KR102469922B1 - 왕복운동식 압축기용 유동 제어 액추에이터 - Google Patents

Abstract

왕복운동식 압축기의 전달 속도를 제어하기 위한 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''')는: 일단부에서 왕복운동식 압축기의 흡입 밸브(3)와 협력하고 타단부에서 자성 재료로 이루어진 이동 요소(18)와 협력하도록 디자인된 이동가능 로드(12, 12'); 상기 이동 요소(18)가 하우징되고 챔버(17)에 대면하는 시트(28) 내측에 위치된 전자석의 적어도 하나의 권선(29, 29')이 돌출되는 적어도 하나의 챔버(17)를 포함하며, 상기 권선(29, 29')과 상기 챔버(17) 사이에는 비자성 재료로 이루어진 적어도 하나의 보호 요소(30, 30', 30")가 위치되고, 상기 적어도 하나의 보호 요소에는 정적 실링 요소(31, 32)가 제공되며, 상기 적어도 하나의 보호 요소는 상기 이동 요소가 하우징되는 상기 챔버(17)로부터 분리된 전자석의 권선(29, 29')을 유지하도록 디자인되고, 상기 비자성 재료로 이루어진 보호 요소(30")는 제1시리즈가 상기 보호 요소에 내부에 위치되고 제2시리즈가 상기 보호 요소에 외부에 위치되는 적어도 2개 시리즈의 정적 실링 요소(31, 32)들을 포함하며, 상기 시리즈의 정적 실링 요소들 사이에는 가스 회수 구멍(42, 42')이 제공되고, 상기 챔버(23) 내에 가스 배출 및 세정 회로에 연결을 위한 적어도 하나의 구멍(35)이 제공된다.

Description

왕복운동식 압축기용 유동 제어 액추에이터{FLOW CONTROL ACTUATOR FOR RECIPROCATING COMPRESSORS}

본 발명은 왕복운동식 압축기에 관한 것으로, 특히 왕복운동식 압축기의 전달 속도를 제어하기 위한 액추에이터에 관한 것이며, 좀더 구체적으로는 왕복운동식 압축기의 흡입 밸브(들)의 연속 리턴 유동 제어를 위한 전기기계식 액추에이터, 즉 각 압축 사이클에서 흡입 밸브를 제어할 수 있는 전기기계식 액추에이터에 관한 것이다.

리턴 유동 제어는 왕복운동식 압축기에서 공지된 시스템의 유동 제어 중 하나이며, 최대 유동의 경우 폐쇄 지점에 대해 흡입 밸브(들)의 폐쇄를 지연시킴으로써 구현된다. 그러한 왕복운동식 압축기의 실린더에 들어가는 가스는 흡입 밸브(들)가 개방된 상태를 유지하는 동안 압축 행정(stroke)의 길이에 비례하는 양만큼 흡입 라인에서 역류한다.

이하의 설명에서, "동적" 실(seal), 와셔(washer) 또는 실링(sealing) 요소 및 "정적" 실, 와셔 또는 실링 요소들에 대한 참조가 이루어질 것이라는 점을 알기 바란다. 그러한 용어 "동적" 실링 요소들은 이들이 적어도 하나가 움직이는 두 개의 부분들 사이에 위치하여 마찰 및 동적 마모를 겪게 되는 요소들이기 때문에, 마모될 수 있는 실링 요소라는 것을 의미하며, 반면 "정적" 실링 요소들은 두 개의 고정된 부분들 사이에 위치하여 움직임에 따른 마모를 겪지 않는 실링 요소라는 것을 의미한다.

가장 최근에, 전자기 액추에이터로 구성되고 왕복운동식 압축기를 위한 다수의 다른 리턴 유동 제어 장치들이 당업계의 기술 수준에서 구현되었으며, 이들 장치는 다음의 특허들을 포함한다: 본 출원인 명의의 그리고 왕복운동식 압축기들의 연속 조절을 위한 장치와 관련된 WO2008000698; 전자기 액추에이터를 포함하는 밸브와 관련된 US7651069; 전달 속도 제어의 왕복운동식 압축기와 관련된 US 2012/0260796; 및 왕복운동식 압축기의 전달 속도를 제어하기 위한 방법 및 전달 속도 제어의 왕복운동식 압축기와 관련된 WO2011009879.

통상적으로, 전자기 타입의 조절 장치에는, 액추에이터의 로드와 협력하고, 차례로 압축기의 흡입 밸브(들)와 협력하는 이동 요소를 동작시키며, 종종 많은 다른 압력에서 그리고 정제 가스와 같은 많은 타입의 가스에 의해 작동해야 하는 전자석이 제공되는데, 그러한 가스의 많은 부분이 매우 인화성이 높다.

이들 장치에서 해결해야 할 주요 쟁점 중 하나는 압축 가스가 전자석의 권선 또는 이동 요소의 위치 센서와 같은 관련 전자 장치와 어떤 식으로든 접촉하는 것을 방지하는 것인데, 실제로는, 예컨대 공기 중에 존재하는 산소와 인화성 가스로 이루어진 혼합물은 전기적 진원인 점화 소스에 노출되면 폭발할 수 있다.

그러한 현재의 상태에서, 이들 전기기계식 액추에이터, 및 좀더 일반적으로 공압식 또는 유압식의 왕복운동식 압축기에 사용된 모든 액추에이터들에는 그러한 액추에이터의 로드에 위치한 동적 실이 제공되며, 일 예로서 문헌 US20100086415에 기술된 왕복운동식 압축기가 언급될 것이다.

계단식 유동 제어의 리턴 유동 제어에 사용된 일반적인 액추에이터와는 달리, 연속 유동 제어를 제공할 수 있는 리턴 유동 제어에 사용된 액추에이터들은 매우 높은 활성 주파수에 영향을 받는다. 일 예로서, 연속 리턴 유동 제어의 경우, 600 rpm으로 회전하는 압축기가 1년에 약 315 million의 액추에이터의 활성화 사이클, 즉 액추에이터의 전기자 및 관련 로드의 315 million의 하향 변위 및 동일한 수의 상향 변위를 필요로 한다는 것을 고려하면 충분하다. 액추에이터의 로드가 환형 실링 요소들이 위치한 관련 시트 내에서 슬라이드(slide)되기 때문에, 이러한 타입의 액추에이터가 갖는 가장 큰 문제점 중 하나는 이들 실링 요소의 마모이며, 이에 따라 압축 가스가 전기자를 수용하는 챔버로 들어갈 위험이 있어, 액추에이터의 전자석의 권선과 접촉하게 된다.

이들 챔버로 리턴하는 압축 가스의 위험을 감소시키기 위해, 상기 로드의 실들의 마모 시에, 로드를 통해 가스를 회수하는 시스템을 사용하고, 가능성을 감소 시키기는 하지만 완전히 효율적이지는 않은 질소 장벽 또는 등가의 불활성 가스 장벽을 사용하는 것이 알려져 있다.

액추에이터의 로드가 슬라이드하는 이들 실링 요소 또한 압축 가스에 존재할 수 있는 불순물 또는 금속 입자에 의해 손상될 수 있다.

더욱이, 공압식 또는 유압식 액추에이터와 달리, 로드의 동적 실링 요소의 손상을 일으킬 수 있는 상기 액추에이터의 로드로부터의 전기기계식 액추에이터에서의 가스 누출은, 예컨대 수소, 에틸렌 및 보다 일반적으로는 다양한 탄화수소와 같은 쉽게 인화될 수 있는 가스의 경우에서와 같이, 그러한 전체 압축기에 대한 높은 안전의 위험을 내포하고 있으며, 상기 가스는 전자석을 수용하는 챔버로 들어갈 것이다.

알고 있는 바와 같이, 전자석의 권선에 영향을 미치는 압축 가스의 가능한 침투를 방지하기 위해, 수지 마감 공정이 그것들에 적용되지만, 이러한 수지 마감으로는 압축 가스의 침투가 발생하지 않도록 보장하기에는 충분하지 않다. 또한, 수지 마감 및 가스 침투 내부 또는 아래에 에어 포켓이 형성될 수 있기 때문에 액추에이터 뿐만 아니라 압축기 자체도 위험에 처할 수 있다는 것을 고려해야 한다. 실제로, 왕복운동식 압축기는 100 bar를 초과할 수 있는 흡입 압력으로 많은 다른 압력에서 작동할 수 있다는 것을 기억해야 한다.

따라서, 본 발명의 목적 중 하나는 앞서 언급한 공지의 액추에이터 및 시스템들의 결점 및 문제점을 극복하는, 왕복운동식 압축기, 즉 각 압축 사이클에서 흡입 밸브에 작용할 수 있는 액추에이터의 전달 속도의 연속 리턴 유동 제어를 위한 액추에이터를 제공하고, 이에 따라 기존의 왕복운동식 압축기의 흡입 밸브에 적용할 수 있는 보다 안전하고, 균형 있고, 신뢰성이 있는 액추에이터, 및 결과적으로 특히 높은 인화성 가스가 많은 환경에서 사용되는 경우, 압력 보상의 관점에서 장점을 갖는 매우 안전한 액추에이터, 즉 내부 압력 관점에서 균형을 이루고, 움직일 경우 다양한 부분들간 마찰을 제한하는 관점에서 효과적인 액추에이터를 제공하는 것이다.

이러한 그리고 다른 목적들은 본 발명의 청구항 1에 청구한 바와 같은 왕복운동식 압축기의 전달 속도를 제어하기 위한 액추에이터에 의해 달성된다. 또 다른 장점 특성들은 종속 청구항들에 정의되어 있다.

본 발명의 제1양태에 따르면, 왕복운동식 압축기의 전달 속도를 제어하기 위한 전기기계식 액추에이터는: 일단부에서 왕복운동식 압축기의 적어도 하나의 흡입 밸브와 협력하고 타단부에서 자성 재료로 이루어진 이동 요소와 협력하도록 디자인된 이동가능 로드; 상기 이동 요소가 하우징되고 적어도 하나의 전자석이 대면하는 적어도 하나의 챔버를 포함하며; 이러한 전자석의 권선은 상기 챔버에 대면하는 시트 내측에 위치되고, 적어도 하나의 보호 요소는 비자성 재료로 이루어지고, 적어도 하나의 보호 요소에는 상기 권선과 상기 챔버 사이에 위치되는 적어도 하나의 정적 실링 요소가 제공되며, 적어도 하나의 보호 요소는 이동 요소가 위치되는 상기 챔버로부터 분리된 전자석의 권선을 유지할 수 있다.

장점적으로, 전자석들의 권선(들)의 적어도 하나의 비자성 보호 요소를 포함하고 적어도 하나의 정적 실이 제공된 왕복운동식 압축기들의 전달 속도의 연속 리턴 유동 제어를 위한 전기기계식 액추에이터는 움직이는 부분들의 마찰의 관점에서 볼 때 매우 신뢰성 있고, 안전하고, 효율적이며, 수반된 압력의 관점에서 볼 때 매우 균형적이다.

상기 로드에 위치한 동적 실의 대안으로 또는 그 대신에, 상기 정적 실링 요소들의 사용은, 특히 정제 가스와 같은 인화성 가스가 쉽게 처리될 때 높은 수준의 안전성을 제공한다.

또한, 상기 비자성 보호 요소들의 사용은 상기 비자성 요소들이 전자석에 의해 생성된 자기장이 전기자에서 폐쇄되고 비자성 요소에서 폐쇄되지 않게 함으로써, 그 생성된 자기장에 영향을 미치지 않고 전자석의 권선들을 보호할 수 있게 한다.

더욱이, 상기 비자성 요소들의 사용은 이러한 제어 액추에이터의 대안의 구성에서, 동적 실의 완전한 제거를 이끈다. 이러한 대안의 전자기 액추에이터 구성은 동적 실 없이 그러한 시스템에 대한 다른 장점들을 제공한다. 첫 번째로, 시스템의 중요한 포인트 중 하나가 동적 실의 실패에 의해 나타나므로 시스템의 신뢰성이 증가한다. 또한, 그러한 대안의 구성은 두 번째의 기본적인 장점을 제공한다. 즉, 상기 로드 상에 배치된 동적 실들의 제거는 움직이는 부분들이 동일한 환경에 들어가고, 이에 따라 이동 요소 또는 전기자의 압력이 서로 상쇄됨으로써, 균형 잡힌 시스템을 제공한다. 따라서, 동적 실들 없이, 예컨대 문헌 US7651069에서 기술한 바와 같은 복잡한 압력 보상 시스템에 의존하지 않고 균형 잡힌 시스템을 얻을 수 있다.

액추에이터의 로드 상의 동적 와셔들의 존재와 관련된 또 다른 부정적인 면은, 언급한 바와 같이, 이들이 발생시키는 마찰과 관련이 있다. 따라서, 전자석의 권선을 보호하기 위해 배치된 정적 실이 장착된 비자성 장치의 존재는 전체 시스템에 대한 높은 신뢰성과 더 높은 안전 수준을 보장한다.

더욱이, 이러한 액추에이터에는 전기 위치 센서가 설치된 영역에 비자성 및 비전도성 요소가 추가로 제공되어, 그 센서 아래의 챔버에 있는 가스가 센서의 전기 부분과 접촉하는 것을 방지한다.

이러한 챔버를 배출 회로에 연결하는 센서가 위치하는 챔버에 적어도 하나의 구멍이 제공될 수 있다. 알고 있는 바와 같이, 폭발성 가스를 압축하는 압축기는 그 압축기에서 공기를 제거하기 위해 질소에 의한 세정 사이클에 들어간다. 이러한 세정은 폭발성 혼합물의 형성을 방지하기 위해 수행된다. 이들 세정 사이클 동안, 여러 챔버 내의 공기 포켓을 제거할 필요가 있다. 밸브에 의해 제어된 배출 회로에 연결된 구멍들의 사용은 압축기 세정 동작 동안 챔버에서 공기 포켓을 방출할 수 있다.

전자석의 권선(들)의 비자성 보호 요소는, 일반적으로, 단순한 환형 형상을 갖거나, 또는 비자성 재료로 이루어진 보호 요소는 정위치에 유지하기 위한 제1내부 링 및 제2외부 링을 포함하여 제공될 수 있다. 바람직하게, 이들 링은 서로 동축이며 적절한 스포크(spoke)로 연결된다.

또한, 이러한 액추에이터는 흡입 밸브의 푸셔(pusher)의 로드를 액추에이터의 로드에 연결하기 위한 기계 장치를 포함할 수도 있다. 이러한 장치의 목적은 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 특히 2개의 로드들간 접촉 영역에 생성된 가능한 마모를 피하고 복잡한 동작 보상시스템을 사용하지 않는 것이다. 바람직한 구성에 있어서, 흡입 밸브는 압축기의 실린더 내의 하우징에 삽입되고 밸브 커버에 의해 그 위치에 락(lock)된다. 다음에, 전기기계식 액추에이터가 삽입된 플랜지 몸체가 밸브 커버에 연결된다. 이후, 2개의 로드를 서로 일체로 만들기 위한 기계 장치의 나사 체결은 플랜지 몸체 및 적절한 도구에 있는 적절한 커버를 사용하여 수행된다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 비제한적인 예로서 제공되고 첨부 도면을 참조한 다음의 설명의 과정에서 더 잘 이해 될 것이다:
도 1은 대향하는 비자성 보호 요소의 제1실시예 및 전자석들이 구비된 본 발명에 따른 왕복운동식 압축기의 전달 속도를 제어하기 위한 전기기계식 액추에이터의 제1실시예의 단면도를 나타내고;
도 2는 도 1의 전기기계식 액추에이터의 확대도를 나태내고;
도 3은 도 1 및 2의 액추에이터에 사용된 비자성 요소들 중 하나의 사시도를 나타내고;
도 4는 도 3의 비자성 요소의 사시 단면도를 나타내고;
도 5는 비자성 보호 요소의 실시 변형의 사시도를 나타내고;
도 6은 도 5의 비자성 요소의 사시 단면도를 나타내고;
도 7은 도 4 및 5에 나타낸 비자성 보호 요소의 실시 변형을 포함하는 이러한 액추에이터의 제2실시예를 나타내고;
도 8은 연관된 로드가 기계 장치에 의해 왕복운동식 압축기의 흡입 밸브의 푸셔의 로드에 연결된 도 7의 액추에이터의 다른 단면도를 나타내고;
도 9는 단일의 전자석이 제공되는 이러한 액추에이터의 다른 변형의 단면도를 나타내고;
도 10은 가스 회수 구멍이 비자성 보호 요소에 대응하는 위치에 제공되는 이러한 액추에이터의 또 다른 변형의 단면도를 나타내며;
도 11은 벨로우즈(bellows)의 사용이 고려되는 액추에이터의 단면도를 나타내며, 벨로우즈의 일단부는 액추에이터의 하부 몸체와 일체화되고 그 타단부는 액추에이터의 로드와 일체화된다.

부가된 도면을 참조하면, 특히 그 도 1 및 도 2를 참조하면, 도면참조부호 1은 부분적으로 나타낸 왕복운동식 압축기의 실린더를 나타내며, 그 실린더는 단일 또는 이중 작동이 가능하고 그 내부에서 피스톤(2)이 슬라이드한다. 흡입 밸브(3)를 하우징하기 위한 개구(101)가 상기 실린더의 벽 상에 존재한다. 흡입 챔버(203)는 흡입 라인(501)을 챔버(502)와 연통시키며, 챔버(502)에서 유체의 압축이 일어난다. 상기 흡입 밸브(3)는 커버(303)에 의해 실린더에서 락된다. 상기 흡입 밸브(3)는 주로 다음의 요소들로 이루어진다. 즉, 가스의 통과를 위한 덕트(113)가 제공된 시트(903; seat), 가스의 통과를 위한 덕트(503)가 제공된 카운터-시트(103), 탄성 로딩 수단(603), 적어도 하나의 실링 요소(703), 및 레그(104; leg)들을 통해 밀폐 장치(703)로 작용하여 밸브(3)를 개방 위치로 강제하기 위해 개구(101)에 대해 축 방향으로 슬라이딩하는 푸셔(4)로 이루어진다. 실린더 챔버(502)에 대향하여 대면하는 커버(303)의 부분에는 축 구멍(8)이 제공되며, 그 안에 전기기계식 액추에이터(9)가 삽입되어 핀(11)에 의해 커버(303)에 고정된다. 액추에이터(9)의 로드(12)는 축 방향으로 상기 액추에이터의 몸체(209) 내측으로 슬라이드 되어 안내 요소(13)에 의해 안내된다. 액추에이터(9)의 로드(12)의 하단부는 푸셔(4)의 로드(7)의 상단부에 인접한다. 실링 요소(14)들이 액추에이터의 몸체(209) 내측에 제공되어 상기 몸체(209) 내측에 형성된 적절한 시트 내에 하우징되며, 이들은 로드(12)가 그들과 접촉하는 병진 운동으로 움직이는 것을 보장해야 하기 때문에, 본질적으로 동적 실링 요소라고 부른다. 상기 액추에이터(9)는 실질적으로 적절한 핀(15)들에 의해 제거가능하게 서로 고정된 하부 몸체(209), 중심 몸체(309) 및 상부 몸체(409)로 구성된다. 실링 요소(16)들은 액추에이터의 중심 몸체(309)와 하부 및 상부 몸체(209 및 409) 사이에 위치되며, 이러한 경우, 그들과 접촉하는 이동하는 부재 또는 다른 요소들이 없기 때문에 정적 실링 요소라고 부른다. 액추에이터(9) 내측에는 자성 재료로 이루어진 이동 요소(18)가 상기 챔버(17)의 벽과 접촉하는 안내 요소(19)에 의해 슬라이드 가능한 챔버(17)가 존재한다. 이러한 이동 요소 또는 전기자(18)는 액추에이터의 로드(12)와 일체화되어 있고, 도면에 나타낸 바와 같이 챔버(17)의 중심 위치에 유지하려는 경향이 있는 한 쌍의 스프링(20 및 21)과 양 측면이 접촉한다. 스프링(20)은 액추에이터의 로드(12) 둘레에 위치되고, 일단부는 액추에이터의 하부 몸체(209)에 형성된 적절한 시트의 하부와 접촉하고 타단부는 전기자(18)의 하부와 접촉한다. 또한, 스프링(21)은 상기 로드(12) 둘레에 위치되고, 스프링(20)과 정렬되며, 일단부에서 상기 전기자(18)의 상부와 접촉하고 타단부에서 상기 액추에이터의 상부 몸체(409)에 형성된 시트의 하부와 접촉한다. 액추에이터의 로드(12)는 상부 몸체(409)의 구멍(22)으로부터 상부 챔버(23) 내로 돌출되며, 그 내측에는 위치 센서(24)가 제공되고, 상기 위치 센서는 바람직하게 상기 액추에이터(9)의 상부 몸체(409)의 상부에 배치된 비자성 지지 요소(25)에 연결된다. 이러한 센서(24)는 로드(12)의 위치를 검출하고 이에 따라 그와 일체화된 전기자(18)의 위치를 검출하여, 흡입 밸브(3)의 폐쇄 위치를 효과적으로 제어한다. 비자성 재료로 이루어진 요소(26)는 센서(24)를 보호하기 위해 제공되며, 상기 챔버(23) 내에 존재하는 가스가 상기 센서(24)가 구비된 전기 부분과 접촉하는 것을 방지하기 위해 실링 요소(27)에 의해 고정된다. 상기 챔버(17)에 대면하는 환형 시트(28)는 액추에이터의 하부 몸체(209)에 제공된다. 이러한 시트(28)는 권선(29)과 챔버(17) 사이에 삽입된, 그래서 궁극적으로 전자석의 권선(29)과 이동 전기자(18) 사이에 삽입된 비자성 재료로 이루어진 환형 보호 요소(30) 및 전자석의 권선(29)을 하우징한다. 또한, 환형 시트(28')가 권선(29') 보호의 목적을 위한 비자성 재료로 이루어진 또 다른 환형 요소(30') 및 전자석의 권선(29')을 하우징하기 위한 액추에이터의 상부 몸체(409)에 제공된다. 그러한 비자성 환형 요소(30)들 모두에는 적어도 하나의 내부 실링 요소(31) 및 적어도 하나의 외부 실링 요소(32)가 제공되며, 이러한 경우 장점적으로 정적 실링 요소가 제공된다. 상기 2개의 권선(29 및 29')들은 축 방향으로 서로 대향한다. 도 1 및 2를 관찰함으로써 쉽게 추축할 수 있는 바와 같이, 비자성 재료로 이루어진 이들 환형 요소(30)들은 이들이 조립 및 연결되는 동안 중심 몸체(309)와 상기 액추에이터(9)의 상부 몸체(409) 및 하부 몸체(209) 사이에 삽입될 수 있다. 더욱이, 상기 액추에이터(9)가 이들 분리가능한 몸체(209, 309 및 409)들에 의해 형성될 수 있기 때문에, 필요에 따라 이들 비자성 실링 요소(30)들을 쉽게 교체할 수 있다. 상기 비자성 요소(30)들의 사용은 전자석에 의해 생성된 자기장에 영향을 미치지 않고 그 전자석들의 권선(29 및 29')을 보호할 수 있다. 사실상, 도 2를 참조하면, 상기 비자성 요소(30)들은 전자석의 권선(29 또는 29')에 의해 생성된 자기장(M 또는 M')이 비자성 요소(30)가 아닌 전기자(18) 상에서 폐쇄되도록 한다. 정적 실링 요소(31 및 32)들이 제공된 비자성 요소(30)의 추가와 관련된 또 다른 이점은 로드(12)가 마모 후에 미끄러지고 전기기계식 액추에이터의 안전성을 위태롭게 할 수 있는 동적 실링 요소(14)의 가능한 응력 및 실패의 경우에 액추에이터(9)의 우수한 실링이 보장된다는 것이다. 그러한 액추에이터의 안전성은 특히 수소, 에틸렌, 정제 가스 등과 같은 인화성이 높은 압축 가스가 존재할 때 중요하며, 따라서 정적 실링 요소(31, 32)가 부착된 비자성 환형 요소(30)들의 존재는 결과적으로 실이 동적 마모를 겪지 않아서, 가스가 전자석의 권선(29, 29')과 접촉하는 것을 방지한다. 흡입 챔버(203) 내에 존재하는 가스가 상기 전기자(18)가 이동하는 챔버(17)에 도달할 가능성을 더 제한하기 위해, 가스를 회수하기 위한 제1반경 방향 구멍(33) 및 질소 장벽 가스를 공급하기 위한 제2반경 방향 구멍(34)이 상기 몸체(209) 상에 제공된다(도 1과 관련).

수반된 도면의 도 3 및 4는 도 1 및 2와 관련하여 기술된 비자성 재료로 이루어진 2개의 환형 요소(30)들 중 하나를 나타낸다. 그러한 환형 요소(30)는 보다 작은 폭의 제2주변 링(330; 외부 링)에 연결된 보다 큰 폭의 제1내부 링에 의해 형성되며, 상기 보다 큰 폭의 제1내부 링(130)은 스포크(230)들에 의해 상기 보다 작은 폭의 제2주변 링(330)에 연결된다. 상기 내부 링(130) 및 외부 링(330)은 동축이다. 상기 내부 링(130)을 외부 링(330)에 연결하는 스포크(230)들은 바람직하게 동일한 길이를 가지며 서로 일정하게 이격된다. 상기 내부 링(130)에는 도 2의 실링 요소(31)을 하우징하기 위한 제1내부 환형 시트(430) 및 도 2의 실링 요소(32)를 하우징하기 위한 제2외부 환형 시트(530)가 존재한다. 외부 환형 요소(330)의 목적은 환형 실링 요소(30)가 도 2의 액추에이터의 몸체들 사이, 즉 상부 몸체(409)와 중심 몸체(309) 사이 또는 중심 몸체(309)와 하부 몸체(209) 사이에 위치될 때 내부 링(130)을 제 위치에 견고하게 유지하는 것이다.

도 5 및 6은 단순 변형의 비자성 재료로 이루어진 환형 요소(30')를 나타낸다. 기본적으로, 이러한 변형에서, 그 실링 요소는 환형 하우징 시트(430) 내측에 내부 실링 요소가 제공되고 환형 하우징 시트(530) 외측에 외부 실링 요소가 제공된 단일 링(130')을 포함한다.

도 7은 도 5 및 도 6의 비자성 환형 요소(30')들이 사용된 이러한 전기기계식 액추에이터(9')의 변형을 나타낸다. 앞선 도면들과 관련하여 이미 기술된 요소들은 동일한 도면참조부호를 갖는다. 이들 비자성 실링 요소(30')들에 내부 및 외부 실링 요소(31 및 32)들이 제공됨에 따라, 도 1에 나타낸 동적 마모가 있는 실링 요소(14)들의 도움 없이 액추에이터(9')의 로드(12)가 하부 몸체(209) 내측으로 이동할 수 있게 한다. 또한, 구멍(35)은 질소의 배출 및 세정을 위한 회로에 연결하기 위해 상부 챔버(23)의 벽들 중 하나에 형성되고, 밸브(36)에 의해 제어될 수 있다. 알려진 바와 같이, 압축기가 동작하기 전에, 압축기는 이 압축기로부터 공기를 제거하기 위해 세정 사이클 동안 질소에 의한 세척을 수행한다. 이러한 세정은 폭발성 혼합물의 형성을 방지하기 위해 수행된다. 이들 세정 사이클 동안, 여러 챔버에서 에어 포켓을 제거해야 한다. 밸브(36)에 의해 제어된 배출 회로에 연결된 구멍(35)의 이용은 압축기 세정 동작 동안 챔버(23, 17 및 203)들로부터 에어 포켓을 방출하게 한다. 도 7에 나타낸 구성, 즉 동적 실(14)이 존재하지 않는 구성으로부터 도출되는 다른 이점은 로드(12)에 작용하는 압력에 기인한 전기자(18)의 불균형과 관련된다. 일 예로서, 흡입 챔버(203)에서 직경 20 mm 및 가스 압력 60 bar의 로드(12)가 고려되고, 도 1에서와 같이 로드(12) 상에 동적 실(14)이 존재한다면, 약 1848 N의 전기자(18)(밸브(3)에 대향하는 측)에 업스러스트(upthrust)가 존재할 것이다. 따라서, 로드 상의 동적 실(14)의 존재는 전기자(18)에서 불균형을 야기할 수 있는데, 특히 도 1에서와 같이 대향하는 전자석들을 갖는 액추에이터 구성에서 발생할 수 있다. 공지된 조절 시스템에서 전기자(18)의 불균형으로 야기되는 부정적 효과를 줄이기 위해, 대체로 가변 압축 가스 압력을 갖는 작업 조건, 즉 일반적으로 왕복운동식 압축기가 작동하도록 요청되는 과정에서 필요한 조건에 부적합한 다소 복잡한 압력 보상 시스템에 의지할 필요가있다. 대신에, 이러한 액추에이터를 사용하면, 심지어 이들 동적 실은 챔버(23, 17, 및 203) 내의 압력이 동일한 액추에이터의 이러한 구성으로서 정적 실링 요소(31 및 32)의 사용으로 인해 제거될 수 있으며, 전기자(18)가 실린더 챔버의 압력에 영향을 받지 않는 완벽하게 균형 잡힌 위치를 갖게 한다.

도 8은 도 7에 나타낸 바와 같이, 예컨대 도 1의 푸셔(4)의 병진 이동 로드(7')에 연결하기 위한 기계 장치(37)가 장착된 전기기계식 액추에이터(9')를 나타낸다. 이러한 구성에 있어서, 로드(7')에는 액추에이터(9')의 로드(12')에 부착된 너트(38; nut)에 나사 결합되는 나사산 팁(207; threaded tip)이 제공된다. 기본적으로, 흡입 밸브(3)는 도 1에서와 같이 커버(303)에 의해 개구(101)에서 압축기의 벽에 하우징되고, 이후 액추에이터의 로드(12)가 삽입되는 플랜지 및 중공 몸체(39)가 이러한 커버(303)에 고정된다. 이 지점에서, 연관된 플랜지가 구비된 액추에이터(9')는 핀(11)에 의해 플랜지 몸체(39)의 상부에 고정된다. 이러한 플랜지 몸체(39)는 커버(41)에 의해 닫혀 밀봉된 접근 개구(40)가 있는 측면에 제공된다. 이러한 커버(41)를 제거함으로써, 적합한 도구를 이용하여 푸셔의 로드(7')의 나사산 팁(207) 상에 너트(38)를 조일 수 있다. 기계 장치(37)의 사용은 2개의 로드를 함께 유지하여 2개의 개별 로드(12 및 7)에서 발생될 수 있는 마모의 문제를 제거하고 특허 US2012/0260796에 기술된 복잡한 동작 보상 시스템의 사용을 피한다.

도 9는 전기기계식 액추에이터(9")의 또 다른 변형을 나타내며, 여기서는 단지 단일의 전자기 권선(29)의 사용만이 고려되고 이에 따라 연관된 외부 실링 요소(32) 및 내부 실링 요소(31)가 제공된 단지 하나의 비자성 환형 보호 요소(30')만이 고려된다. 이러한 경우, 액추에이터의 상부 몸체(409)는 로드(12)의 상부 부분의 중심에 관통 구멍(22)을 구비하고, 전기자(18)가 이동하는 챔버(17)를 향하는 편평한 형상을 가질 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 전기기계식 액추에이터(9''')의 다른 변형을 나타낸다. 그러한 전기기계식 액추에이터(9''')는 2개의 대향하는 권선(29 및 29') 및 비자성 환형 요소(30")를 구비하나, 상기 비자성 환형 요소에는 시리즈의 2개의 내부 실링 요소(31)들 및 2개의 외부 실링 요소(32)들이 제공된다. 제1가스 회수 구멍(42)이 제1시리즈의 실링 요소와 제2시리즈의 실링 요소 사이의 높이에서 박스형 몸체(409)에 제공되고, 유사하게 제2가스 회수 구멍(42')이 제1시리즈의 실링 요소와 제2시리즈의 실링 요소간 액추에이터의 하부 몸체(209)에 제공된다. 상기 제1시리즈의 실링 요소(31 및 32)와 제2시리즈의 실링 요소(31 및 32)간 배열된 가스 회수 구멍(42 및 42')의 존재는 고 폭발성 가스용 압축기와 함께 사용될 때 전기기계식 액추에이터의 안전 수준을 더 증가시킨다.

도 11은 본 발명에 따른 전기기계식 액추에이터(9''')의 다른 변형을 나타낸다. 그 전기기계식 액추에이터(9''')는 일단부가 액추에이터의 몸체(209)와 일체화되고 타단부가 로드(12) 상에 형성된 로브(112)와 일체화된 벨로우즈(44)를 구비한다.

상기한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 전기 기계 액추에이터에 대해 다양한 유리하게 사용될 수 있는 실시예 및 변형예가 존재하며, 당연히 이들 실시예 및 변형예가 다양한 방식으로 서로 결합될 수 있다.

일반적으로, 기능적 관점에서, 전자기(즉, 전기기계식) 액추에이터(9, 9', 9", 9''')는 바람직하게 단일 방향으로, 즉 푸셔(4)의 로드(7 또는 7')의 동작과 결합된 로드(12 또는 12')의 동작에 의해 흡입 밸브(3)에서 동작하고, 이러한 전기기계식 액추에이터는 각각의 압축 사이클에서 흡입 밸브 개방을 유지하는 능력을 가지며, 이에 따라 압축기에 의해 생성된 전달 흐름을 플랜트의 요구사항에 맞게 제어할 수 있다. 공지된 전기기계식 액추에이터와는 달리, 이러한 액추에이터는 보다 안전하고, 보다 균형적이면서 신뢰성 있는 방식으로 전달 속도의 연속 리턴 유동 제어를 구현하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 나타낸 변형들 또는 그 변형들의 조합에 따르면, 왕복운동식 압축기의 전달 속도를 제어하기 위한 이러한 전기기계식 액추에이터는, 인화성이 높은 가스가 처리되는 정유 공장에서 왕복운동식 압축기의 전달 속도를 제어하기 위한 시스템이 종종 필요하기 때문에, 안전성 측면에서 유리하다. 더욱이, 액추에이터가 압력, 진동 및 고온을 겪는 것을 고려하면, 전기적 절연의 열화는 스파크, 즉 가스를 점화시키기 위한 점화 소스를 생성하기에 충분하다. 적절한 정적 실링 요소가 제공되고 따라서 동적 열화가 없는 비자성 보호 요소를 사용하면 액추에이터의 안전 수준이 크게 높아진다. 동시에, 보호 요소가 형성되는 비자성 재료는 액추에이터가 제공되는 전자석의 권선이 적절하고 효율적으로 그들 기능을 수행하게 한다. 실제로 자기장은 전기자에서 계속 폐쇄된다.

이러한 전기기계식 액추에이터는 압력 보상 관점에서 확실한 이점을 갖는다. 액추에이터의 로드(12 또는 12')는 일단부의 가스, 즉 흡입 밸브(3)와 접촉하는 단부에 의해 추력을 받는다. 이러한 가스 추력은, 특히 대향하는 전자석들을 가진 액추에이터에서 전기자의 중심 위치에 불균형을 생성한다. 필요할 경우, 비자성 보호 요소(30, 30', 30")의 사용은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 동적 마모를 겪는 모든 실링 요소를 제거하며, 결과적으로 액추에이터 내측의 가스를 가져올 수 있게 하고, 궁극적으로 동일한 압력을 받는 시스템을 형성한다. 즉, 보상된 시스템을 얻을 수 있다.

이러한 전기기계식 액추에이터는 또한 매우 신뢰할만한 것으로 밝혀졌다. 실제로, 동적 마모를 겪지 않는 실링 요소, 따라서 소위 정적 실링 요소가 사용되는 것이 바람직하다. 일 예로서, 연속 리턴 유동 제어의 경우, 600 rpm으로 회전하는 압축기가 1년에 약 315 million의 액추에이터의 활성화 사이클, 즉 액추에이터의 전기자 및 관련 로드의 315 million의 하향 변위 및 동일한 수의 상향 변위를 필요로 한다는 것을 고려하면 충분하다. 정적 실링 요소의 사용, 및 이에 따라 동적 마모 사이클을 겪지 않아 일관된 신뢰성 이점을 제공하는 것은 분명하다.

상기한 결과로, 이러한 전기기계식 액추에이터는 움직이는 부분들간 마찰의 상당한 제한이라는 관점에서 이점이 있는 것으로 밝혀졌다. 본질적으로, 동적 마모를 겪는 실링 요소는 마찰력을 생성한다. 더 동적인 와셔가 사용되면, 마찰력이 로드에 생성된다. 더욱이, 압력이 높을수록 마찰력이 더 커진다. 최적의 성능을 보장하기 위해서는 조절 시스템이 신속하게 작동할 수 있어야 하는 것은 분명하다. 소위 동적 와셔 또는 실링 요소가 없거나 적어도 한계가 있기 때문에, 마찰력을 감소시켜 액추에이터를 더 완벽하고 효율적으로 만들 수 있다.

Claims (11)

1. 왕복운동식 압축기의 전달 속도를 제어하기 위한 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''')로서,
   일단부에서 왕복운동식 압축기의 흡입 밸브(3)와 협력하고 타단부에서 자성 재료로 이루어진 이동 요소(18)와 협력하도록 디자인된 이동가능 로드(12, 12'); 상기 이동 요소(18)가 하우징되고 챔버(17)에 대면하는 시트(28) 내측에 위치된 전자석의 적어도 하나의 권선(29, 29')이 돌출되는 적어도 하나의 챔버(17)를 포함하며,
   상기 권선(29, 29')과 상기 챔버(17) 사이에는 비자성 재료로 이루어진 적어도 하나의 보호 요소(30, 30', 30")가 위치되고, 상기 적어도 하나의 보호 요소에는 정적 실링 요소(31, 32)가 제공되며, 상기 적어도 하나의 보호 요소는 상기 이동 요소가 하우징되는 상기 챔버(17)로부터 분리된 전자석의 권선(29, 29')을 유지하도록 디자인되고,
   상기 비자성 재료로 이루어진 보호 요소(30")는 제1시리즈가 상기 보호 요소에 내부적으로 위치되고 제2시리즈가 상기 보호 요소에 외부적으로 위치되는 적어도 2개 시리즈의 정적 실링 요소(31, 32)들을 포함하며, 상기 시리즈의 정적 실링 요소들 사이에는 가스 회수 구멍(42, 42')이 제공되고, 챔버(23) 내에 가스 배출 및 세정 회로에 연결을 위한 적어도 하나의 구멍(35)이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
2. 청구항 1에 있어서,
   비자성 재료로 이루어진 보호 요소(30, 30', 30")는 환형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
3. 청구항 1에 있어서,
   이동 요소(18)에 대해 챔버(17)의 측면에 위치된 2개의 대향하는 전자기 권선(29, 29')을 포함하고, 전자석의 각각의 권선(29, 29')에는 비자성 재료로 이루어진 연관된 보호 요소(30, 30', 30")가 제공되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
4. 청구항 1에 있어서,
   비자성 재료로 이루어진 보호 요소(30, 30')는 적어도 하나의 내부 실링 요소(31) 및 적어도 하나의 외부 실링 요소(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
5. 청구항 1에 있어서,
   비자성 재료로 이루어진 보호 요소(30)는 제1내부 링(130) 및 제2외부 링(330)을 포함하고, 상기 제1내부 링 및 상기 제2외부 링은 스포크(230)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 보호 요소(30, 30', 30")가 정적 실링 요소(31, 32, 10, 16, 27)만을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
7. 청구항 1에 있어서,
   로드(12)는 기계 장치(37)에 의해 흡입 밸브(3)의 푸셔(4)의 로드(7)에 연결되도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 기계 장치(37)는 흡입 밸브(3)의 커버(303)에 제거가능하게 연결된 플랜지 몸체(39)의 내측에 수용되고, 상기 플랜지 몸체(39)에 유체-기밀 방식으로 연결된 적어도 하나의 커버(41)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
9. 청구항 1에 있어서,
   이동 요소(18)의 위치를 검출하기 위해 센서(24)가 배치되는 챔버(23)를 포함하며, 상기 센서(24)에는 비자성 재료로 이루어진 연관된 보호 요소(26) 및 적어도 하나의 실링 요소(27)가 제공되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
10. 청구항 1에 있어서,
    로드(12)가 슬라이드하는 몸체(209)를 포함하며, 가스 회수를 위한 제1반경 방향 구멍(33) 및 질소와 같은 불활성 장벽 유체를 공급하기 위한 제2반경 방향 구멍(34)이 상기 몸체(209)에 제공되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
11. 청구항 1에 있어서,
    일단부에서 몸체(209)와 일체화되고 타단부에서 로드(12)와 일체화되는 벨로우즈(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 액추에이터(9, 9', 9", 9''').
    

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