KR102133325B1 - 왕복식 압축기용 전자기 액츄에이터 및 관성 보존 장치 - Google Patents

왕복식 압축기용 전자기 액츄에이터 및 관성 보존 장치 Download PDF

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누보 피그노네 에스알엘
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Abstract

압축기(100)는 하우징에 배치되며 전자기 구동부(132)에 의해 하우징의 내부에서 왕복 운동 구동하도록 구성되는 피스톤(116)을 포함한다. 일 실시예에서, 통상의 선형 모터 구동부 조립체가 피스톤을 왕복 운동하도록 구동시킨다. 다른 실시예에서, 자성 기어식 구동부 조립체가 피스톤을 왕복 운동하도록 구동시킨다. 다른 실시예에서, 솔레노이드 구동부 조립체가 피스톤을 왕복 운동하도록 구동시킨다. 피스톤의 변위를 변화시키기 위해 제어 시스템이 구동부에 결합되며, 일 행정의 말기에 병진 운동 조립체를 감속시키며 후속 행정에서 조립체를 가속시키는 방식으로 어큐물레이터에 힘이 보존된다.

Description

왕복식 압축기용 전자기 액츄에이터 및 관성 보존 장치{ELECTROMAGNETIC ACTUATOR AND INERTIA CONSERVATION DEVICE FOR A RECIPROCATING COMPRESSOR}
본 명세서에 개시된 주제는 가스 압축기에 관한 것이다. 특히, 본 명세서에 개시된 주제는 관성 보존 특징을 갖는 왕복식 가스 압축기에 관한 것이다.
가스 압축기는 폭넓게는 동적 변위식 가스 압축기 또는 용적형(positive displacement) 가스 압축기로서 분류될 수도 있다. 용적형 압축기는 가스가 차지한 체적을 감소시킴으로써 가스 압력을 증가시킨다. 용적형 가스 압축기는 압축 챔버 내부에 고정된 양의 가스를 구속하여, 가스가 차지한 체적을 기계적으로 감소시켜 가스를 압축시킨 다음, 압축 가스를 분포망으로 통과시킴으로써 작동한다. 가스 압력 증가는 일정 양의 가스가 차지한 공간의 체적 감소에 상응한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "가스"는 기상 물질, 액상 물질, 그리고 액상 및 기상 모두를 갖는 물질로 이루어진 혼합물을 포함한다.
용적형 압축기는 왕복 운동 피스톤 또는 회전 구성 요소를 사용하여 가스가 차지한 체적을 기계적으로 감소시킨다. 왕복식 압축기는 압축 챔버 내로의 제 1 방향으로의 압축 피스톤의 구동 및 압축 챔버로부터의 제 2 방향으로의 피스톤의 인출을 반복 수행하여 소정 체적의 가스가 압축되어 챔버를 차지할 수 있도록 하는 방식으로 연속적으로 소정 체적의 가스를 압축한다. 피스톤이 압축 챔버 내로 이동할 때마다 피스톤이 챔버의 일부를 쓸고 지나감에 따라, 가스가 차지하는 챔버의 체적을 감소시켜 챔버 내부의 압력을 상승시킨다. 이후 압축 가스가 챔버를 빠져나감에 따라, 피스톤이 챔버로부터 인출되며, 피스톤의 후속 왕복 운동을 위한 챔버 내로의 두 번째의 가스 충전이 이루어진다.
왕복식 압축기는 단일 작용 방식 또는 이중 작용 방식일 수도 있다. 전술한 바와 같은 단일 작용 압축기는 피스톤을 제 1 방향으로 구동시키는 경우에만 압축 효과를 야기한다. 이중 작용 압축기는 압축 피스톤의 전면 및 후면 모두와 연관되어 제 1 방향 및 제 2 방향 모두로의 피스톤 이동에 의해 압축 효과를 야기하는 압축 챔버를 포함한다.
왕복식 압축기는 또한, 일단식 또는 다단식일 수도 있다. 일단식 압축기의 경우, 압축기는 전술한 제 1 피스톤 이동에서와 같은 단 한 번의 기계 작동으로 소정 체적의 가스를 압축한다. 다단식 압축기의 경우, 압축기는 전술한 바와 같은 제 1 이동으로 피스톤의 전면에 의해 가스를 압축하여, 압축 가스를 피스톤의 후면과 연관된 챔버로 이동시킨 다음, 전술한 제 2 이동으로 피스톤의 후면에 의해 가스를 추가로 압축하는 방식과 같이 한 번 이상의 기계적 작동으로 소정 체적의 가스를 압축한다. 그 외 다른 다단식 압축기는 복수 회의 압축 작동에 의해 가스를 압축하도록 배치되는 복수 개의 압축 피스톤을 포함한다.
압축 작동을 위해 피스톤을 사용하는 왕복식 압축기는 다수의 장점을 갖고 있다. 예를 들어, 피스톤 장착식 압축기의 경우 왕복 운동 구성 요소와 연관된 관성력이 높다. 연속적인 왕복 운동 동안, 압축기 구동부가 피스톤을 일 방향으로 가속시킨 다음 정지시키고, 다시 반대 방향으로 피스톤을 가속시킨다. 피스톤 조립체의 질량이 많이 나갈수록, 조립체를 가속 및 감속시키기 위해 구동부가 공급하여야 하는 힘이 증가한다. 또한, 압축기는 본질적으로 행정 말기에 보통 조립체의 운동 에너지가 소산되기 때문에(보존되지 않기 때문에) 덜 효율적이다. 이러한 에너지 손실은 상대적으로 행정이 짧은 압축기에서 특히 심하게 나타날 수 있어, 피스톤 조립체의 가속과 연관된 관성력이 구동부 조립체에 부과되는 피크 부하(peak load)로서 작용한다. 그 결과, 압축기 구동부에 의해 생성되는 힘의 대부분이 가스의 압축에 사용되는 것이 아니라, 오히려 피스톤 조립체를 연속적으로 가속시키는 데 사용된다.
고압 천연 가스 용례에서, 압축기는 보통 회전 구동식이다. 회전식 구동부는 다시, 보통 연결 로드의 사용을 통해 구동 샤프트의 회전을 피스톤의 선형 병진 운동으로 전환하는 피스톤과 회전 구동부 사이의 기계적 연결부를 구비한다. 연결 로드는 압축 작동을 구속하여 피스톤이 쓸고 지나가는 압축 챔버의 부분이 일정해지도록 한다. 그러므로, 구동 샤프트의 속도를 변경하지 않고 압축 가스의 체적을 변경하기 위해, 피스톤 장착식 압축기는 턴-다운(turndown)을 포함한다. 턴-다운은 피스톤이 내부에서 왕복 운동하는 챔버의 체적만큼 압축 챔버의 체적을 변경하여, 각각의 행정 동안 챔버 내부에서 이루어지는 가스의 압축 효과를 변경한다. 턴-다운은 조절에 시간이 소요되며 심지어 조작자가 크랭크를 물리적으로 조작하여 압축 챔버의 체적을 변경할 수도 있도록 압축기가 라인을 벗어날 필요가 있다는 몇 가지 단점이 있다.
일 대안으로서, 선형 모터 구동식 압축기와 같은 조절 가능한 용량의 압축기를 제공하는 것이다. 이러한 압축기는 2005년 12월, 데펜바흐(Deffenbaugh) 등에 의해 DOE 어워드 제 DE-FC26-04NT42269 호["에이알시티 리포트(ARCT Report)"]에 제공된 최신 왕복식 압축 기술 최종 보고서 SwRI 프로젝트 제 18.11052 호에 제안된 바 있다. 그러나, ARCT 보고서에서 결론지어진 바와 같이, 선형 모터가 왕복식 압축기를 구동시키도록 사용되긴 하지만, 현존하는 선형 모터 기술에 의하면 이러한 압축기는 직경이 더 작은 실린더로 제한되어, 비교적 길이가 긴 행정으로 더 느린 속도로 작동하게 되며, 이에 따라, 용량이 감소할 뿐만 아니라 종래 기술의 천연 가스 분포 시스템용으로는 적당하지 않다. 이러한 제약은, 부분적으로는 기존의 선형 모터 기술을 통해 달성 가능한 힘의 양이 제한되어 있기 때문이며, 부분적으로는 전술한 로드의 부하에 관한 관성 부하 요건에 기인한다.
이에 따라, 압축 피스톤을 가속시키기 위해 필요한 관성력이 아닌, 압축 챔버 내에서 가스를 압축시키기 위해 필요한 힘에 의해 구동되는 구동력 요건을 갖는 왕복식 압축기가 필요하다. 또한, 기존의 선형 모터 기술의 능력 범위 내에서 연관 구동력 요건을 갖춘, 보어의 직경이 큰 왕복식 압축기가 필요하다. 마지막으로, 기존의 선형 모터 기술의 능력 범위 내에서 연관 구동력 요건을 갖춘, 행정의 길이가 짧은 왕복식 압축기가 필요하다.
당 업계의 숙련자라면 첨부 도면과 이에 관한 상세한 설명으로부터 본 발명의 그 외 다른 다양한 특징, 목적 및 장점을 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
일 실시예에 따르면, 왕복식 압축기가 제공된다. 왕복식 압축기는 압축 실린더에 왕복 이동 가능하게 배치되는 피스톤과, 상기 피스톤에 연결되는 연결 로드와, 고정 스테이터 및 상기 연결 로드에 결합되는 코어를 구비하며, 압축 챔버의 내부에서 상기 피스톤, 연결 로드 및 코어를 포함하는 병진 운동 가능한 조립체를 왕복 운동 가능하게 구동시키도록 구성되는 전자기 구동부, 그리고 상기 병진 운동 가능한 조립체에 결합되는 어큐물레이터를 포함하며, 상기 어큐물레이터는 상기 병진 운동 가능한 조립체의 제 1 방향으로의 이동을 위한 운동 시에, 존재하는 운동 에너지를 저장하도록 구성되며, 또한 상기 어큐물레이터는 상기 병진 운동 가능한 조립체의 제 2 방향으로의 이동을 위한 운동 시에, 존재하는 운동 에너지를 부과하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 병진 운동 가능한 조립체, 상기 병진 운동 가능한 조립체에 결합되는 어큐물레이터, 그리고 상기 병진 운동 가능한 조립체에 결합되는 전자기 구동부를 포함하는 왕복식 압축기와 그 사용 방법이 제공된다. 이러한 방법은 상기 전자기 구동부에 의해 상기 병진 운동 가능한 조립체에 힘을 인가하여 제 1 이동 방향으로 상기 병진 운동 가능한 조립체를 가속시키는 단계와, 상기 병진 운동 가능한 조립체에 존재하는 운동 에너지를 상기 어큐물레이터에 저장하여 상기 제 1 이동 방향으로 상기 병진 운동 가능한 조립체를 감속시키는 단계, 그리고 상기 어큐물레이터에 저장된 에너지로부터 힘을 발생시켜 제 2 이동 방향으로 상기 병진 운동 가능한 조립체를 가속시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 전술한 특징, 양태 및 장점 그리고 그 외 다른 특징, 양태 및 장점은, 전체 도면에 걸쳐 동일한 문자가 동일한 구성 요소를 지시하는 첨부 도면을 참조하여 아래의 상세한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1에는 선형 모터에 의해 전자기적으로 작동되도록 구성되며 하사점 위치에 배치되어 있는 종래 기술의 왕복식 압축기가 도시되어 있으며,
도 2에는 상사점 위치에 배치되어 있는 도 1의 압축기가 도시되어 있고,
도 3에는 병진 운동 가능한 조립체에 힘이 인가되어 하사점으로부터 상사점으로 이동하는, 도 1의 압축기가 도시되어 있으며,
도 4에는 병진 운동 가능한 조립체에 힘이 인가되어 상사점으로부터 하사점으로 이동하는, 도 1의 압축기가 도시되어 있고,
도 5에는, 압축 챔버가 예시적으로 세 개의 영역으로 분할되며 각각의 영역은 상이한 병진 운동 가능한 조립체 가속과 연관되어 있는, 도 1의 압축기가 도시되어 있으며,
도 6은 도 1 내지 도 5에 도시된 압축기가 상사점으로부터 하사점으로 이동하는 경우 속도와 힘 대 시간 사이의 관계를 비교하여 보여주는 차트이고,
도 7에는 병진 운동 가능한 조립체에 힘이 인가되어 하사점으로부터 상사점으로 이동하며 선형 모터에 의해 작동되는 왕복식 압축기의 예시적인 실시예가 도시되어 있으며,
도 8에는 병진 운동 가능한 조립체에 힘이 인가되어 상사점으로부터 하사점으로 이동하는, 도 7의 압축기가 도시되어 있고,
도 9에는 왕복식 압축기 상에 사용하도록 구성되는 가변식 어큐물레이터의 일 실시예가 도시되어 있으며,
도 10에는, 압축 챔버가 세 개의 영역으로 예시적으로 분할되며 각각의 영역이 상이한 병진 운동 가능한 조립체 가속과 연관되어 있는, 도 7의 압축기가 도시되어 있고,
도 11에는 도 7, 도 8 및 도 10에 도시된 압축기가 상사점으로부터 하사점으로 이동하는 경우 속도와 힘 대 시간 사이의 관계를 비교하여 보여주는 차트이고,
도 12에는 자성 기어식 선형 모터에 의해 구동되는 압축기의 일 실시예가 도시되어 있으며,
도 13 내지 도 17에는 왕복식 압축기와 함께 사용하도록 구성되는 자성 기어식 구동부의 실시예가 도시되어 있고,
도 18에는 솔레노이드 구동부에 의해 구동되는 압축기의 일 실시예가 도시되어 있으며,
도 19에는 두 개의 압축 조립체와 선형 모터 구동부를 구비한 압축기의 일 실시예가 도시되어 있고,
도 20에는 두 개의 압축 조립체와 솔레노이드 액츄에이터를 구비한 압축기의 일 실시예가 도시되어 있다.
아래의 상세한 설명은 본 발명의 소정 실시예를 예시하며 본 출원의 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조하여 이루어진 것이다. 이들 실시예는 당 업계의 숙련자가 이들 실시예를 실시할 수 있도록 하기에 충분할 정도로 상세히 설명되어 있으며, 그 외 다른 실시예가 사용될 수도 있고, 또한 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 논리적, 기계적, 전기적 및 그 외 다른 변경이 이루어질 수도 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 아래의 상세한 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 1 및 도 2에는 왕복식 압축기(10)가 도시되어 있다. 압축기(10)는 실린더(하우징)(14)의 내부에 미끄럼 이동 가능하게 배치되는 피스톤(12)을 포함한다. 피스톤은 헤드 단부 배향의 제 1 면(16)과, 크랭크 단부 배향의 제 2 면(18)을 구비한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "헤드 단부(head end)"는 구동부 조립체로부터 가장 멀리 위치한 압축 조립체의 단부를 일컫는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "크랭크 단부(crank end)"는 구동부 조립체에 가장 가까운 압축 조립체의 단부를 일컫는다. 이와 함께, 피스톤(12)과 실린더(14)가 서로 협동하여 제 1 가변 체적 압축 챔버(20) 및 제 2 가변 체적 압축 챔버(22)를 형성하며, 각각의 챔버(20, 22)는 복수 개의 유입구(24, 26)를 통해 가스 공급부(도시하지 않음)와 선택적으로 공압 연통 관계이다. 각각의 챔버(20, 22)는 복수 개의 유출구(28, 30)를 통해 가스 분배/전달 시스템(도시하지 않음)과 선택적으로 공압 연통 관계이다. 압축기(10)는 또한, 전자기 구동부(32)를 포함하며, 이러한 구동부(32)는 스테이터(34)와 코어(36)를 구비한다. 연결 로드(38)가 구동부 코어(36)를 피스톤(12)에 부착시킨다. 총체적으로, 피스톤(12), 연결 로드(38), 그리고 코어(36)는 병진 운동 축선(42)을 따라 왕복 운동 구동하도록 구성되는 병진 운동 가능한 조립체(40)를 포함한다.
본 명세서의 전체 도면에 걸쳐 관습적으로 사용되는 바와 같은 45° 해시마크(hash mark)로 나타낸 구성 요소/조립체는 이러한 식별 표시를 구비하지 않은 구성 요소/조립체에 대하여 고정된다. 이에 따라, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 스테이터(34)와 실린더(하우징)(14)는 병진 운동 가능한 조립체(40)에 대하여 고정된다. 작동 시에, 스테이터(34)와 코어(36)가 협동함으로써 축 방향 힘이 병진 운동 가능한 조립체(40)에 인가되어 조립체(40)가 축선(42)을 따라 병진 운동하게 된다. 구동부(32)는, 축 방향 힘이 가역적으로 작용하여 병진 운동 가능한 조립체(40)를, 축선(42)을 따라 전후로, 왕복 운동시키도록 구성된다.
본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같은 용어 "하사점"은 피스톤이 구동부 조립체에 인접한 단부 상에서 압축 조립체의 내부에 배치되는 위치 배열을 일컫는다. 본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같은 용어 "상사점"은 피스톤이 구동부 조립체의 반대쪽 단부 상에서 압축 조립체의 내부에 배치되는 위치 배열을 일컫는다. 본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같은 용어 "왕복 운동"은 병진 운동 축선을 따라 헤드 단부를 향해 그리고 크랭크 단부를 향해 피스톤을 구동시키는 병진 운동 가능한 조립체의 연속적인 교호 이동을 일컫는다.
도 1에는 하사점에 위치한 피스톤(12)이 도시되어 있다. 도 2에는 상사점에 위치한 피스톤(12)이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 하사점 위치로부터 도 2에 도시된 상사점 위치로 피스톤(12)을 이동시키기 위하여, 구동부(32)는 조립체(40)에 헤드 단부 배향 힘(44)을 인가한다. 이러한 힘(44)에 의해 조립체(40)가 축선(42)을 따라 구동되어, 피스톤(12)이 압축 조립체의 헤드 단부를 향해 도 1에 도시된 위치로부터 도 2에 도시된 위치로 이동된다.
하사점으로부터 상사점으로의 피스톤(12)의 병진 운동 동안, 피스톤의 제 1 면(16)이 가스 차지 챔버(20)에 힘을 인가하여, 가스를 가압한다. 동시에, 피스톤(12)의 병진 운동에 의해 또한 챔버(22)의 체적이 증가한다. 도 2에 유동 화살표(46)로 도시된 바와 같이, 피스톤(12)에 의해 압축된 가스는 챔버(20)에서 나와 가스 분배/전달 시스템(도시하지 않음)으로 유동한다. 유사하게, 도 2에 유동 화살표(48)로 도시된 바와 같이, 압축될 가스가 가스 공급부(도시하지 않음)로부터 챔버(22)의 내부로 유동한다. 피스톤이 감속되어, 상사점에서 정지한 다음, 역방향으로 이동하여 크랭크 단부 방향으로 가속됨으로써, 구동부(12)를 향해 축선(42)을 따라 축 방향으로 병진 운동함으로써, 유사한 순서의 이벤트가 발생한다.
도 3 및 도 4에는 왕복식 병진 운동 동안 병진 운동 가능한 조립체(40)에 작용하는 힘이 도시되어 있다. 도 3에는, 축선(42)을 따른, 전술한 조립체(40)의 병진 운동 동안 배열되는 힘이 도시되어 있다. 구동부(32)는 도 3에 "F피스톤 면"으로 표시된 피스톤의 제 1 면(16)에 부과되는 힘을 극복하기에 충분한 크기를 가지며 도 3에 "F구동부"로 표시된, 논의된 바와 같은 헤드 단부 배향 구동력(44)을 인가한다. 구동력(44)은 또한, 병진 운동 가능한 조립체(40)의 질량을 가속시키기에 충분한 크기를 가지며, 상기 질량은 도 3에 "M병진 운동 가능한 조립체"로 표시되어 있다. 유사한 방식으로, 도 4에는 축선(42)을 따른 조립체(40)의 병진 운동 동안 병진 운동 가능한 조립체(40)에 작용하여 피스톤이 압축 조립체의 크랭크 단부를 향해 구동되도록 하는 힘이 도시되어 있다. 도 4에서, "F구동부"는 "F피스톤 면"으로 표시되는 피스톤의 제 2 면(18)에 부과되는 힘을 극복하기에 충분한 크기를 갖는다. 구동력(44)은 또한, 병진 운동 가능한 조립체(40)의 질량을 가속시키기에 충분한 크기를 가지며, 상기 질량은 도 4에서 "M병진 운동 가능한 조립체"로 표시되어 있다. 도 3 및 도 4 각각에서, 구동부(32)에 의해 생성되는 힘은 아래의 방정식을 만족하여야 한다:
Figure 112014120873561-pct00001
여기서, α는 병진 운동 가능한 조립체(40)의 가속도이다. 용어 "(M병진 운동 가능한 조립체)*α"는 가속 수행 시에 병진 운동 가능한 조립체(40)의 왕복 운동 질량을 가속시키기 위해 극복되어야 하는 관성력을 나타낸다.
도 5에는 실린더를 세그먼트로 분할하여 각각의 실린더 세그먼트가 상이한 피스톤 가속도를 갖는 예시적인 피스톤 병진 운동이 도시되어 있다. 도 6에는 도 5에 도시된 실린더 세그먼트에서의 피스톤 가속도 대 시간이 그래프로 도시되어 있으며, 또한, 공통의 시간 축선 상에서 각각의 실린더 세그먼트에서 필요로 하는 구동력 대 시간의 상대적인 크기가 그래프로 도시되어 있다.
도 5에는 네 개의 실린더 구획선(50, 52, 54, 56)에 의해 세 개의 섹션(A, B, C)으로 분할되는 압축기 실린더(14)가 도시되어 있다. 구획선(50, 52)은 챔버 섹션(A)을 형성하며, 구획선(54, 56)은 챔버 섹션(C)을 형성하고, 구획선(52, 54)은 챔버 섹션(B)을 형성한다. 도 6에 도시된 바와 같이 그리고 수학식 1에 대하여, 피스톤(12)이 실린더 섹션(A)의 하사점에 있는 경우, 구동부(32)는, (a) 피스톤의 제 1 면(16)에 인가되는 가스 힘을 극복하며, (b) 병진 운동 가능한 조립체(40)에 존재하는 관성력을 증가시켜 병진 운동 가능한 조립체(40)를 가속시키기에 충분한 헤드 단부 배향 힘을 인가한다. 피스톤(12)이 섹션(B)에 들어가면, 필요한 힘이 감소하여, 구동부(32)가, (a) 피스톤의 제 1 면(116)에 인가되는 가스 힘을 극복하기에만 충분한 힘을 공급한다. 실린더 섹션(B)에서는 병진 운동 가능한 조립체(40)의 관성력이 일정하다. 피스톤(12)이 섹션(C)에 들어가면, 구동부(32)는 다시, (a) 피스톤의 제 1 면(16)에 인가되는 가스 힘을 극복하며, (b) 병진 운동 가능한 조립체(40)에 존재하는 관성력을 제거하여 조립체(40)의 병진 운동을 감소시킴으로써 조립체가 정지하여 피스톤을 상사점 위치에 유지하도록 하기에 충분한, 증가된 양의 힘을 공급한다.
도 6에는 전술한 속도 및 힘의 변화가 그래프로 도시되어 있다. 도 6에는 속도와 힘이 시간에 대해 그래프로 도시되어 있으며, x-축선은 시간을 나타내고, 좌측 y-축선은 속도를 나타내며, 우측 y-축선은 힘을 나타낸다. 실린더 구획선(50, 52, 54, 56)에 대응하는 네 개의 그래프 구획선(50, 52, 54, 56)은 그래프를 세 개의 섹션(A, B, C)으로 분할하며, 각각의 섹션은 공통의 구동력 레벨과 병진 운동 가능한 조립체 가속도를 갖는다. 도 5와 유사한 방식으로, 도 6에서 구획선(50, 52)은 챔버 섹션(A)에서의 힘 인가 및 피스톤 가속을 보여주는 그래프의 제 1 부분 "A"을 형성하며, 구획선(52, 54)은 챔버 섹션(B)에서의 힘 인가 및 피스톤 가속을 보여주는 그래프의 제 2 부분 "B"을 형성하고, 구획선(54, 56)은 챔버 섹션(C)에서의 힘 인가 및 피스톤 가속을 보여주는 그래프의 제 3 부분 "C"을 형성한다. "속도(velocity)"로 표시되어 있는 실선은 하사점으로부터 상사점으로의 이동 동안의 피스톤 속도 궤적(58)을 나타내는 반면, "힘(force)"으로 표시되어 있는 삼각형 표식을 갖는 파선은 하사점으로부터 상사점으로의 이동 동안의 구동력 인가 궤적(60)을 나타낸다.
도 6에 잘 도시된 바와 같이, 구동부 조립체가 병진 운동 가능한 조립체(40)를 가속/감속하여야 하는 경우 필요한 구동력이 가장 높다. 이러한 구동력이 가속도 변화를 보여주는 그래프에 도시된 부분 "A"과 부분 "C"의 비교적 높은 힘 궤적 값으로 예시되어 있다. 결과적으로, 다음의 두 가지 사항이 설명된다. 우선, 병진 운동 가능한 조립체를 가속시키기 위해 필요한 힘이, 구동부 조립체 힘 요건과 이용 가능한 구동부 조립체 기술의 제약을 나타내어, 전자기적으로 작동되는 가스 압축기 구성의 크기를 제한한다. 둘째, 수학식 1에 따른 전자기적으로 작동되는 압축기의 경우, 피크 힘 부하가 감소될 수 있다면, 더 강력한 전자기 액츄에이터를 제공하지 않고서도 압축기의 크기가 증가될 수 있다.
압축기의 병진 운동 방향이 변경될 때마다, 구동부는, (a) 이동 중의 병진 운동 가능한 조립체를 감속시켜 정지시킴으로써, 이동 중의 병진 운동 가능한 조립체에 존재하는 관성력을 극복하여야 하며, (b) 정지 상태의 병진 운동 가능한 조립체를 반대 방향으로 가속하여 병진 운동 가능한 조립체에 관성력을 부과하여야 한다. 이와 같이, 제 2회 차의 이동에 사용하도록 제 1회 차의 이동에 존재하는 관성력을 보존하는 기구를 압축기(10)에 마련하는 것이 유리하다.
도 7 및 도 8에는 병진 운동 가능한 조립체(140)에 존재하는 관성력을 보존하여, 유리하게는 일정한 속도 부하 인가에 대하여 감소된 로드 가속 피크 부하를 갖도록 구성되는 압축기(100)의 비제한적인 일 예가 도시되어 있다.
도 7에는 어큐물레이터(174)를 구비한 압축기가 도시되어 있다. 어큐물레이터(174)는 이동 가능한 제 1 플랜지(162)와 이동 가능한 제 2 플랜지(172)를 형성하는 연결 로드(138)를 포함한다. 어큐물레이터(174)는 개구(168)를 갖는 기둥(166)을 추가로 포함하며, 연결 로드(138)는 기둥(166)의 내부에 미끄럼 이동 가능하게 수용된다. 어큐물레이터(174)는 제 1 탄성 부재(164)와 제 2 탄성 부재(170)를 추가로 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이동 가능한 제 1 플랜지(162)와 고정 기둥(166) 사이에 탄성 부재(164)가 배치된다. 유사하게, 탄성 부재(170)가 이동 가능한 제 2 플랜지(172)와 고정 기둥 사이에 배치된다. 탄성 부재는, 병진 운동 가능한 조립체(140)가 가속되는 경우, 구동부(132)가 조립체(140)에 부과하는 힘과 실질적으로 동일한 방향으로 탄성 부재(164, 170)가 힘을 인가함으로써, 구동부 조립체가 조립체(140)를 가속시키기 위하여 인가되어야 하는 힘을 감소시킨다. 예시된 실시예에서 압축 스프링(164)과 신장 스프링(170)으로서 각각 도시된 바와 같은 탄성 부재는 각각의 이완 상태로 복귀함으로써 이러한 힘을 인가한다.
동일한 방식으로, 탄성 부재는, 병진 운동 가능한 조립체(140)가 감속되는 경우, 탄성 부재(164, 170)가 병진 운동 가능한 조립체(140)의 이동 방향과 실질적으로 반대되는 방향으로 힘을 인가하여, 조립체(140)의 속도를 감속시키며, 구동부 조립체(132)가 조립체(140)를 감속시키기 위하여 조립체(140)에 인가하여야 하는 힘을 감소시킨다. 탄성 부재는 각각의 이완 상태(도시하지 않음)로부터 변형됨으로써 이러한 힘을 인가한다. 이에 따라, 어큐물레이터(174)는 조립체를 감속시켜 제 1 조립체의 이동 중에 이동하는 병진 운동 가능한 조립체(140)에 존재하는 관성력을 "뱅킹(banking)"하며 제 2 조립체의 이동 중에 조립체를 가속시켜 조립체(140)로 관성력을 복귀시키는 기술적 효과가 있다.
구동부(132)가 축선(142)을 따라 병진 운동 가능한 조립체(140)를 가속하는 시간 간격 동안, 어큐물레이터(174)가 구동부(132)와 협력하여 힘을 인가함으로써, 구동부(132)로 하여금 (a) 피스톤의 제 1 면(116)에 인가되는 가스 힘을 극복하며, (b) 병진 운동 가능한 조립체(140)에 존재하는 관성력을 증가시키도록 하는 것이 유리하다. 이러한 가속 시간 간격 동안, 구동부(132)에 의해 생성되는 힘이 아래의 수학식을 만족하여야 한다:
Figure 112014120873561-pct00002
구동부(132)가 축선(142)을 따라 병진 운동 가능한 조립체를 감속시키는 시간 간격 동안, 어큐물레이터(174)는 구동부(132)와 협력하여 힘을 인가함으로써, 구동부(132)로 하여금 병진 운동 가능한 조립체(140)에 존재하는 관성력을 제거하도록 하여 조립체(140)를 헤드 단부 방향으로 감속하는 것이 유리하다. 이러한 감속 시간 간격 동안, 구동부(132)에 의해 생성되는 힘이 아래의 수학식을 만족한다:
Figure 112014120873561-pct00003
도 2에 도시되고 수학식 3에 나타내어진 바와 같이, 어큐물레이터(174)는 구동부(132)가 병진 운동 가능한 조립체(140)를 가속시키기 위해 생성하여야 하는 힘을 감소시키는 기술적 효과가 있다. 단일 스프링을 포함하는 어큐물레이터에 대한 수학식 2 및 수학식 3의 용어 "F어큐물레이터"를 확장하여, 구동부에 의해 생성되는 힘이 아래의 수학식을 만족한다:
Figure 112014120873561-pct00004
k는 스프링 상수이며, X는 평형 위치로부터 병진 운동 가능한 부재에 연결되는 스프링 단부의 변위이다. 도 7 및 도 8에 도시된 스프링(164, 170)은 단지 예시적으로 도시된 것으로서, 그외 다른 뱅킹 장치도 역시 본 발명의 범위에 속한다.
예를 들어, 일 실시예에서, 커패시터가 병진 운동 가능한 조립체에 고정되는 제 1 도전체(도시하지 않음)와 병진 운동 가능한 조립체에 부착되는 제 2 도전체(도시하지 않음)를 구비하며, 이들 도전체는 유전체(예를 들어, 공기)에 의해 분리된다. 이에 따라, 커패시터는 이동 플레이트(하나의 플레이트가 다른 플레이트에 대해 정밀하게 이동하도록 구성됨)를 구비하며 따라서 가변 정전 용량을 갖는다. 이러한 실시예의 일 변형예에 따르면, 두 개의 전도성 플레이트 사이의 유전체 점유 거리가 병진 운동 가능한 조립체의 병진 운동에 의해 변한다. 제 1 전도체 및 제 2 전도체는 한번에 전체적으로 충전될 수도 있으며 압축기의 작동 동안 절연된 채로 유지될 수도 있고, 또는 서로 상이하게 충전될 수도 있으며 압축기의 별개의 작동 주기 동안 절연된 채로 유지될 수도 있고, 또는 압축기의 작동 동안 일정한 전압 발생기에 영구적으로 연결될 수도 있으며, 또는 압축기의 작동 동안 가변 전압 발생기에 영구적으로 연결될 수도 있다(통상, 발생기의 전압은 병진 운동 가능한 조립체의 진동 주기에 대하여 느리게 변한다). 이러한 어큐물레이터는 병진 운동 가능한 조립체의 이동에 대응하는 충전 가능한 전하를 저장하여, 커패시터가 조립체의 관성 에너지를 뱅킹하도록 하며 병진 운동 가능한 조립체의 후속 병진 운동을 야기하기 위한 동력을 얻기 위해 전하를 공급하도록 구성된다. 하나 이상의 커패시터의 사용은 일정한 스프링 상수 또는 가변적인 스프링 상수를 가질 수도 있는 하나 이상의 스프링의 사용과 조합될 수도 있다.
유리하게는, 스프링을 포함하는 탄성 부재를 구비한 실시예에서, 스프링은 구동부가 탄성 조립체를 작동시켜 스프링의 공진 주파수에서 병진 운동 가능한 조립체를 작동시키도록 구성될 수도 있다. 스프링은 다시, 소망하는 작동 시간과 공진 주기를 일치시키도록 설계될 수도 있다. 변형예로서, 스프링은 소망하는 작동 시간과 공진 주기의 조화 주파수(harmonic)를 일치시키도록 설계될 수도 있다.
본 발명의 실시예의 스프링이 나선형 스프링의 가장 일반적인 케이스에 대응하는 시간 및 공간에 대하여 일정한 스프링 상수를 가질 수도 있으며, 변형예로서, 스프링 상수가, 특히, 길이를 따라 시간 및/또는 위치에 따라 변할 수도 있음(즉, 스프링의 압축 정도에 좌우됨)은 중요하지 않다.
도 9에는 행정의 길이를 증가시키며 작동 시간을 유지함으로써 압축기 용량을 가변시켜, 자석의 위치를 최적화할 수 있도록 구성되는 가변 어큐물레이터의 일 실시예가 도시되어 있다. 예시적인 일 방식에 따르면, 도시된 어큐물레이터(174)는 복수 개의 선택 가능한 평행한 스프링(101, 102, 103, 104, 105, 106)을 구비한 탄성 부재(164)를 포함한다. 행정에 사용되는 스프링의 개수는 변할 수 있어, 수학식 4에 도시된 스프링 상수(k)를 변경함으로써 행정의 길이를 변경하며 자석 위치를 최적화할 수 있다.
더 일반적으로는, 도 9의 실시예의 어큐물레이터가 병진 운동 가능한 조립체에 결합된 제 1 단부와 병진 운동 가능한 조립체에 대하여 고정된 제 2 단부를 구비한 스프링 조립체를 포함한다고 말할 수도 있다. 이러한 스프링 조립체는 복수 개의 스프링을 포함하며, 이러한 스프링 조립체의 스프링 상수는 조절 가능하다. 사실, 스프링은 서로 다른 스프링 상수를 가지며 선택적으로 유효하도록 평행하게 배치된다. 변형예로서, 스프링 조립체는 상이한 유효 행정을 갖추도록 서로 평행하게 배치되며 상이한 길이를 갖는 복수 개의 스프링을 포함할 수도 있다(즉, 병진 운동 가능한 조립체의 제 1 변위 범위에서, 제 1 세트의 스프링이 병진 운동 가능한 조립체에 작용하며, 제 2 변위 범위에서 제 2 세트의 스프링이 작용하고, 제 3 변위 범위에서 제 3 세트의 스프링이 작용하는 등). 표현 "평행하게 배치"는 기능적인 관점에서 해석되어야 하며, 사실, 스프링의 축선은 서로 평행(심지어, 제한된 경우에는 일치)하거나 서로 경사질 수도 있다.
도 10 및 도 11에는 주어진 속도 프로파일을 달성하기 위해 필요한 피크 힘에 대하여 압축기(10)를 능가하는 압축기(100)의 유리한 기술적 효과가 도시되어 있다.
도 10에는 네 개의 실린더 구획선(150, 152, 154, 156)에 의해 세 개의 섹션(AA, BB, CC)으로 분할되는 압축기 실린더(114)가 도시되어 있다. 구획선(150, 152)은 챔버 섹션(AA)을 형성하며, 구획선(152, 154)은 챔버 섹션(BB)을 형성하고, 구획선(154, 156)은 챔버 섹션(CC)을 형성한다. 도 9에 도시되고 수학식 2에 나타내어진 바와 같이, 피스톤(112)이 실린더 섹션(AA)의 하사점에 있는 경우, 구동부(132)는, (a) 피스톤의 제 1 면(116)에 인가되는 가스 힘을 극복하며, (b) 병진 운동 가능한 조립체(40)에 존재하는 관성력을 증가시켜 병진 운동 가능한 조립체(140)를 헤드 단부 방향으로 가속시키기에 충분한 헤드 단부 배향 힘을 인가한다. 피스톤(112)이 섹션(BB)에 들어가면, 필요한 힘이 감소하여, 구동부(132)는, (a) 피스톤의 제 1 면(116)에 인가되는 가스 힘을 극복하기에만 충분한 힘을 공급한다. 병진 운동 가능한 조립체(140)의 관성은 실린더 섹션(BB)에서 일정하다. 피스톤(112)이 섹션(CC)에 들어가면, 구동부(132)는 다시 한 번 피스톤의 제 1 면(116)에 인가되는 가스 힘을 극복하며, (b) 병진 운동 가능한 조립체(140)에 존재하는 관성력을 제거하여 조립체(140)의 병진 운동을 감속시킴으로써 조립체가 정지하도록 하며 피스톤이 상사점에 유지되도록 하기에 충분한, 수학식 3에 따른 증가된 양의 힘을 공급한다.
도 11에는 전술한 속도 및 힘의 변화가 그래프로 도시되어 있다. 도 11에서는 속도와 힘이 시간에 대해 그래프로 도시되어 있으며, x-축선은 시간을 나타내고, 좌측 y-축선은 속도를 나타내며, 우측 y-축선은 힘을 나타낸다. 실린더 구획선(150, 152, 154, 156)에 대응하는 네 개의 그래프 구획선(150, 152, 154, 156)은 그래프를 세 개의 섹션(AA, BB, CC)으로 분할하며, 각각의 섹션은 공통의 구동력 레벨과 병진 운동 가능한 조립체 가속도를 갖는다. 도 10과 유사한 방식으로, 도 11에서 구획선(150, 152)은 챔버 섹션(AA)에서의 힘 인가 및 피스톤 가속을 보여주는 그래프의 제 1 부분 "AA"을 형성하며, 구획선(152, 154)은 챔버 섹션(BB)에서의 힘 인가 및 피스톤 가속을 보여주는 그래프의 제 2 부분 "BB"을 형성하며, 구획선(154, 156)은 챔버 섹션(CC)에서의 힘 인가 및 피스톤 가속을 보여주는 그래프의 제 3 부분 "CC"을 형성한다. "속도(velocity)"로 표시되어 있는 실선은, 압축기(10)와 압축기(100)에서 공통적으로, 하사점으로부터 상사점으로 이동하는 동안의 피스톤 속도 궤적을 나타낸다. "힘10(force10)"으로 표시되어 있는 삼각형 표식을 갖는 파선은 하사점으로부터 상사점으로 이동하는 동안의 압축기(10)의 구동부(32)에 의한 구동력 인가를 나타내는 반면, "힘100(force100)"으로 표시되어 있는 원형 표식을 갖는 파선은 하사점으로부터 상사점으로 피스톤(112)이 이동하는 동안의 압축기(100)의 구동부(132)에 의한 구동력 인가를 나타낸다. 유리하게는, "힘10" 궤적은 "힘100" 궤적과 다르며, 간격은 "감소된 힘"으로 표시되어 있는 차트에 도시된 바와 같이, 양 섹션(AA, CC)에서는 압축기(10)에서보다 압축기(100)의 피크 힘 요건이 더 낮다. 도 11에 도시된 유리한 힘 요건은 예시적인 것이며 비제한적인 것으로서, 피스톤 주행의 가속/감속 세그먼트 및 정속 세그먼트가 본 명세서에 개시된 본 발명의 상이한 실시예에서 변할 수도 있다.
압축기(100)의 추가적인 유리한 효과로서, 기존의 선형 모터 기술은 시판 가능한 용량을 갖춘 기계류를 구성할 수 있다.
예를 들어, 비제한적인 제 1 실시예에 따르면, 압축기(100)는 동기식 선형 모터를 구비한 전자기 구동부 조립체(132)를 포함한다. 본 실시예에서, 스테이터(134)는 복수 개의 전도성 코일을 포함하며, 코어(136)는 영구 자석을 포함한다. 복수 개의 전도성 코일은 축선(142)에 대해 동축으로 평행하게 배치된다. 작동적으로, 복수 개의 코일이 각각 활성화될 수 있어, 코어(136)를 밀어내는 자성 추진력을 발생시킴으로써 축선(142)을 따라 병진 운동 가능한 조립체(140)를 왕복 운동시키도록 구동시킨다.
변형예로서, 비제한적인 제 2 실시예에 따르면, 압축기(100)는 동기식 선형 유도 모터를 구비한 전자기 구동부 조립체(132)를 포함한다. 본 실시예에서, 스테이터(134)는 복수 개의 전도성 코일을 포함하며, 코어(136)는 구리나 알루미늄과 같은 전도성 재료로 구성되는 반응 플레이트를 포함한다. 복수 개의 전도성 코일은 축선(142)에 대해 실질적으로 동축으로 또는 평행하게 배치된다. 복수 개의 코일은 3상 AC 전력 공급부(도시하지 않음)에 연결되며, 활성화되는 경우 반응 플레이트에 전류가 유도되도록 구성된다. 유도 전류는 코일과 상호 작용하는 자기장을 생성하여, 코어(136)를 밀어내는 추진력을 생성함으로써 축선(142)을 따라 병진 운동 가능한 조립체(140)를 왕복 운동하도록 구동시킨다.
도 12 내지 도 17에는 자성 기어식 구동부에 의해 전자기적으로 구동되는 압축기의 실시예가 도시되어 있다.
도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 기어식 구동부(232)가 도시되어 있다. 자성 기어식 구동부(232)는 연결 로드(238)에 결합되며 센서(도시하지 않음) 또는 제어 시스템(도시하지 않음) 또는 이들의 조합체로부터 발원하는 신호에 응답하여 실린더(하우징)의 내부에 배치되는 피스톤(212)을 왕복식으로 병진 운동시키도록 구성된다. 자성 기어식 구동부(232)는 제 1 스테이터와 제 2 스테이터의 사이에 배치되는 코어(236)를 포함하며, 스테이터는 스테이터(234)로서 도 12에 전체적으로 도시되어 있다. 코어(236)는 연결 로드(238)에 결합되며, 코어(236), 연결 로드(238) 그리고 피스톤(212)은 병진 운동 가능한 조립체(240)를 형성한다.
도 13에는 본 명세서에 개시된 압축기용으로 적당한 예시적인 구동부(332)가 도시되어 있다. 도시된 구동부의 실시예에서, 구동부(332)는 이동 가능한 코어(336)와 스테이터(334)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 코어(336)는 스테이터(334)에 대하여 외측으로 배치된다. 코어(336)는 압축기 연결 로드(338)의 일부를 포함하며, 연결 로드(338)의 표면(378)에 형성되는 교호하는 방위(화살표로 지시됨)의 복수 개의 영구 자석(376)을 추가로 포함한다. 스테이터(334)는 기부(380) 그리고 기부(380)에 결합된 복수 개의 권선부(382)를 포함한다. 연결 로드(338)에 제공되는 영구 자석(376)의 개수와 기부(380)에 제공되는 권선부(382)의 개수는 압축기 용례에 따라 변할 수도 있다. 유리하게는, 예시적인 구성에 의해 제공되는 토오크 밀도는 압축기 크기의 상당한 감소를 허용하여, 병진 운동 가능한 조립체(340)(도시하지 않음)의 질량을 감소시킴으로써 피크 힘 요건을 유리하게 감소시킨다. 전술한 바와 같이, 연결 로드(338)의 일부를 포함하는 외부 기부/내부는 일체형의 자성 기어 구조를 갖춘 압축기(300)(도시하지 않음)의 가능한 일 구성이다. 이러한 구성은 비제한적으로 제공되는 구성이다. 다른 예시적인 실시예에서, 구동부(332)는 외부 영구 자석 기부 그리고 연결 로드의 일부에 배열되는 권선부를 포함한다. 이러한 일 실시예에서, 복수 개의 영구 자석(376)이 기부(380)의 내면에 제공된다.
도 14에는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 자성 기어식 구동부(432)가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 코어(436)는 연결 로드(438)의 일부와, 연결 로드(438)의 일부의 내면(478)에 형성된 교호 방위(화살표로 지시됨)의 복수 개의 영구 자석(476)을 포함한다. 스테이터(434)는 기부(480) 그리고 기부(480)에 결합된 복수 개의 권선부(482)를 포함한다. 복수 개의 고정 자성 폴-피스(pole-piece)(484)가 복수 개의 코어 자석(476)과 스테이터 권선부(482) 사이에 형성되는 공기 간극(486)의 내부에 배치된다. 압축기(400)(도시하지 않음) 요건에 따라, 폴-피스(484)는 (예를 들어, 스테이터 코어 재료와 동일한 적층 시트로부터 압연 가공하여) 기부(480)에 장착될 수도 있으며, 또는 별개로 장착될 수도 있다. 일 실시예에서, 기부(480)와 폴 피스(484) 사이에 공기 간극이 존재할 수도 있다. 다른 실시예에서, 기부(480)와 폴-피스(484) 사이에 비자성 재료가 삽입될 수도 있다. 고정 폴-피스(484)는 영구 자석 코어(436)에 의해 여자되는 자기장과 고정 권선부(482)에 의해 여자되는 자기장 사이의 토오크 전달을 촉진한다. 영구 자석(476), 스테이터 권선부(482) 그리고 폴-피스(484)의 개수는 압축기 용례에 따라 변할 수도 있다.
도 15에는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 자성 기어식 구동부(532)가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 코어(536)는 연결 로드(538)의 일부 그리고 연결 로드(538)의 내면(578)에 형성된 교호 방위(화살표로 지시됨)의 복수 개의 영구 자석(576)을 포함한다. 스테이터(534)는 기부(580) 그리고 기부(580)에 결합된 복수 개의 스테이터 권선부(582)를 포함한다. 복수 개의 고정 자성 폴-피스(584)가 코어 자석(576)과 스테이터 권선부(582) 사이에 형성되는 공기 간극(586) 내에 배치된다. 도시된 실시예에서, 폴-피스(584)는 스테이터 기부(580)와 일체형이다. 이전 실시예에서 논의된 바와 같이, 고정 폴-피스(584)는 영구 자석 코어(536)에 의해 여자되는 자기장과 고정 권선부(582)에 의해 여자되는 자기장 사이의 토오크 전달을 촉진한다.
도 16에는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 자성 기어식 구동부(632)가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 구동부(632)는 제 1 고정자(636)와 제 2 고정자(696) 사이에 배치되는 이동 가능한 코어(638)를 포함한다. 코어(638)는 연결 로드(638)의 일부와 일체형의 복수 개의 영구 자석(678)을 포함한다. 각각의 스테이터는 기부(680, 683) 그리고 개개의 기부에 결합되는 복수 개의 스테이터 권선부(682, 690)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제 1 세트의 고정 자성 폴-피스(684)가 코어 자석(678)과 스테이터 권선부(682) 사이에 형성되는 공기 간극(686) 내에 배치된다. 제 2 세트의 고정 자성 폴-피스(692)가 코어 자석(678)과 스테이터 권선부(690) 사이에 형성되는 공기 간극(694) 내에 배치된다. 도 15에 도시된 실시예와 유사하게, 제 1 세트의 고정 자성 폴-피스(684)는 스테이터의 제 1 고정 기부(680)와 일체형으로 형성될 수도 있다. 제 2 세트의 고정 자성 폴-피스(692)는 스테이터의 제 2 고정 기부(683)와 일체형으로 형성될 수도 있다.
도 17에는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 자성 기어식 구동부(732)가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 구동부(732)는 제 1 스테이터(734)와 제 2 스테이터(796) 사이에 배치되는 이동 가능한 코어(736)를 포함한다. 코어(736)는 연결 로드(738)의 일부, 연결 로드의 표면(778)에 제공되는 제 1 세트의 영구 자석(776), 그리고 연결 로드의 표면(778)에 제공되는 제 2 세트의 영구 자석(798)을 포함한다. 제 1 스테이터(734)는 제 1 고정 기부(780)와 제 1 고정 기부(780)에 결합되는 복수 개의 스테이터 권선부(782)를 포함한다. 제 2 스테이터(796)는 제 2 고정 기부(788)와 제 2 고정 기부(788)에 결합되는 복수 개의 스테이터 권선부(790)를 포함한다. 도 15 및 도 16에 도시된 실시예와 유사하게, 고정 자성 폴-피스(도 17에 도시하지 않음)가 로터 자석과 스테이터 권선부 사이에 배치되거나 스테이터 코어와 일체형으로 형성될 수도 있다.
전술한 다양한 자성 기어식 구동부의 실시예에서, 압축기의 코어는 영구 자석 코어에 의해 실시된다. 그러나, 권선 자기장, 나선형 케이지(cage), 또는 절환식 자기 저항 폴을 구비한 코어의 사용을 통해 일체형 자성 기어 구조가 또한 달성될 수도 있음을 고려하여야 한다. 다시 말해, 코어의 자기장은 영구 자석 대신 DC 전력 공급 전자석을 통해 실시될 수도 있다. 또한, 플럭스 변조 장치로서의 역할을 하는 고정 폴-피스와 관련하여, 이러한 피스의 형상은 사각형 삽입부에 추가하여, 예를 들어, 타원형이나 사다리꼴과 같은 기타 다른 형상의 삽입부에 의해 구체화될 수도 있다. 전술한 실시예에 도시된 구성은 예시를 목적으로 3상 권선부를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 또한, 상이한 개수의 위상이 또한 사용될 수도 있음을 이해하여야 한다.
유리하게는, 도 12 내지 도 17에 도시된 실시예는 병진 운동 가능한 조립체의 이동 동안 활성화되는 권선부의 개수 및/또는 타이밍을 변경함으로써 압축기 피스톤이 쓸고 지나가는 체적부 및/또는 속도의 변경을 허용한다. 이것은 압축 챔버의 체적을 물리적으로 재구성(즉, 턴-다운에 의해)하여야 하는 필요성을 배제한다. 이러한 기계는 수동 작동식 크랭크에 의해 압축 실린더의 헤드 단부를 기계적으로 변위시킴으로써 용량을 제어하며, 크랭크는 비일시적 기계 판독 가능한 매체에 기록된 한 세트의 지시 사항이 프로그램된 제어부에 맞춰지기가 더 어려운 것을 특징으로 한다. 본 발명의 소정의 실시예에서, 이러한 지시 사항은, 제어부에, (a) 병진 운동 가능한 조립체의 병진 운동 시 활성화할 하위 세트의 권선부를 선택할 것, 그리고 (b) 목표 속도로 병진 운동 가능한 조립체를 병진 운동시키도록 권선부를 순차적으로 활성화할 것을 지시한다. 일 실시예에서, 병진 운동 속도는 또한, 압축기가 어큐물레이터 탄성 부재 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수로 작동하여, 탄성 부재가 병진 운동 가능한 부재의 관성 에너지를 신속하게 축적/방전하도록 선택된다. 다른 실시예에서, 압축기는 탄성 부재의 공진 주파수의 조화 주파수에서 작동함으로써, 탄성 부재의 공진 주파수에서보다 적긴 하지만, 더 많은 양의 관성 주파수를 축적한다.
도 18에는 솔레노이드 구동부(832)를 구비한 전자기 구동식 압축기(800)의 일 실시예가 도시되어 있다.
도 18에는 양방향 (BDE 디자인) 전자기 구동부(832)를 구비한 예시적인 압축기(800)가 도시되어 있다. 구동부(832)는 두 개의 코어를 포함하며, 제 1 코어(802)는 개구(806)를 구비하고 제 2 코어(804)는 개구(808)를 구비한다. 이들 코어는 구동부의 크기 및 중량을 감소시키도록 우수한 자성 특성을 갖는 철 또는 그 외 다른 금속 시트로 형성될 수도 있다. 일 실시예에서, 코어는 철-코발트 합금으로 형성된다. 예시적인 구동부(832)는 E-형상을 갖는 제 1 코어(802)와 제 2 코어(804)를 포함한다. 그 외 다른 실시예에 따르면, 코어는 이로만 제한되는 것은 아니지만 "U"-자형을 포함하는 임의의 적당한 형상을 가질 수도 있다. 구동부(832)는 병진 운동 가능한 조립체(840)에 의해 획정되는 플레이트(801)를 추가로 포함하며, 병진 운동 가능한 조립체(140)는 개구(806)와 개구(808)에 의해 미끄럼 이동 가능하게 수용된다. 실시예에 따라, 구동부가 네 개의 코어를 포함할 수도 있다. 제 1 코어(802)는 제 1 코어(802)의 내부에 배치되는 한 세트의 두 개의 코일(810)을 포함한다. 제 2 코어(804)는 제 2 코어(804)의 내부에 배치되는 다른 세트의 두 개의 코일(803)을 포함한다. 실시예에 따라, 이들 코어가 두 개 이상의 코일을 포함할 수도 있다. 압축기(800)는 병진 운동 가능한 조립체(840)가 병진 운동 축선(842)을 따라 이동하도록 하기 위한 힘을 제공하도록 전술한 바와 같이 구성되는 제 1 탄성 부재(864)와 제 2 탄성 부재(870)를 구비한 어큐물레이터(874)를 추가로 포함한다. 양방향 구동부(832)는 병진 운동 가능한 조립체(840)를 구동 가능하게 정합하여, 전술한 바와 같이 실린더(하우징)(814)의 내부에서 피스톤(812)이 왕복 운동하도록 구동시킨다.
선행 단락들에서 전술한 바와 같이, 본 명세서에 설명된 구동부의 코어의 형상은, 예를 들어, "E"-자형 또는 "U"-자형일 수도 있다. 상당히 짧은 시간 기간 동안 코어의 높은 전자기 힘을 발생시키기 위하여, 코어에서 성장하는 와류가 전자기 힘에 의해 생성되는 자속을 감소시킬 수도 있음에 따라 솔레노이드의 코어뿐만 아니라 플레이트가 보통 금속 시트로 제조되어 와류 전류 효과를 방지한다. 금속 시트를 이용한 코어의 용이하면서도 합리적인 제조를 촉진하기 위하여, 적당한 설계 구성이 사용되어야 한다. 본 명세서에 설명되고 있는 예시적인 "E"-자형 또는 "U"-자형 코어는 철제 시트와 같은 금속 시트를 이용하여 용이하게 제조될 수 있다. 또한, "E"-자형 코어는 또한, 코일이 활성화되면 코어에서 전개되는 면적이 넓은 폴을 제공한다. 플런저가 "E"-자형 코어의 중심을 통과하여 정렬되므로, 발생 자력이 ("E"-자형 코어의 중심에 대한 코일의 균일한 위치로 인해) 플런저의 양 측면에서 균일하게 분산되며, 전자기력으로 인한 플런저의 이동이 적절하게 균형을 이룰 수도 있다.
작동 시에, 제 2 코어(804) 내부의 코일(803)을 통해 전류가 인가되면 피스톤(812)은 하사점 위치에 있는 것으로 추정된다(도 18에 도시됨). 코일(803)이 활성화되면, 병진 운동 가능한 조립체(104)가 제 2 코어(804)를 향해 잡아 당겨져[화살표(805)로 도시됨], 제 2 탄성 부재(870)를 압축한다. 이에 대해서는 도 18에 도시되어 있다. 변형예로서, 코일(803)을 통해 전류가 인가되지 않으며 제 1 코어(802)의 코일(810)을 통해 전류가 인가되면 피스톤(812)이 상사점 위치(도시하지 않음)에 있는 것으로 추정된다. 그 결과, 병진 운동 가능한 조립체(840)가 제 1 탄성 부재(864)에 의해 안내되는 제 1 코어(802)를 향해 밀리게 되며, 피스톤(812)이 상사점 위치로 병진 운동한다. 유리하게는, 구동부의 양 방향 디자인에 의하면, 일 방향 디자인에서와 비교하여, 행정의 길이가 더 길어질 수도 있으며, 통상의 선형 모터와 비교하여 행정의 초기 단계에서 더 높은 힘이 제공된다. 이와 같이 힘이 증가하는 이유는, 행정의 양 단부 위치(상사점 또는 하사점)에서 미리 설치된 압축 탄성 부재(864 또는 870)가 높은 초기 힘을 제공하며, 이러한 힘에 의해 병진 운동 가능한 조립체(840)와 플레이트(801)가 반대쪽 코어를 향해 밀어내어지기 때문이다. 그러므로, 플레이트(801)와 철제 코어(802, 804)의 사이의 큰 공기 간극으로 인해 행정 초기에 존재하는 약한 자성에 탄성력이 유리하게 추가되어 초기 힘을 증대시킨다.
솔레노이드 구동부의 실시예(도시하지 않음)에서, 하나의 코어 또는 양 코어가 병진 운동 축선을 따라 독립적으로 병진 운동 가능할 수도 있다. 이러한 조절 특성은, 유리하게는, 상사점 위치와 하사점 위치 사이에서의 피스톤 주행 거리 조절을 허용하여, 압축기의 용량이 조절될 수 있도록 한다. 다른 실시예에서, 주파수 및 병진 운동 속도는 전술한 바와 같은 어큐물레이터 구성을 보상하여 조절될 수도 있다.
본 발명의 소정의 특징부만이 도시되며 설명되고 있긴 하지만, 당 업계의 숙련자라면 다수의 수정 및 변경이 가능할 것이다. 예를 들어, 도 19에는 제 2 실린더(하우징)(603), 제 2 피스톤(605)을 구비한 병진 운동 가능한 조립체(611), 그리고 구동부(632)의 양측의 제 1 어큐물레이터(607)와 제 2 어큐물레이터를 추가로 포함하는 압축기(601)에 관한 본 발명의 일 실시예가 도시되어 있다. 장치는 전술한 바와 같이 작동하며, 전술한 장점을 포함하면서 유리하게는 압축 실린더 공간이 두 배가 되도록 한다. 유사하게, 도 20에는 제 2 실린더(하우징)(803), 제 2 피스톤(805)을 구비한 병진 운동 가능한 조립체(811), 그리고 구동부(832)의 양측의 제 1 어큐물레이터(807)와 제 2 어큐물레이터를 포함하는 압축기(801)에 관한 본 발명의 일 실시예가 도시되어 있다. 장치는 전술한 바와 같이 작동하며, 전술한 장점을 포함하면서 유리하게는 압축 실린더 공간이 두 배가 되도록 한다. 따라서, 첨부된 특허청구범위가 본 발명의 참된 범위에 속하는 모든 이러한 수정 및 변경을 포함하기 위한 것임을 이해하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 왕복식 압축기를 작동시키기 위한 방법은 제 1 방향으로 병진 운동 가능한 조립체를 가속시키는 단계를 포함한다. 가속 단계는, 실질적으로 움직임이 없는 상태로부터, 병진 운동 가능한 조립체에 힘을 인가하여 조립체가 소망하는 속도를 달성하도록 하는 단계를 포함한다. 목표 속도에 도달하고 나면, 왕복식 압축기의 압축 챔버를 차지하는 가스에 의해 병진 운동 가능한 조립체의 피스톤 면에 인가되는 힘을 실질적으로 극복하도록 힘이 인가된다. 병진 운동 가능한 조립체를 가속시킴으로써 병진 운동 가능한 조립체에 관성력이 부과되어, 병진 운동 가능한 조립체에 존재하는 운동 에너지를 증가시킨다.
이러한 방법은 제 1 방향으로 주행하는 동안 병진 운동 가능한 조립체를 감속시키는 단계를 추가로 포함한다. 병진 운동 가능한 조립체의 감속은 병진 운동 가능한 조립체에 존재하는 관성력 일부를 어큐물레이터로 이전시킴으로써, 예를 들어, 전술한 탄성 부재를 변형시킴으로써 달성된다. 병진 운동 가능한 조립체의 감속 단계는 병진 운동 가능한 조립체에 존재하는 관성력을 감소시키며, 제 1 방향으로의 이동 동안 조립체와 연관된 운동 에너지를 감소시킨다.
이러한 방법은 어큐물레이터에 저장된 에너지를 사용하여 제 2 방향으로 병진 운동 가능한 조립체를 가속시키는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 병진 운동 가능한 조립체의 제 1 이동 동안 변형되는 탄성 부재는 이완되어 원래 상태로 복귀함으로써, 병진 운동 가능한 조립체에 힘을 인가하며 제 2 이동 동안 조립체를 가속시킨다.
당 업계의 숙련자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수도 있으며 등가물로 대체될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 본 발명의 가르침에 따라 특정 상황이나 재료에 적합하도록 다수의 수정이 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 발명이 개시된 특정 실시예로만 제한되는 것은 아니지만, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범위에 속하는 모든 실시예를 포함한다.
100 : 압축기 116 : 피스톤
132 : 전자기 구동부 138 : 연결 로드
140 : 병진 운동 가능한 조립체 142 : 병진 운동 축선
162, 172 : 플랜지 164, 170 : 탄성 부재
166 : 기둥 174 : 어큐물레이터

Claims (18)

  1. 압축 실린더에 왕복 이동 가능하게 배치되는 피스톤;
    상기 피스톤에 연결되는 연결 로드;
    고정 스테이터 및 상기 연결 로드에 결합되는 코어를 구비하는 전자기 구동부로서, 상기 피스톤, 연결 로드 및 코어를 포함하는 병진 운동 가능한 조립체를 왕복 운동 가능하게 구동시키도록 구성되는 전자기 구동부;
    상기 병진 운동 가능한 조립체에 결합되는 어큐물레이터(accumulator)
    를 포함하며,
    상기 어큐물레이터는,
    이동 가능한 제 1 플랜지 및 이동 가능한 제 2 플랜지를 형성하는 연결 로드;
    상기 이동 가능한 제 1 플랜지와 이동 가능한 제 2 플랜지 사이에 배치되고, 상기 어큐물레이터의 연결 로드를 미끄럼 이동 가능하게 수용하도록 구성되는 고정 기둥;
    상기 이동 가능한 제 1 플랜지와 고정 기둥 사이에 위치되고, 상기 어큐물레이터의 연결 로드와 동축인 제 1 탄성 부재; 및
    상기 이동 가능한 제 2 플랜지와 고정 기둥 사이에 위치되고, 상기 어큐물레이터의 연결 로드와 동축인 제 2 탄성 부재
    를 포함하고,
    상기 어큐물레이터는 상기 병진 운동 가능한 조립체의 제 1 방향으로의 이동을 위한 운동 시에, 존재하는 운동 에너지를 저장하도록 구성되며,
    상기 어큐물레이터는 상기 병진 운동 가능한 조립체의 제 2 방향으로의 이동을 위한 운동 시에, 존재하는 운동 에너지를 부과하도록 구성되고,
    상기 전자기 구동부는 상기 스테이터와 상기 코어 사이에 배치되는 복수 개의 자성 폴-피스(pole-piece)를 추가로 포함하는 것인 왕복식 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 어큐물레이터는, 상기 병진 운동 가능한 조립체에 결합되는 제 1 단부와 상기 병진 운동 가능한 조립체에 대하여 고정되는 제 2 단부를 구비한 스프링 조립체를 포함하며, 상기 스프링 조립체는 하나 이상의 스프링을 포함하고, 상기 스프링 조립체의 스프링 상수가 조절 가능한 것인 왕복식 압축기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스프링 조립체의 적어도 하나의 스프링은 그 길이를 따라 가변적인 스프링 상수를 갖는 것인 왕복식 압축기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 스프링 조립체는, 상이한 길이를 가지며 상이한 유효 행정을 갖도록 평행하게 배치되는 복수 개의 스프링을 포함하는 것인 왕복식 압축기.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 스프링 조립체는, 상이한 스프링 상수를 가지며 선택적으로 유효하도록 평행하게 배치되는 복수 개의 스프링을 포함하는 것인 왕복식 압축기.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 병진 운동 가능한 조립체는, 스프링의 공진 주파수와 스프링의 공진 주파수의 조화 주파수(harmonic) 중 하나와 일치하는 주파수로 왕복 운동하도록 구성되는 것인 왕복식 압축기.
  7. 압축 실린더에 왕복 이동 가능하게 배치되는 피스톤;
    상기 피스톤에 연결되는 연결 로드;
    고정 스테이터 및 상기 연결 로드에 결합되는 코어를 구비하는 전자기 구동부로서, 상기 피스톤, 연결 로드 및 코어를 포함하는 병진 운동 가능한 조립체를 왕복 운동 가능하게 구동시키도록 구성되는 전자기 구동부;
    상기 병진 운동 가능한 조립체에 결합되는 어큐물레이터
    를 포함하며,
    상기 어큐물레이터는,
    이동 가능한 제 1 플랜지 및 이동 가능한 제 2 플랜지를 형성하는 연결 로드;
    상기 이동 가능한 제 1 플랜지와 이동 가능한 제 2 플랜지 사이에 배치되고, 상기 어큐물레이터의 연결 로드를 미끄럼 이동 가능하게 수용하도록 구성되는 고정 기둥;
    상기 이동 가능한 제 1 플랜지와 고정 기둥 사이에 위치되고, 상기 어큐물레이터의 연결 로드와 동축인 제 1 탄성 부재; 및
    상기 이동 가능한 제 2 플랜지와 고정 기둥 사이에 위치되고, 상기 어큐물레이터의 연결 로드와 동축인 제 2 탄성 부재
    를 포함하고,
    상기 어큐물레이터는 상기 병진 운동 가능한 조립체의 제 1 방향으로의 이동을 위한 운동 시에, 존재하는 운동 에너지를 저장하도록 구성되며,
    상기 어큐물레이터는 상기 병진 운동 가능한 조립체의 제 2 방향으로의 이동을 위한 운동 시에, 존재하는 운동 에너지를 부과하도록 구성되고,
    상기 어큐물레이터는, 상기 병진 운동 가능한 조립체에 결합되는 제 1 전도성 재료와 상기 병진 운동 가능한 조립체에 대해 고정되는 제 2 전도성 재료를 구비한 적어도 하나의 커패시터를 포함하고, 상기 적어도 하나의 커패시터는 이동 플레이트를 구비하며 가변 정전 용량을 갖는 것인 왕복식 압축기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전자기 구동부는,
    적어도 하나의 코일이 내부에 배치되어 있으며 상기 병진 운동 가능한 조립체에 대하여 고정되는 제 1 코어;
    적어도 하나의 코일이 내부에 배치되어 있으며 상기 병진 운동 가능한 조립체에 대하여 고정되는 제 2 코어;
    상기 병진 운동 가능한 조립체에 의해 형성되는 플레이트
    를 포함하며,
    상기 플레이트는, 내부에 배치된 적어도 하나의 코일로의 전력 인가 시에 상기 제 1 코어 또는 상기 제 2 코어로 끌어당겨지는 것인 왕복식 압축기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어 사이의 축 방향 거리는 조절 가능한 것인 왕복식 압축기.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정 스테이터는 복수 개의 코일을 구비하고,
    상기 압축기는 상기 복수 개의 코일 중에서 전력이 인가되는 코일을 선택하여 병진 운동 가능한 조립체의 병진 운동 거리를 변경하도록 구성되는 것인 왕복식 압축기.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤은 제 1 피스톤 면과 제 2 피스톤 면을 형성하며,
    상기 실린더와 상기 제 1 피스톤 면이 협력하여 제 1 압축 챔버를 형성하며, 상기 제 1 압축 챔버는 가스 공급부 및 가스 전송망과 공압 연통하고,
    상기 실린더와 상기 제 2 피스톤 면이 협력하여 제 2 압축 챔버를 형성하며, 상기 제 2 압축 챔버는 가스 공급부 및 가스 전송망과 공압 연통하는 것인 왕복식 압축기.
  14. 병진 운동 가능한 조립체, 상기 병진 운동 가능한 조립체에 결합되는 어큐물레이터, 그리고 상기 병진 운동 가능한 조립체에 결합되는 전자기 구동부를 포함하는 왕복식 압축기를 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 전자기 구동부에 의해 상기 병진 운동 가능한 조립체에 힘을 인가하여 제 1 이동 방향으로 상기 병진 운동 가능한 조립체를 가속시키는 단계;
    상기 병진 운동 가능한 조립체에 존재하는 운동 에너지를 상기 어큐물레이터에 저장하여 상기 제 1 이동 방향으로 상기 병진 운동 가능한 조립체를 감속시키는 단계;
    상기 어큐물레이터에 저장된 에너지로부터 힘을 발생시켜 제 2 이동 방향으로 상기 병진 운동 가능한 조립체를 가속시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 어큐물레이터는,
    이동 가능한 제 1 플랜지 및 이동 가능한 제 2 플랜지를 형성하는 연결 로드;
    상기 이동 가능한 제 1 플랜지와 이동 가능한 제 2 플랜지 사이에 배치되고, 상기 어큐물레이터의 연결 로드를 미끄럼 이동 가능하게 수용하도록 구성되는 고정 기둥;
    상기 이동 가능한 제 1 플랜지와 고정 기둥 사이에 위치되고, 상기 어큐물레이터의 연결 로드와 동축인 제 1 탄성 부재; 및
    상기 이동 가능한 제 2 플랜지와 고정 기둥 사이에 위치되고, 상기 어큐물레이터의 연결 로드와 동축인 제 2 탄성 부재
    를 포함하며,
    상기 전자기 구동부는 스테이터, 코어, 및 상기 스테이터와 상기 코어 사이에 배치되는 복수 개의 자성 폴-피스를 포함하는 것인, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 병진 운동 가능한 조립체에 존재하는 운동 에너지를 상기 어큐물레이터에 저장하여 상기 제 2 이동 방향으로 상기 병진 운동 가능한 조립체를 감속시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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