것을 특징으로 하는 피스톤 단부 위치 리미터.
KR1019960707478A 1994-06-27 1995-05-26 자유피스톤단부위치리미터 KR100301548B1 (ko)

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