KR101507705B1 - 자유 피스톤 기계용 내부 위치 및 리미트 센서 - Google Patents

Abstract

자유 피스톤 스털링 기계 내에서 왕복 운동하는 자유 피스톤의 위치를 감지하기 위한 센서가 개시된다. 상기 센서는 파워 피스톤 실린더와 동축으로 그리고 파워 피스톤과 함께 왕복 운동하는 파워 피스톤의 단부 면에 장착된 디스크를 가진다. 상기 디스크는 전기 전도성 재료로 형성된 디스크의 외측 원주 둘레에 림을 포함한다. 코일은 실린더와 동축으로 감겨지고 디스크의 외측 원주로부터 외측으로 이격되고 압력 용기에 대해 고정된 위치에, 바람직하게는 압력 용기 벽의 외부 상에 장착된다.

Description

자유 피스톤 기계용 내부 위치 및 리미트 센서 {INTERNAL POSITION AND LIMIT SENSOR FOR FREE PISTON MACHINES}

본 발명은 자유-피스톤 스털링 엔진(free-piston Stirling engines), 냉각기 및 열 펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자유-피스톤 기계의 왕복 운동하는 파워 피스톤(power piston)의 위치를 감지하기 위한 위치 센서에 관한 것이다. 상기 센서는 센서가 자유-피스톤 기계의 길이에 단지 미미할 정도로 부가되는 장점을 가진다. 또한 상기 센서는 전기 출력 신호를 제공하는 센서의 코일 부분이 자유-피스톤 기계의 가압 용기 헤드의 외부에 장착될 수 있어, 임의의 전기 전도체가 압력 용기를 관통하여 공급되는 것을 요구하지 않는 장점을 가진다.

우선권으로 주장되고 2010년 2월 19일에 출원된 가 특허 출원 제 61/305986호는 인용에 의해 본원에 참조된다. 미국 특허 제 4,667,158호; 제 4866378호; 및 제 4,912,409호가 또한 인용에 의해 본원에 참조된다.

자유-피스톤 스털링 기계는 종래 기술에 널리 알려진 열-기계적 진동기이다. 자유-피스톤 스털링 기계는 이 기계의 주파수, 위상 및 진폭을 제어하기 위한 성능, 기계의 주위로부터 기밀 밀봉되는 성능 및 작업 가스와 윤활유의 혼합을 방지하도록 가동 부분들 사이의 기계적 유체 밀봉부에 대한 요구의 불필요를 포함하는 다양한 장점을 제공한다. 일반적으로, 자유-피스톤 스털링 기계는 실린더 내에서 왕복 운동하고 공진 시스템을 형성하도록 스프링에 부착되는 파워 피스톤을 포함한다. 상기 파워 피스톤은 또한 상기 스털링 기계가 엔진으로서 작동될 때 부하에 그리고 스털링 기계가 열 펌프 또는 냉각기로서 작동될 때 피스톤을 왕복 운동으로 구동하기 위해 왕복 운동하는 원동기에 부착된다. 자유-피스톤 스털링 기계에서, 피스톤 및 하나가 있는 경우 변위기(displacer)는 왕복 운동을 고정 행정(stroke)으로 제한하는 기계적 링키지, 예를 들면 커넥팅 로드 및 크랭크샤프트에 의해 서로 또는 부하에 또는 원동기에 연결되지 않는다. 대신, 진동하는 피스톤의 행정은 자유롭게 변화된다.

자유-피스톤 기계는 전형적으로 공칭 설계 행정(nominal design stroke)을 가지는 피스톤으로 설계된다. 그러나, 기계가 가변 부하 또는 가변 작동 온도와 같은 가변 작동 매개변수에 직면할 때, 피스톤 행정이 기계적 링키지로 구속되지 않기 때문에 피스톤 행정은 공칭 설계 행정으로부터 벗어나 변화한다. 작동 행정이 충분히 증가하는 경우, 피스톤은 변위기 또는 내부에서 피스톤이 왕복 운동하는 실린더의 축방향 대향 단부들에 고정된 부분과 같은 기계의 다른 기계적 구조물과 충돌할 수 있다.

작동 매개 변수 및 충돌의 가능성에 따른 행정에서의 변화 때문에, 자유-피스톤 기계는 통상적으로 전자 제어 시스템을 가진다. 제어 시스템에 의해 감지되고 사용되는 가장 중요한 매개변수들 중 하나는 피스톤의 선형 위치이다. 예를 들면, 때때로 피스톤의 주기적 운동을 통하여 왕복 운동할 때 피스톤의 순간적 선형 위치 또는 병진 운동(translation)을 감지하는 것 및/또는 피스톤 왕복 운동의 마주하는 단부 리미트(limit)를 감지하는 것이 바람직하다.

로버트 더블유. 레들리치(Robert W. Redlich)에 대한 상기 3개의 인용된 특허는 세장형 코일, 및 상기 코일 내로 및 상기 코일 밖으로 왕복 운동하는 튜브를 가지는 위치 센서를 보여준다. 코일의 인덕턴스 및 이에 따른 임피던스는 코일 내로 튜브의 삽입 길이의 함수로서 감소된다. 비록 레들리치 센서가 효율적이지만, 레들리치 센서는 피스톤의 행정의 대략 적어도 두 배인 스털링 기계 내에 길이를 점유한다. 이 이유는 전체 행정을 따라 위치를 감지하도록, 코일 및 튜브 모두 적어도 행정과 동일한 길이를 가져야 하기 때문이다. 튜브는 코일로부터 최대 후퇴 위치 내지 코일 내로의 최대 삽입 위치 사이를 왕복 운동할 수 있어야 하고 최대 후퇴와 최대 삽입 사이의 거리는 적어도 행정과 동일하여야 한다. 결론적으로, 레들리치 센서 전체 길이는 최대 후퇴 위치에서 행정 길이의 적어도 두 배가 되어야 한다. 레들리치 센서 길이에 부가하여, 스털링 기계의 설계는 스털링 기계 내에서 왕복 운동하는 튜브 및 코일 모두를 위치시키기 위해 제공되어야 한다. 결론적으로, 레들리치 센서는 자유-피스톤 스털링 기계에 용적 및 길이 요건을 부가한다. 더욱이, 레들리치 센서의 코일이 스털링 기계의 기밀 압력 용기 내에 위치될 수 있기 때문에, 코일로부터의 전기 전도체 리드는 제어 회로로의 연결을 위해 압력 용기 벽을 통하여 연장하여야 한다. 이 같은 전기적 피드스루(feedthrough)가 고압을 견디도록 밀봉되어야 하기 때문에, 이는 기계의 신뢰성을 감소시킨다. 밀봉부는 고장 위험을 부가한다.

본 발명의 목적 및 특징은 자유-피스톤 스털링 기계의 길이 및 용적에 단지 최소로 부가되는 위치 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 특징은 압력 용기를 통하여 연장하는 전기 전도체 리드를 요구하지 않는 본 발명의 일 실시예를 제공하는 것이다.

본 발명은 자유 피스톤 스털링 기계 내에서 왕복 운동하는 자유 피스톤의 병진 운동 또는 위치를 감지하기 위한 센서이다. 또한 종래 기술에서 널리 알려진, 스털링 기계는 작업 가스를 함유하기 위한 외부 압력 용기 및 왕복 운동 축선을 따라 공칭 설계 최대 행정에서 상기 압력 용기 내의 실린더 내에서 자유롭게 왕복 운동가능한 하나 이상의 파워 피스톤을 가진다. 본 발명은 실린더와 동축으로 피스톤의 단부 면에 장착되고 피스톤과 함께 왕복 운동하는 디스크를 가진다. 상기 디스크는 전기 전도성 재료로 형성된 외측 원주 둘레에 림을 포함하고 바람직하게는 전체가 전기 전도성 재료로 형성된다. 코일은 실린더와 동축으로 감겨지고 디스크의 외측 원주로부터 외측으로 이격되어 압력 용기에 대해, 바람직하게는 압력 용기의 외부에 고정된 위치에 장착된다. 디스크는 코일 보다 축 방향으로 상당히 짧다. 바람직하게는, 코일은 피스톤의 공칭 설계 최대 행정과 적어도 실질적으로 동일한 길이를 가지며 공칭 설계 최대 행정의 중앙에 실질적으로 센터링된다(centering). 코일의 두 개의 바람직한 실시예들, 분포형 코일(distributed coil) 및 단부 집중형 코일(end concentrated coil)이 있다.

도 1은 그 위에 본 발명의 일 실시예가 설치된 자유-피스톤 스털링 기계의 일 부분의 축방향 단면도이다.
도 2는 본 발명을 실시하고 작동 원리를 설명하는 단순화된 코일 및 센서 회로의 블록도이다.
도 3은 그 위에 본 발명의 다른 실시예가 설치된 자유-피스톤 스털링 기계의 축방향 단면도이다.
도 4는 실질적으로 도 3의 4-4 라인을 따라 취한 도 3의 실시예의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 분포형 코일 실시예에 대한 피스톤 위치의 함수로서 겉보기(apparent) 코일 임피던스를 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 단부 집중형 코일 실시예에 대한 피스톤 위치의 함수로서 겉보기 코일 임피던스를 도시하는 그래프이다.
도 7은 코일 및 피스톤 위치의 함수인 코일로부터 신호를 감지하기 위한 감지 회로의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 분포형 코일 실시예에 대한 시간의 함수로서 도 7의 감지 회로로부터의 출력 신호를 도시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 단부 집중형 코일 실시예에 대한 시간의 함수로서 도 7의 감지 회로부터의 출력 신호를 도시하는 그래프이다.
도 10은 두 개의 상이한 코일 배열체를 보여주는 도면이다.
도면에 도시되는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하는데 있어서, 명료성을 위해 특정 용어에 의존할 것이다. 그러나, 본 발명은 이와 같이 선택된 특정 용어로 제한되는 것으로 의도되지 않으며 각각의 특정 용어는 유사한 목적을 달성하기 위하여 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술적 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래 기술에 공지되는 자유-피스톤 스털링 기계에 장착되는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 스털링 기계의 종래 기술의 부품은 실린더(12) 내에서 축선을 따라 왕복 운동하는 파워 피스톤(10)을 포함한다. 또한 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 자석 또는 일련의 자석(16)들은 축선(14) 둘레에 고리형 형상으로 배열된다. 자석(16)은 피스톤(10)에 부착되어 자석(16)이 전기자 코일(18) 및 낮은 자기 저항의 강자성 코어(20)를 포함하는 전기자 내에서 피스톤(10)과 함께 왕복 운동하도록 한다. 이러한 부품들은 기밀되고 스털링 기계의 작업 가스를 포함하는 외부 압력 용기(22) 내에 수용된다. 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 도 1의 구조는 스털링 엔진에 의해 구동되는 선형 교류 발전기로서 또는 전기 선형 모터에 의해 구동되는 스털링 냉각기 또는 열 펌프로서 작동될 수 있다. 또한 본 기술분야에서 널리 알려진 바와 같이, 파워 피스톤은 다른 로드들 또는 원동기에 교대로 연결될 수 있다. 본 발명은 왕복 운동의 축선(14)을 따라 왕복 운동하는 자유 피스톤(10)의 위치를 감지하기 위한 센서이다. 센서는 실린더(12)와 동축으로 피스톤(10)의 단부면(26)에 장착되어 피스톤(10)과 함께 왕복 운동한다. 디스크(24)는 높은 전도성 때문에 바람직한, 알루미늄과 같은 전기 전도성 재료로 형성된 외측 원주 둘레에 림(28)을 가진다. 비록 이러한 외측 림(28)만이 전기 전도체가 될 필요가 있지만, 통상적으로 완전한 금속 디스크로 제조하는 것이 바람직하다.

센서 코일(30)은 실린더(12)와 동축으로 감겨지고 디스크(24)의 외측 원주(28)로부터 외측으로 이격되고 압력 용기에 대해 고정된 위치에 장착된다. 도 1의 실시예에서, 코일은 압력 용기(22)의 외부 둘레에 장착되고 압력 용기는 스테인레스 강 또는 인코넬(Inconel)과 같은 비-강자성 재료로 구성되어, 압력 용기가 디스크(24)와 코일(30) 사이에 자기 커플링시 임의의 중요한 영향을 미치지 않도록 한다. 코일(30)은 감지기 회로로의 연결을 위해 전도체 리드(32)를 가진다. 대안적으로, 코일은 압력 용기의 내부 둘레에 감겨질 수 있지만 코일은 전도체 리드가 압력 용기(22)를 관통하여 연장하고 압력 용기(22)의 벽에 대해 밀봉되는 것을 요구하는 단점을 가진다. 그러나, 디스크와 코일 사이의 자기 커플링이 더 큰 장점을 가진다. 표유(stray) 전자기장으로부터의 간섭을 회피하기 위하여 그리고 디스크와 코일 사이의 자기 커플링을 최대화하도록 코일의 외측에 위치된 고리형 강자성 차폐부를 가지는 것이 바람직하다.

작동의 기본적 원리는 코일의 유도 리액턴스, 및 이에 따른 임피던스가 코일의 단부 내 또는 근처의 디스크의 위치의 함수로서 변화되는 것이다. 코일의 유도 리액턴스는 디스크와 코일 사이의 자기 커플링이 감소하는 함수이고; 즉 디스크의 위치에서 자기 플럭스(코일 전류로부터)가 클수록, 코일의 유도 리액턴스가 낮아진다. 코일(30)의 길이는 피스톤(10)의 공칭 설계 최대 행정과 적어도 실질적으로 동일하고 코일은 실질적으로 공칭 설계 최대 행정의 중앙에 센터링된다. 비록 설계 행정이 자유-피스톤 스털링 기계의 크기 및 목적에 따라 상당히 변화하지만, 전형적인 피스톤 행정의 일 예는 10 mm이다. 자유-피스톤 스털링 기계의 압력 용기는 유사하게 기계의 크기 및 목적에 따라, 약 10 cm 내지 30 cm의 직경을 가질 수 있다. 결론적으로, 코일(30)은 이를 쇼트 코일(short coil)로 만드는 직경 대 길이의 종횡비를 가진다. 코일 직경은 코일 길이보다 매우 커서 코일 단부 효과가 코일의 전체 길이를 통하여 존재한다. 따라서, 코일 내의 자기 플럭스 및 코일과 디스크 사이의 자기 커플링은 전체 코일의 축선을 따라 변화된다. 본질적으로 코일의 임피던스에서의 변화를 일으키지 않는 디스크 병진 운동의 증가가 없다.

도 2를 참조하면, 약 50 kHz 내지 200 kHz의 캐리어 주파수에서 AC 전류원(40)이 코일로 인가된다. 교류는 디스크의 원주 둘레에 와류를 유도하여 디스크가 변환기의 단락된 2차 코일(a short circuited secondary of a transformer)과 같이 작용하게 한다. 와류용 자기장은 코일(30)에 자기적으로 커플링되어 증가하는 자기 커플링에 반응하여 코일 리액턴스를 감소시킨다. 디스크가 코일의 전체 길이를 따라 분포된 턴(turn)을 가지는 코일 내 중심에 위치할 때 자기 커플링은 최대가 된다. 따라서 코일의 임피던스는 디스크와 코일 사이의 자기 커플링의 함수에서 변화되어 디스크가 코일의 전체 길이를 따라 분포된 턴을 가지는 코일 내 중심에 위치될 때 최소가 된다. 디스크가 코일 내에서 운동할 때, 캐리어 주파수에서 코일에 걸친 전압의 크기는 AC 전류원(40)이 일정한 전류원이고 코일의 임피던스가 디스크 위치의 함수로서 변화되기 때문에 디스크 위치의 함수로서 변화된다. 상기 크기 변화는 디스크 위치의 함수인 포락 신호(envelope signal)를 제공하도록 진폭 조정 복조기(42)에 의해 감지된다.

디스크와 코일 사이의 자기 커플링이 증가될 때, 디스크 내의 와류로부터 초래되는 저항 손실은 코일 단자에서 겉보기 저항(apparant resistance)의 증가를 초래한다. 그러나, 코일 임피던스의 반응성 부품에서의 감소가 우세하고 겉보기 코일 임피던스의 저항성 부품에서의 증가보다 상당히 더 크다.

디스크

바람직하게는, 디스크(24)는 원형이고 공칭 설계 최대 행정의 단지 30 퍼센트의 축 방향 두께를 가지며 가장 바람직하게는 상기 행정의 10 퍼센트이다. 또한, 축선에 대해 수직한 방사상 크기 또는 완전한 원형 디스크에 대한 반경은 축방향으로의 디스크의 두께보다 크다. 더욱 바람직하게는, 방사상 크기는 디스크의 축방향 두께 보다 적어도 10 배 더 크다. 이는 본 발명의 센서가 스털링 기계의 길이에 대해 아주 약간 증가하는 것을 허용하는 것은 디스크의 상대적으로 작은 두께 및 디스크의 이러한 종횡비이다. 디스크의 두께는 공학적 결정(engineering tradeoff)에 좌우된다. 더 얇은 디스크는 더 큰 해결책(resolution)을 제공한다. 그러나, 디스크가 피스톤의 왕복 운동의 교번적인 가속 및 감소의 결과로서 상당히 굽혀지지 않도록 충분히 강성인 것이 또한 바람직하다. 본 발명에서 예를 들면 약 2 mm의 두께를 가지는 디스크를 사용하였다.

코일이 압력 용기의 내부 또는 외부에 위치되든지 간에, 디스크가 반경방향 외측으로 연장하여 디스크의 외측 원주가 실행가능한 정도로 코일에 근접하게 배치되도록 하여 디스크와 코일 사이의 자기적 커플링을 최대화하도록 한다. 외부 코일에 대해 이는 실행가능할 정도로 압력 용기 벽에 근접되는 것을 의미한다. 공학적 판단에 근접한 실행가능한 수단은 설계의 방사상 운동 허용 오차를 고려하여 물리적 접촉의 위험 없이 허용된다.

비록 디스크가 전도성 재료의 단일의 무공 시트(imperforate sheet)로 구성될 수 있지만, 구멍을 구비한 디스크의 형성 및 특히 휠 구성에서 장점이 있다. 디스크 내에 구멍을 배치함으로써 작업 가스가 스털링 기계 내에서 더욱 자유롭게 이동하는 것을 허용하여 펌핑 손실을 감소시킨다. 도 3 및 도 4는 피스톤(52)에 장착된 중앙 허브(50) 및 허브(50)를 림(54)에 연결하는 스포크(56)를 구비한 외측 원주 림(54)으로 유용하게 형성된 디스크(49)를 구비한 자유-피스톤 스털링 기계를 도시한다.

특히 스포크형 구성에서, 본 발명의 디스크의 다른 장점은 왕복 운동의 행정이 최대 허용 행정을 초과하는 경우 피스톤의 왕복 운동의 대향 단부에서 피스톤(52)을 완충하기 위한 범퍼로서 기능할 수 있다는 것이다. 이 같은 오버행정(overstroke)을 완충하기 위해, 적어도 한 쌍의 고리형 정지부(60 및 62)가 압력 용기(64)에 대해 고정된 위치로 디스크(49)의 마주하는 측부들 상의 압력 용기(64) 내에 장착된다. 정지부(60 및 62)는 최대 공칭 설계 허용 행정과 동일한 거리로 이격된다. 정지부(60 및 62)는 공칭 설계 최대 행정의 중앙의 축방향으로 마주하는 측부들 상의 균일 거리에 고정되어 행정이 최대 공칭 설계 허용 행정을 초과하는 경우 디스크(49)의 림(54)에 의해 접촉되도록 정렬된다. 상기 정지부(60 및 62)는 교대로 간격을 가지고 배치되는 불연속 정지부일 수 있으며 디스크(49)의 림(54)과의 유사한 접촉을 위해 고리형으로 분포된다.

방사상 스포크는 판 스프링처럼 기능한다. 임의의 상당한 오버행정은 스포크를 편향시켜 피스톤이 정지부에 도달할 때 점차적으로 피스톤의 운동 에너지를 흡수한다. 이어서 스포크 스프링은 피스톤을 마주하는 방향으로 역으로 가압하는 저장된 운동 에너지를 방출한다. 이러한 유용한 특징을 더 강화하도록, 디스크(49)는 두 개의 상이한 재료로 구성될 수 있다. 림(54)은 스포크(56) 보다 더 큰 전도성을 가지는 전도성 재료로 형성될 수 있고 스포크는 스프링 재료로 형성될 수 있다. 디스크(49)의 이 같은 두 개의 부분 구성으로, 림은 전형적으로 디스크(49)의 반경의 5% 내지 15%인 방사상 폭을 가지게 된다.

상기 스프링 및 범퍼 효과로부터의 장점을 최대화하도록, 스페이서(64)는 디스크(49)의 허브(50)와 피스톤(52)의 단부면(66) 사이에 동축으로 개재된다. 스페이서(64)는 피스톤(52)의 직경 보다 작은 직경을 가져서 스포크(56)가 림(50)과 스페이서(64) 사이에서 굽혀질 수 있다. 디스크(49)는 허브(50)를 통하여 동축으로 중앙 보어를 통하여 기계 스크류 또는 너트에 의해 피스톤(52)에 부착된다.

코일

본 발명의 센서에서 사용된 코일은 다수의 상이한 실시예로 제조될 수 있다. 두 개의 가장 중요한 것은 분포형 코일 및 단부 집중형 코일이다. 코일의 길이를 따른 코일의 권선부의 분포가 상이하다.

도 10은 이러한 두 개의 코일 실시예들을 도시한다. 분포형 코일 실시예(30A)에서, 코일의 턴들은 코일의 전체 길이를 따라 분포되고 바람직하게는 균일하게 분포된다. 집중형 코일 실시예(30B)에서, 권선부가 코일의 단부들에 집중된다. 바람직하게는, 집중형 코일은 두 개의 짧은 코일 부품으로서 고려될 수 있고 각각의 코일 부품이 바람직하게는 설계 최대 공칭 작동 행정의 마주하는 단부들 중심에 위치될 수 있지만 연속하여 연결된다. 바람직하게는, 두 개의 짧은 코일 부품의 길이는 피스톤 행정의 약 25%이며 연속 연결부는 두 개의 코일 부품들 사이로 연장한다.

비록 어느 한 코일 실시예에서의 턴들의 개수가 중요한 것은 아니지만, 턴의 개수가 많을 수록 코일 내의 디스크 위치의 함수로서 임피던스 내의 변화가 더 커진다. 결론적으로, 턴의 개수의 선택은 유용한 신호를 얻기에 충분한 턴들과 부가 턴들에 대한 감소된 이익을 제공하는 그렇게 많지 않은 턴들 사이의 공학적 결정이다.

코일의 길이는 실질적으로 최대 공칭 작동 행정의 길이이다. 이들이 고려된다. 자유 피스톤 스털링 기계는 단일 행정에서 작동하도록 설계될 수 있다. 공칭 행정은 작동하도록 설계된 행정이다. 코일의 바람직한 길이는 적어도 코일의 단부들이 상기 행정의 단부 위치들에서 디스크로부터 방사상 외측에 위치하는, 행정의 길이이다. 그러나, 공학 및 과학에서의 매우 많은 매개 변수와 같이, 작은 양의 이탈은 작동시 작은 차이만을 일으켜서 바람직한 길이와 위치설정의 어느 한 측면에서 확장된 범위에 걸쳐 상기 장치를 지속적으로 실제적이고 유용하게 한다. 이는 본 발명을 이용하여 실현된다. 비록 코일 길이가 공칭 설계 행정과 동일하거나 초과하는 것이 바람직하지만, 공칭 행정과 정확히 동일한 것이 필요하지 않다. 코일 길이가 행정 길이로부터 더 벗어날 때 코일 길이는 공칭 행정보다 길거나 짧을 수 있으며, 본 발명의 바람직한 특성 및 특징은 점차적으로 감소된다. 우리는 본 발명이 행정 길이의 90% 내지 110%의 범위 내의 코일 길이에 대해 실제적이고 유효하게 될 수 있는 것으로 믿으며 코일이 설계 행정보다 약간 더 긴 것이 바람직하다. 우리는 상기 범위로부터 상당한 이탈은 압력 용기 내에 부가 공간을 불필요하게 점유하거나 작동 효율의 저하를 일으킬 수 있는 것으로 믿는다. 그러나, 더 넓은 범위의 피스톤 위치에 대한 피스톤 위치를 감지하는 것이 바람직할 때, 코일은 추가로 연장될 수 있다. 소정의 자유-피스톤 스털링 기계는 공칭 설계 범위에 대해 변화되는 가변 행정으로 작동되도록 설계된다. 상기 경우에서, 그러나, 본 발명의 단일 코일 실시예의 길이는 바람직하게는 전술된 바와 같은 상기 값으로부터 이탈 가능성을 갖는 공칭 설계 행정 범위 내에서 최대 행정이 된다.

작동 및 감지 회로

도 5는 싱글 코일(single coil)로서 그래프 상에 표시되는, 분포형 코일 실시예에서 디스크 위치의 함수로서 코일 임피던스의 변화를 나타내는 그래프이다. 그래프는 피스톤이 피스톤 운동의 특성이 되는 실질적인 정현 곡선형 운동에서 피스톤의 행정의 일 단부로부터 피스톤의 행정의 마주하는 단부로 운동할 때의 임피던스 변화를 보여준다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 코일의 임피던스는 코일 내의 자기 플럭스의 분포가 일 단부로부터 타 단부로 정현 곡선형 분포를 가지기 때문에, 디스크 위치의 함수로서 개략적으로 정현 곡선 형태로 변화된다. 임피던스가 디스크의 압력에 의해 감소되기 때문에, 디스크가 자기 플럭스가 최대가 되는 코일의 중앙에 있을 때 최소 임피던스가 발생한다. 코일로부터 교대로 더 근접되고 더 멀어지게 운동하고 자체적으로 디스크에 근접하게 위치된 전도성 대형 집합체인 피스톤의 존재에 따른 기생 효과 때문에 그래프는 수평방향으로 비대칭이다. 부가 기생 효과는 자유-피스톤 기계의 내부 구조가 축방향으로 비대칭인 사실로부터 초래한다.

도 6은 피스톤이 실질적인 정현 곡선형 운동으로 피스톤의 행정의 일 단부로부터 피스톤의 행정의 마주하는 단부로 이동할 때 본 발명의 단부 집중형 실시예에서의 디스크 위치의 함수로서 코일 임피던스의 변화를 도시하는 그래프이다. 도 6의 그래프는 디스크가 두 개의 집중형 코일 부품들 중 하나의 중앙에 접근할 때 겉보기 코일 임피던스가 감소하고, 디스크가 두 개의 코일 부품들 사이의 집중형 코일의 중앙에 접근할 때 겉보기 코일 임피던스가 증가하는 것을 보여준다. 디스크가 두 개의 집중형 코일 부품들 사이의 코일의 중앙을 통과하고 제 2 코일 부품에 더 가깝게 접근한 후, 디스크가 제 2 코일 부품의 중앙에 도달할 때까지 임피던스가 감소하고 이어서 디스크가 코일의 단부를 향하여 이동할 때 임피던스가 증가한다.

도 7은 피스톤 위치의 함수인 신호를 감지하기 위한 바람직한 회로를 도시한다. 125 kHz 정현파 발생기는 전류원을 구동하여 코일(30)을 통하여 125 kHz 전류원 전류를 인가하게 한다. 코일이 AC 전류원에 의해 구동되기 때문에, 코일을 가로지르는 정현 곡선형 125 kHz AC 전압의 크기는 코일 임피던스에 비례할 것이다. 즉, 125 kHz의 캐리어 주파수에서 코일을 가로지르는 전압은 코일 임피던스의 순시치(instantaneous value)에 의해 조절된 크기이다. 결론적으로, 코일을 가로지르는 전압은 증폭될 수 있고 필터링될 수 있고 AM 복조기에 의해 복조되어 코일 임피던스에 비례하는 신호를 출력부(70)에 제공하게 한다. 코일 임피던스가 피스톤 위치의 함수이기 때문에, 출력부(70)에서의 신호는 피스톤 위치의 함수이다. 도 7의 증폭기 감지 회로는 증폭기를 포함하고 본 기술분야의 기술자에게 명백한 바와 같이, 비록 보통 필요한 것은 아니지만 원하는 경우 다시 전도(invert)될 수 있는 출력 신호를 전도한다.

도 7의 회로는 더욱 상세하게 시험될 수 있다. 정현파 발생기(72)는 125 kHz 정현파를 생산하기 위해 강하게 필터링되는 125 kHz 궁형파를 생성하기 위한 카운터(counter)를 가진다. 정현파는 매우 안정화되고 다른 주파수 성분을 약간 포함해야 한다. 정현파 발생기(72)로부터의 출력은 일정한 전류원(74)으로 인가되어 ILS 코일(30)을 통하여 125 kHz 정현 곡선형 전류를 생성한다. 일정한 전류 발생기(74)는 일정한 전류 특성을 가지는 신호를 생성하기 위해 정현파 발생기 및 센스 저항기에 의해 생성된 전압파를 이용한다. 코일로부터의 전류 싱크는 지면이다.

디스크 코어가 코일을 통하여 이동할 때 코일(30)의 임피던스가 변화한다. 4개의 와이어 측정이 사용된다. 두 개의 와이어는 코일에 전류를 제공하고 다른 두 개의 와이어는 코일을 가로지르는 전압을 측정한다. 위상 조정기(76)는 약 90도만큼 정현파의 위상을 시프트한다(shift). 이러한 위상 시프트는 로우-패스 필터에 의해 생성된다. 정현파 대 구형파 회로(sine to square circuit; 78)는 동기 복조기에 의한 사용을 위해 위상 시프트된 정현파로부터 구형파를 생성한다. 계기 증폭기(82)는 ILS 코일을 가로지르는 전압을 측정한다. 이러한 전압은 코일을 통하여 흐르는 125 kHz 정현파형 전류에 의해 생성되고 ILS 코일의 임피던스에 종속한다. 프리(pre)-필터(84)는 원하지 않는 저 주파수 신호가 복조기로 전달되는 것을 방지하는 복조기에 대한 자유 단부이다.

상기 궁형파 발생기는 듀티 사이클의 평균 값을 변화시키는 정확히 50% 듀티 사이클을 갖는 신호를 생성하지 않는다. 하이-패스 프리-필터가 없다면, 일부의 원하지 않는 저 주파수 신호가 복조기로 관통하여 지나가는 것을 허용한다. 시프트된 궁형파의 듀티 사이클이 정확히 50%이었다면, 이러한 프리-필터는 필요하지 않을 수 있다. 복조기(80)는 계기 증폭기로부터 조절된 신호를 회수하는 동기 복조기이다. 125 kHz 정현파 신호는 ILS 코일의 임피던스의 변화에 의해 조절된다. 복조기(80)는 계기 증폭기로부터의 신호를 시프트된 궁형파로 증폭시킨다. 로우-패스 필터는 이어서 더 높은 주파수 성분들을 제거하기 위해 사용되어 ILS 코일의 임피던스를 나타내는 조절된 신호 만이 남겨진다. 정현파의 형상 및 레벨이 완벽하지 않기 때문에, 이는 스위치를 제어하기 위해 사용된다. 스위치가 닫힐 때, 스위치는 신호를 0으로 곱하고, 스위치가 개방될 때 스위치는 실제적으로 신호를 1로 곱한다.

분포형 코일 실시예에 대해 복조기(80)로부터 출력 신호는 도 8의 피스톤 운동의 하나의 사이클에 대한 시간의 함수로서 도시된다. 이는 피스톤이 분포형 코일의 일 단부 근처의 피스톤의 행정의 일 단부로부터 코일의 마주하는 단부 근처의 피스톤의 행정의 마주하는 단부로 이동할 때의 출력 신호를 보여준다. 그래프로부터 명백한 바와 같이, 도 8의 그래프는 제 1 부분을 가지며, 제 1 부분은 제 2 부분이 후속되는 단순한 도 5의 전도형이며 제 2 부분은 피스톤이 복귀할 때 제 1 부분의 거울상이다. 도 9는 단부 집중형 코일에 대해 동일한 것을 보여주며 도 6과 동일한 관계를 가진다.

피스톤 위치에 따라 선형 변화를 가지는 크기를 가지는 신호를 얻기 위하여 출력부(70)로부터의 신호를 선형화하고자 하는 경우, 상술된 것을 실행하기 위해 종래 기술이 적용될 수 있다. 예를 들면, 도 7의 감지기 회로의 출력은 아날로그로부터 디지털 포맷으로 전환될 수 있다. 연구실 테스트 절차에서, 피스톤은 병진 운동의 작은 이산(discrete) 간격만큼 일련의 정지부를 분리하는 왕복 운동 축선을 따라 이동된다. 각각의 정지부에서, 출력 신호 크기는 피스톤의 측정되고 관련된 위치와 관련하여 디지털 메모리 내에 저장된다. 이러한 관련된 데이터 쌍들의 수집은 검색 테이블을 제공한다. 감지기 회로를 이용한 본 발명의 센서의 작동 동안, 감지기 회로의 복조기의 출력이 주기적으로 샘플링되어, 디지털 포맷으로 전환되고 그리고 검색 테이블로 엔터링되어(enter) 복조기로부터의 출력의 감지된 크기에 대응하는 피스톤 위치를 찾기 위해 사용된다.

비록 본 발명의 센서가 피스톤의 위치의 절대값의 함수인 신호를 제공하지만, 상술된 바와 같이 센서는 피스톤 위치의 극성(polarity)에 대한 정보를 제공하지 않는다; 즉 출력 신호의 감지된 크기는 중앙 피스톤 위치의 어느 측부에 피스톤이 놓이는지가 표시되지 않는다는 것이 도 5 및 도 6으로부터 명백하다. 그러나, 원하는 경우, 종래 기술을 이용하여, 상기 정보가 얻어질 수 있다. 예를 들면, 전기자 코일(30)(도 1)을 가로지르는 전압의 극성이 모니터링될 수 있고 중앙의 어느 측부에 피스톤이 놓이는지를 표시한다. 대안적으로, 도면에 도시된 그래프의 비대칭은 예를 들면 전술된 검색 테이블에서 그래프의 비대칭 부분을 포함함으로써 이용될 수 있다.

도면과 관련된 이러한 상세한 설명은 원칙적으로 본 발명의 현재의 바람직한 실시예들의 상세한 설명으로서 의도되며, 본 발명이 구성되거나 이용되는 유일한 형태를 나타나도록 의도되지 않는다. 상세한 설명은 도시된 실시예들과 관련하여 본 발명을 실시하는 설계, 기능, 수단, 및 방법을 제시한다. 그러나, 동일하거나 균등한 기능 및 특징들이 또한 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되도록 의도되는 상이한 실시예들을 수행할 수 있으며, 다양한 변형예가 본 발명 또는 아래의 청구범위의 범위로부터 벗어나지 않으면서 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (20)

1. 작업 가스를 포함하기 위한 외부 압력 용기 및 왕복 운동의 축선을 따른 공칭 설계 최대 행정으로 상기 압력 용기 내의 실린더 내에서 자유롭게 왕복가능한 하나 이상의 파워 피스톤을 가지는 자유 피스톤 스털링 기계 내에서 왕복운동하는 자유 피스톤의 병진 운동 또는 위치를 감지하기 위한 센서로서,
   (a) 상기 실린더와 동축으로 상기 피스톤의 단부 면에 장착되고, 상기 피스톤과 함께 왕복 운동하며 전기 전도성 재료로 형성되는 외측 원주 둘레에 림을 포함하는, 디스크; 및
   (b) 상기 실린더와 동축으로 감겨지고, 상기 디스크의 외측 원주로부터 외측으로 이격되고, 상기 압력 용기에 대해 고정된 위치에 장착되며, 감지기 회로로 연결을 위한 전도체 리드를 가지는, 코일을 포함하며,
   상기 디스크는 상기 피스톤에 장착되는 중앙 허브, 외측 원주 림 및 상기 허브를 상기 림에 연결하는 스포크를 포함하는,
   센서.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 디스크는 상기 공칭 설계 최대 행정의 30 퍼센트 이하의 축방향으로의 두께 및 축방향으로의 디스크의 두께 보다 큰, 축선에 대해 수직한 방사상 크기를 가지는,
   센서.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 코일은 상기 공칭 설계 최대 행정과 적어도 실질적으로 동일한 길이를 가지며 상기 공칭 설계 최대 행정의 중앙에서 실질적으로 센터링되는(centering),
   센서.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 코일은 상기 압력 용기의 외부 둘레에 감겨지고 상기 압력 용기는 비-강자성 재료인,
   센서.
   
5. 삭제
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 림은 상기 스포크보다 더 큰 전도성을 가지는 전도성 재료이고 상기 스포크는 스프링 재료로 형성되는,
   센서.
   
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 왕복 운동하는 자유 피스톤은 최대 공칭 설계 허용 행정을 가지고 상기 센서는 상기 압력 용기에 대해 고정된 위치로 상기 압력 용기 내에 장착되고 상기 공칭 설계 최대 행정의 중앙의 마주하는 측부들 상에 균일 거리로 상기 최대 공칭 설계 허용 행정과 동일한 거리로 이격되고 상기 행정이 상기 최대 공칭 설계 허용 행정을 초과하는 경우에 상기 디스크의 림에 의해 접촉되도록 정렬되는 적어도 한 쌍의 정지부를 더 포함하는,
   센서.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 디스크와 상기 피스톤의 단부 면 사이에 스페이서가 동축으로 개재되고, 상기 스페이서는 상기 스포크가 상기 림과 상기 스페이서 사이에서 굽혀지는 것을 허용하기 위해 상기 피스톤의 직경 보다 작은 직경을 가지는,
   센서.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 디스크는 원형 외측 원주를 가지는,
   센서.
   
10. 제 3 항에 있어서,
    상기 코일은 마주하는 단부들에서 더 집중되는 턴(turn)들로 감겨지는,
    센서.
    
11. 삭제
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 림은 상기 스포크 보다 더 큰 전도성을 가지는 전도성 재료이며, 상기 스포크는 스프링 재료로 형성되는,
    센서.
    
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 왕복 운동하는 자유 피스톤은 최대 공칭 설계 허용 행정을 가지며 상기 센서는 상기 압력 용기에 대해 고정 위치로 상기 압력 용기 내에 장착되고 상기 공칭 설계 최대 행정의 중앙의 축방향으로 마주하는 측부들 상에 균일 거리로 상기 최대 공칭 설계 허용 행정에 동일한 거리로 이격되고 상기 행정이 상기 최대 공칭 설계 허용 행정을 초과하는 경우 상기 디스크의 림에 의해 접촉되도록 정렬되는 적어도 한 쌍의 정지부를 더 포함하는,
    센서.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 디스크와 상기 피스톤의 단부 면 사이에 스페이서가 동축으로 개재되고, 상기 스페이서는 상기 스포크가 상기 림과 상기 스페이서 사이에서 굽혀지는 것을 허용하기 위해 상기 피스톤의 직경 보다 작은 직경을 가지는,
    센서.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 디스크는 원형 외측 원주를 가지는,
    센서.
    
16. 삭제
17. 제 1 항에 있어서,
    상기 림은 상기 스포크보다 더 큰 전도성을 가지는 전도성 재료이며, 상기 스포크는 스프링 재료로 형성되는,
    센서.
    
18. 제 1 항에 있어서,
    상기 왕복 운동하는 자유 피스톤은 최대 공칭 설계 허용 행정을 가지며 상기 센서는 상기 압력 용기에 대해 고정 위치로 상기 압력 용기 내에 장착되고 상기 공칭 설계 최대 행정의 중앙의 축방향으로 마주하는 측부들 상에 균일 거리로 상기 최대 공칭 설계 허용 행정에 동일한 거리로 이격되고 상기 행정이 상기 최대 공칭 설계 허용 행정을 초과하는 경우 상기 디스크의 림에 의해 접촉되도록 정렬되는 적어도 한 쌍의 정지부를 더 포함하는,
    센서.
    
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 디스크와 상기 피스톤의 단부 면 사이에 스페이서가 동축으로 개재되고, 상기 스페이서는 상기 스포크가 상기 림과 상기 스페이서 사이에서 굽혀지는 것을 허용하기 위해 상기 피스톤의 직경 보다 작은 직경을 가지는,
    센서.
    
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 디스크는 원형 외측 원주를 가지는,
    센서.

Images