KR102528798B1 - 자기적으로 작동하는 피스톤을 갖는 회전 기계 - Google Patents

자기적으로 작동하는 피스톤을 갖는 회전 기계 Download PDF

Info

Publication number
KR102528798B1
KR102528798B1 KR1020180055265A KR20180055265A KR102528798B1 KR 102528798 B1 KR102528798 B1 KR 102528798B1 KR 1020180055265 A KR1020180055265 A KR 1020180055265A KR 20180055265 A KR20180055265 A KR 20180055265A KR 102528798 B1 KR102528798 B1 KR 102528798B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
piston
rotor
path
magnetic
axis
Prior art date
Application number
KR1020180055265A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180134283A (ko
Inventor
알. 훌 존
Original Assignee
더 보잉 컴파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 보잉 컴파니 filed Critical 더 보잉 컴파니
Publication of KR20180134283A publication Critical patent/KR20180134283A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102528798B1 publication Critical patent/KR102528798B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa
    • H02K7/061—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa using rotary unbalanced masses
    • H02K7/063—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa using rotary unbalanced masses integrally combined with motor parts, e.g. motors with eccentric rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B1/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements
    • F01B1/06—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with cylinders in star or fan arrangement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B1/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements
    • F01B1/06—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with cylinders in star or fan arrangement
    • F01B1/062—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with cylinders in star or fan arrangement the connection of the pistons with an actuating or actuated element being at the inner ends of the cylinders
    • F01B1/0634—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with cylinders in star or fan arrangement the connection of the pistons with an actuating or actuated element being at the inner ends of the cylinders with two or more series radial piston-cylinder units
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/17—Stator cores with permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/34—Reciprocating, oscillating or vibrating parts of the magnetic circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/10—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the permanent-magnet type
    • H02K49/104—Magnetic couplings consisting of only two coaxial rotary elements, i.e. the driving element and the driven element
    • H02K49/108—Magnetic couplings consisting of only two coaxial rotary elements, i.e. the driving element and the driven element with an axial air gap
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1815—Rotary generators structurally associated with reciprocating piston engines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1869—Linear generators; sectional generators
    • H02K7/1876—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2242/00—Ericsson-type engines having open regenerative cycles controlled by valves
    • F02G2242/40—Piston-type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2257/00—Regenerators
    • F02G2257/02—Regenerators rotating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2258/00—Materials used
    • F02G2258/80—Materials used having magnetic properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

회전 기계가 개시되고 원주를 정의하는 스테이터, 복수의 제1 자석 어레이, 로터 및 제1 피스톤을 포함한다. 제1 자석 어레이는 제1 자기 패턴으로 스테이터의 원주 둘레에 배열된 복수의 개별 자석으로 구성된다. 로터는 회전축에 대해 회전가능하고 메인 바디를 정의한다. 메인 바디는 제1 경로를 정의한다. 제1 피스톤은 복수의 제1 자기 엘리먼트를 포함하고, 로터의 제1 경로 내에서 작동된다. 복수의 개별 자석은 제1 자기 패턴으로 배열되고, 로터가 회전축에 대해 회전함에 따라 제1 자기력을 생성하기 위해 제1 피스톤의 자기 엘리먼트와 상호작용하도록 배치된다. 제1 자기력은 제1 피스톤을 작동시키기 위해 요구되는 제1 힘의 양을 나타낸다.

Description

자기적으로 작동하는 피스톤을 갖는 회전 기계{Rotating machine having magnetically actuated pistons}
개시된 시스템은 회전 기계에 관한 것으로, 특히 로터(rotor)가 회전함에 따라 생성되는 자기력에 의해 피스톤이 작동되는 자기 엘리먼트를 갖는 피스톤을 포함하는 회전 기계에 관한 것이다.
열 엔진은 작업을 하기 위해 열 형태로 제공되는 에너지를 이용한다. 예컨대 카놋 사이클(Carnot cycle), 스털링 사이클(Stirling cycle) 및 오토 사이클(Otto cycle) 및 디젤 사이클과 같은 다양한 내연 기관(internal combustion engine) 사이클과 같은, 열 엔진에 의해 채택될 수 있는 다양한 열역학 사이클이 있다. 이들 열역학적 열 엔진 모두는 작동유(working fluid)로서 가스(gas)를 이용한다. 예컨대, 스털링 사이클은 비교적 작고 별로 크지 않은 극저온냉각기(cryocoolers)에서 종종 사용되고, 작동유는 일반적으로 헬륨이다.
스털링 엔진(Stirling engines)은 작동유(working fluid)를 변위시켜(displacing) 압축시키고(compressing) 출력 파워(output power)를 발생시키는데 이용되는 내부 피스톤(internal pistons)을 포함할 수 있다. 특히, 피스톤은 업 스트로크(up-stroke) 또는 압축(compression) 동안에 작업을 수용하고, 다운 스트로크(down-stroke) 또는 팽창(expansion) 동안에 작업을 발생시키며, 이어 작동유에 의해 주어진 온도에서 주변의 히트 싱크(surrounding heat sink)로 열을 전달한다. 스털링 엔진의 피스톤은 플렉셔 베어링(flexure bearings)을 이용하여 피스톤을 정지시키고, 이어 전자석(electromagnets)을 이용하여 구동 모션(driving motion)을 생성하는 것에 의해 작동될 수 있다. 그러나, 전자석은 대체로 시간이 지나면 정현파(sinusoidal)인 구동력(driving force)을 생성한다. 정현파 구동력은 전자석 코일(electromagnet's coils)의 인덕턴스(inductance)에 의해 야기될 뿐만 아니라 구동 전압 및 스위칭 속도가 비교적 낮게 유지되기 때문에 야기된다.
회전 기계는 또한 스테이터와 로터를 포함한다. 적어도 몇몇 어플리케이션에서는 로터가 냉각될 필요가 있다. 로터를 냉각시키기 위해, 저장소(reservoir)나 냉장고로부터의 냉각된 가스가 로터와 스테이터와 같은 고정된 구성요소 사이의 공간에 도입될 수 있다. 그러나, 로터의 가장 바깥쪽 표면은 냉각된 가스의 대부분을 겪기 때문에 로터는 불균일하게 냉각된다. 따라서, 로터의 내부를 냉각시키기 위해, 냉각 가스의 경로를 위한 특수 회전 조인트가 필요로 될 수 있다. 더욱이, 냉장고가 냉각된 가스를 저장하기 위해 이용되면, 전력 연결이 필요하다.
로터가 전류를 전달하는 브러시와 접촉하는 것에 의해 전력이 로터 상에서 생성된다. 로터가 아닌 구성요소에서 발생된 전류는 브러시를 통해 그리고 로터상의 전기 전도체를 따라 흐를 수 있고, 이어 전류가 이동된다. 그러나, 전기 전도체를 통한 전류의 통과는 열을 생산하고, 결국 줄 열 손실(Joule heating losses)을 발생시킨다. 더욱이, 브러시는 엔진의 샤프트에 접촉할 수 있어, 마모 및 유지보수 문제를 초래한다. 브러쉬에 의해 생성되는 마모는 회전 속도와 함께 증가한다. 로터에 전력을 공급하는 또 다른 접근법에 있어서, 배터리가 브러시 대신 이용될 수 있다. 그러나, 배터리는 제한된 양의 에너지만을 저장하므로 결국 충전하거나 교체해야 한다. 마지막으로, 또 다른 접근법에서, 로터에 대한 전력은 스테이터(stator) 상에 위치한 코일로부터 로터 상에 위치한 코일로의 유도 전달(induction transfer)에 의해 발생된다. 그러나, 주울 열 손실은 로터와 스테이터 양쪽 상의 코일에서 야기된다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 로터가 회전함에 따라 생성되는 자기력에 의해 피스톤이 작동되는 자기 엘리먼트를 갖는 피스톤을 포함하는 회전 기계를 제공함에 그 목적이 있다.
1측면에 있어서, 회전 기계가 개시되고 원주를 정의하는 스테이터, 복수의 제1 자석 어레이, 로터 및 제1 피스톤을 포함한다. 제1 자석 어레이는 제1 자기 패턴으로 스테이터의 원주 둘레에 배열된 복수의 개별 자석으로 구성된다. 로터는 회전축에 대해 회전가능하고 메인 바디를 정의한다. 메인 바디는 제1 경로를 정의한다. 제1 피스톤은 복수의 제1 자기 엘리먼트를 포함하고, 로터의 제1 경로 내에서 작동된다. 복수의 개별 자석은 제1 자기 패턴으로 배열되고, 로터가 회전축에 대해 회전함에 따라 제1 자기력을 생성하기 위해 제1 피스톤의 자기 엘리먼트와 상호작용하도록 배치된다. 제1 자기력은 로터의 제1 경로 내에서 제1 피스톤을 작동시키기 위해 요구되는 제1 힘의 양을 나타낸다.
다른 측면에 있어서, 로터가 회전 기계의 일부인, 로터의 경로 내에서 피스톤을 작동시키는 방법이 개시된다. 방법은 회전축에 대해 로터를 회전시키는 단계를 갖추어 이루어진다. 로터는 원주를 정의하는 스테이터에 의해 에워싸이고, 복수의 자석 어레이는 제1 자기 패턴으로 스테이터의 원주 둘레에 배열된 복수의 개별 자석으로 구성된다. 방법은 로터가 회전축에 대해 회전함에 따라 제1 자기력을 생성하는 단계를 더 포함한다. 제1 자기력은 스테이터의 복수의 제1 개별 자석과 제1 피스톤의 복수의 자기 엘리먼트 사이에서 상호작용에 의해 생성된다. 제1 자기력은 로터의 제1 경로 내에서 제1 피스톤을 작동시키는데 요구되는 힘의 양을 나타낸다. 마지막으로, 로터의 제1 경로 내에서 제1 피스톤을 작동시키는 단계를 포함한다.
개시된 방법 및 시스템의 다른 목적 및 이점은 이하의 설명, 첨부 도면 및 첨부된 청구항으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 스테이터, 회전축에 대해 회전하는 로터, 압축 피스톤(compression piston) 및 팽창 피스톤(expansion piston)을 포함하는 극저온냉동기(cryocooler)로서 도시된 예시적인 회전 기계의 개략적인 단면도이다;
도 2는 절단선 B-B를 따라 본, 도 1에 도시된 열 엔진(heat engine)의 단면도이다;
도 3은 도 1에 도시된 압축 피스톤의 투시도로서, 압축 피스톤은 제1 섹션과 제2 섹션 사이에서 정의되는 숄더(shoulder)를 포함한다;
도 4는 도 3에 도시된 피스톤의 실례로서, 피스톤은 영구 자석(permanent magnets)을 포함하고 투명한 물체(transparent object)로서 그려진다;
도 5a 내지 도 5d는 도 1에 도시된 로터에 의해 정의된 경로(passageway) 내에 배치된 피스톤을 예시하고, 도 5a 내지 도 5d 각각은 스털링 사이클(Stirling cycle)의 4가지 다른 상태 중 하나에서의 피스톤을 예시한다;
도 6은 도 1에 도시된 스테이터의 개략도로서, 도 5a-5b에 도시된 바와 같이, 스테이터는 압축 피스톤을 스털링 사이클의 4가지 다른 상태로 작동시키기 위한 자석 어레이(magnet arrays)를 포함한다;
도 7은 도 1에 도시된 스테이터의 개략도로서, 스테이터는 도 1에 도시된 팽창 피스톤을 스털링 사이클의 4가지 다른 상태로 작동시키기 위한 자석 어레이를 포함한다;
도 8은 도 4에 도시된 피스톤의 대안적인 예로서, 영구 자석은 도 1에 도시된 로터의 회전축(axis of rotation)과 정렬된다;
도 9는 도 8에 도시된 피스톤의 영구 자석과 스테이터의 자석 어레이의 일례를 예시하는 개략도이다;
도 10은 도 9에 도시된 피스톤의 영구 자석 및 스테이터의 자석 어레이의 대안적인 예를 도시하는 개략도로서, 영구 자석 및 자석 어레이는 로터의 회전축과 실질적으로 평행한다;
도 11은 도 9에 도시된 피스톤의 영구 자석 및 스테이터의 자석 어레이의 다른 예를 예시하는 개략도로서, 자석 어레이는 단일 강자성 바(single ferromagnetic bar)를 포함한다.
도 12는 도 11에 도시된 피스톤의 영구 자석 및 스테이터의 강자성 바(ferromagnetic bar)의 또 다른 예를 예시하는 개락도이다.
도 13은 피스톤의 또 다른 예를 도시하는 개략도로서, 피스톤은 스테이터의 자석 어레이와 상호 작용하는 강자성 엘리먼트를 포함한다.
도 14는 도 3에 도시된 피스톤의 대안적인 예를 예시하는 것으로, 피스톤은 도 1에 도시된 로터의 회전축과 실질적으로 평행한다;
도 15는 도 16의 절단선 A-A를 따라 취해진 로터의 대안적인 예의 단면 개략도이다;
도 16은 도 15의 절단선 B-B를 따라 취해진 로터의 단면 개략도이다;
도 17은 도 1에 도시된 압축 피스톤을 작동시키기 위한 예시적 방법을 설명하는 공정 흐름도이다;
도 1은 열 엔진(10) 형태의 회전 기계의 개략적 횡단면도이다. 열 엔진(10)은 스테이터(18), 샤프트(22)에 연결된 로터(20), 리제너레이터(24), 제1 피스톤(26), 및 제2 피스톤(30)을 포함한다. 제1 피스톤(26)은 제1 압축 경로(32; first compression passageway) 내에서 작동되는 압축 피스톤이다. 제2 피스톤(30)은 제2 압축 경로(34) 내에서 작동되는 팽창 피스톤(expansion piston)이다. 로터(20)는 회전축 A-A에 대해 회전가능하고 메인 바디(36)를 정의한다. 로터(20)의 메인 바디(36)는 압축 경로(32) 및 팽창 경로(34) 양쪽을 정의한다. 도 1에서 보여지는 바와 같이, 웜 압축 공간(38; warm compression space)은 로터(20)의 압축 경로(32) 내에서 정의되고, 압축 피스톤(26)과 리제너레이터(24) 사이에 위치된다. 마찬가지로, 팽창 공간(39)은 로터(20)의 팽창 경로(34) 내에서 정의되고, 팽창 피스톤(30)과 리제너레이터(24) 사이에 위치된다.
압축 피스톤(26)과 압축 경로(32)는 피스톤-실린더 어셈블리(piston-cylinder assembly)를 정의하고, 팽창 피스톤(30) 및 팽창 경로(34)는 또한 다른 피스톤-실린더 어셈블리를 정의한다. 용어 피스톤-실린더 어셈블리가 이용됨에도 불구하고, 압축 경로(32) 및 팽창 경로(34)는 실린더-형상 구성으로 제한되지 않음이 이해된다. 실제로, 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 피스톤(26, 30)은 형상의 소정 수를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 3 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 압축 피스톤(26)은 평탄한 측면 표면 뿐만 아니라 평탄한 상부 및 하부 표면을 갖는 계단화된 프로파일을 갖는 것으로 설명된다.
리제너레이터(24)는 압축 공간(38)과 팽창 공간(39) 사이에서 로터(20)의 메인 바디(36) 내에 위치된다. 도시된 바와 같은 예시적인 예에 있어서, 리제너레이터(24)는 로터(20)의 회전축 A-A와 정렬된다. 리제너레이터(24)는 작동유가 주기적으로 앞뒤로 흐를 수 있는 다공질 고체 매트릭스(40; porus solid matrix)로 구성된다. 특히, 에너지는 작동유로부터 리제너레이터(24)의 매트릭스(40)로 전달되고, 리제너레이터(24)의 매트릭스(40)로부터 작동유에 의해 흡수된다. 작동유는 리제너레이터(24), 웜 압축 공간(38), 및 콜드 팽창 공간(39; cold expansion space)의 매트릭스(40)의 구멍(pores)을 채운다. 작동유는 압축 피스톤(26) 및 팽창 피스톤(30)을 작동시키는데 이용되는 압축 가스(pressurized gas) 또는 액체(liquid)이다. 도시된 바와 같은 예시적인 예에 있어서, 열 엔진(10)은 동작의 4가지 상태를 포함하는 스털링 엔진(Stirling engine)이고, 작동유는 헬륨(helium)이다. 스털링 엔진이 설명됨에도 불구하고, 열 엔진(10)은, 이에 한정되지는 않지만, 카놋 사이클(Carnot cycle), 오토 사이클(Otto cycle), 또는 디젤 사이클(diesel cycle)을 기초로 동작하는 엔진과 같은 열 엔진의 소정의 다른 타입일 수 있다.
예시된 바와 같은 예시적인 예에 있어서, 압축 피스톤(26)과 팽창 피스톤(30) 양쪽은 로터(20)의 회전축 A-A에 실질적으로 수직인 방향으로 그들 각각의 경로(32, 34) 내에서 방향지워진다. 그러나, 도 14에 도시된 바와 같은 예에 있어서, 피스톤(26,30)은 로터(20)의 회전축 A-A에 대해 실질적으로 평행하다.
일련의 방열 핀(42; heat dissipation fins)은 로터(20)에 의해 정의된 최 외곽 바닥면(46)을 따라 배치될 수 있다. 로터(20)는 또한 높은 열전도율의 경로(48)를 포함한다. 높은 열전도율의 경로(48)는 웜 압축 공간(38), 샤프트(22) 및 핀(42; fins) 사이에서 열 연결(thermal connection)을 생성한다. 도 1에 도시된 바와 같은 예시적인 예에서, 열 엔진(10)은 스털링 사이클을 채용하는 극저온냉각기(cryocooler)이다. 극저온냉각기는 부하(50; load)에 냉각을 제공한다. 로터(20)는 부하(50)를 냉각 팽창 공간(39)에 열적으로 연결하는 경로(52)를 포함한다.
도 2는 절단선 B-B를 따라 본 도 1에 도시된 열 엔진(10)의 로터(20)의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 로터(20)는 최외부 원주면(56)을 정의한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 로터(20)의 표면(56)은 복수의 컷 아웃(cutouts) 또는 공간(spaces)(58A, 58B, 58C)을 정의한다. 스테이터(18)는 로터(20)를 에워싼다. 특히, 스테이터(18)는 로터(20)의 전체 원주면(56)을 에워싼다. 공간(58A, 58B, 58C)은 로터(20)의 전체 원주면(56) 둘레로 연장된다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 공간(58A, 58B, 58C)은 스테이터(18)에 의해 정의되는 대응하는 돌출부(60A, 60B, 60C)를 수용하는 형상이다. 특히, 공간(58A)은 돌출부(60A)를 수용하도록 형상화되고, 공간(58B)은 돌출부(60B)를 수용하도록 형상화되며, 공간(58C)은 돌출부(60C)를 수용하도록 형상화된다.
도 1에 도시 된 바와 같이, 스테이터(18)의 돌출부(60A, 60B, 60C)는 각각 영구 자석의 어레이("자석 어레이")(65A, 65B, 66A, 66B, 67A, 67B, 68A, 68B)를 포함한다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 자석 어레이(66A, 66B, 68A, 68B)는 스테이터(18)의 각각의 돌출부(60A, 60B, 60C)의 상부 표면(44)을 따라 배치되고, 자석 어레이(65A, 65B, 67A, 67B)는 각 돌출부(60A, 60B, 60C)의 하부면(45)을 따라 배치된다. 그러나, 이하 설명하는 바와 같이, 자석 어레이(65A, 65B, 66A, 66B, 67A, 67B, 68A, 68B)는 돌출부(60)의 상부 또는 하부면(44, 45)을 따라 배치되는 것으로 제한되지 않고, 상부 및 하부 표면(44, 45)에 인접하여 배치될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 압축 피스톤(26)은 제1 베어링(70)에 의해 로터(20)에 결합된다. 특히, 제1 베어링(70)은 압축 피스톤(26)의 종단부(72)에 연결되고, 종단부(72)는 로터(20)의 회전축 A-A에 대해 압축 피스톤(26)의 최외측 부분이다. 마찬가지로, 팽창 피스톤(30)은 제2 베어링(84)에 의해 로터(20)에 결합된다. 특히, 제2 베어링(84)은 팽창 피스톤(30)의 종단부(86)에 연결되고, 종단부(86)는 로터(20)의 회전축 A-A에 대해 팽창 피스톤(30)의 최외측 부분이다.
하나의 예시적인 예에서, 제1 베어링(70)과 제2 베어링(84)은 모두 플렉셔 베어링(flexure bearings)이다. 제1 및 제2 베어링(70, 84)은 모두 로터(20)의 일부이고, 피스톤 이동 방향으로 비교적 낮은 강성(stiffness)을 포함한다. 그러나, 제1 및 제2 베어링(70, 84)은 또한 피스톤 이동에 실질적으로 수직 인 방향으로 비교적 높은 강성을 포함한다. 플렉셔 베어링이 기술되었음에도 불구하고, 예컨대 가스 베어링(gas bearings), 슬라이드 베어링(slide bearings) 또는 선형 볼 베어링(linear ball bearings)과 같은 다른 타입의 베어링이 또한 이용될 수 있다.
공간(90)은 압축 경로(32)의 개구(94) 주위 표면(92) 및 로터(20)에 의해 정의된 한 쌍의 측면(96)에 의해 정의된다. 마찬가지로, 공간(98)은 팽창 경로(34)의 개구(102) 둘레의 표면(100) 및 로터(20)의 한 쌍의 측면(104)에 의해 정의된다. 양 공간(90, 98)은 주위 온도에서 작동유로 채워진다. 설명된 예시적인 예에서, 로터(20)는 스털링 엔진의 일부이고 작동유는 헬륨이다.
도 3은 압축 피스톤(26)의 예시적인 도면이다. 압축 피스톤(26)이 도 3에 도시됨에도 불구하고, 팽창 피스톤(30)은 또한 동일한 구성 요소 및 구조를 포함한다. 도 3에 도시된 압축피스톤(26)은 제1 섹션(110) 및 제2 섹션(112)을 포함한다. 제1 섹션(110)은 압축 피스톤(26)의 제2 섹션(112)에 의해 정의된 제2 폭(W2)보다 작은 제1 폭(W1)을 정의하고, 그에 의해 숄더(114; shoulder)를 정의한다. 그러나, 다른 예에서, 압축 피스톤(26)의 제1 섹션(110)의 제1 폭(W1)은 제2 섹션(112)의 제2 폭(W2)보다 더 크다. 또 다른 예에서, 압축 피스톤(26)은 도 3에 도시된 바와 같은 계단형 구성(stepped configuration)을 포함하지 않을 수 있고, 그 대신 균일한 단면을 포함한다. 더욱이, 압축 피스톤(26)은 도 3에 도시된 구성에 한정되지 않고, 예컨대 실린더와 같은 임의의 개수의 형상을 포함할 수 있다. 압축 피스톤(26)은 또한 압축 피스톤(26)의 제2 섹션(112)의 대향하는 측면을 따라 배치된 한 쌍의 부착 지점(120; attachment points)을 포함한다(단지 한 쌍의 부착 지점만이 도 3에서 볼 수 있다). 도 2 및 도 3을 참조하면, 압축 피스톤(26)의 부착 지점(120)은 압축 피스톤(26)을 베어링(70, 84) 중 각각의 하나에 대해 고정하기 위해 이용된다.
계속해서 도 2 및 도 3을 참조하면, 압축 피스톤(26)의 제1 섹션(110)은 웜 압축 공간(38)에 의해 수용되고, 압축 피스톤(26)의 제2 섹션(112)은 주위 온도인 공간(90)에 의해 수용된다. 압축 피스톤(26)의 숄더(114)는 압축 피스톤(26)이 완전(full) 또는 최대(maximum) 압축의 위치에 있을 때 웜 압축 공간(38)의 개구(94) 둘레의 표면 (92)에 대해 인접할 수 있다.
도 1을 참조하면, 압축 피스톤(26)은 제1 평면(130) 및 제1 평면(130)에 실질적으로 평행한 제2 평면(132)을 정의한다. 제1 평면(130)은 압축 피스톤(26)의 최상부(134)를 따라 배치되고, 제2 평면(132)은 압축 피스톤(26)의 최하부(136)를 따라 배치된다. 제1 평면(130)은 압축 피스톤(26)의 제2 폭(W2)을 따라 복수의 공동(140; plurality of cavities)을 정의한다. 공동(140)은 각각 피스톤 이동의 방향 D1 및 D2(도 2)에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 연장된다. 도 2로 되돌아가면, 압축 피스톤(26)은 회전축 A-A을 향해 제1 방향(D1) 및 회전축 A-A으로부터 멀어지는 제2 방향(D2)으로 병진한다(translates).
도 4는 제2 평면(132)을 보기 위해 투명한 물체로서 도시된 압축 피스톤(26)의 실례이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 일련의 자기 엘리먼트(150)는 압축 피스톤(26)에 의해 정의된 공동(140)(도 3) 중 하나에 의해 각각 수용된다. 도시된 실시 예에서, 자기 엘리먼트(150; magnetic elements)는 영구 자석(permanent magnets)이다. 그러나, 이하 상세히 설명되는 도 13에 도시된 바와 같은 다른 예에서, 자기 엘리먼트(150)는 강자성 바(ferromagnetic bar)일 수 있다. 하나의 선택적인 예에서, 압축 피스톤(26)의 제2 평면(132)은 또한 대응하는 자기 엘리먼트(152)를 수용하도록 각각 형상화되는 복수의 공동을 정의한다. 도 2 및 도 4를 참조하면, 자기 엘리먼트(150, 152) 각각은 로터(20) 내에서 피스톤 이동의 제1 및 제2 방향(D1 및 D2)에 대해 실질적으로 평행하는 자화의 방향(direction of magnetization)을 포함한다.
도 5a 내지도 5d는 로터(20)의 압축 경로(32) 내에서 스털링 사이클의 4가지 다른 상태 중 하나로 작동되는 압축 피스톤(26)의 예시적인 개략도를 도시한다. 로터(20)의 경로(32)는 스테이터(18)의 돌출부(60A, 60B, 60C)에 의해 에워싸인다. 아래 설명되는 바와 같이, 압축 피스톤(26)은 스테이터(18)의 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)와 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150, 152) 사이에서 생성된 제1 자기력에 의해 스터링 사이클의 4가지 다른 상태 중 하나로 작동된다. 스털링 사이클의 4가지 다른 상태는 등온 팽창(isothermal expansion), 일정 체적 열 제거(constant-volume heat removal), 등온 압축(isothermal compression) 및 일정 체적 열 부가(constant-volume heat addition)이고, 도 5a 내지도 5d는 각각 스털링 사이클의 4가지 다른 상태 중 하나에서 압축 피스톤(26)을 예시한다.
도 6은 스테이터(18)의 상면도를 나타내는 개략도이다. 도 6은 또한 도 5a 내지 도 5d에 도시된 자석 어레이(67A, 67B)를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 자석 어레이(67A, 67B)는 일련의 개별 자석(160, 162; discrete magnets)을 구비한다. 스테이터(18)는 원주(148)를 정의하고, 개별 자석(160, 162; discrete magnets)은 스테이터(18)의 원주 둘레에 제1 자기 패턴(first magnetic pattern)으로 배열된다. 개별 자석(160, 162)은 제1 자기 패턴으로 배열되고, 경로(32) 내에서 압축 피스톤(26)을 작동시키는데 요구되는 제1 자기력을 생성하도록 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150, 152)와 상호 작용한다(도 3 및 도 4). 보다 구체적으로, 개별 자석(160, 162)은 스털링 사이클의 4가지 상태 중 하나로 압축 피스톤(26)을 위치시키도록 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150, 152)와 상호 작용하도록 구성된다.
자석 어레이(67A, 67B)가 도 6에서 설명됨에도 불구하고, 돌출부(60C)(도 1)의 상부 표면(44)을 따라 배치된 자석 어레이(68A, 68B)는 또한 동일한 자기 패턴으로 배열되고, 또한 개별 자석(160, 162)을 포함함을 이해해야 한다. 압축 피스톤(26)이 또한 스테이지/상태 c로 예시된다. 스테이지 c는 압축 측 피스톤에 대응하는 스털링 사이클의 4가지 상태 중 하나를 나타낸다. 스털링 사이클의 나머지 3가지 상태는 또한 여기서 상태 a, b 및 d로 각각 지칭되는 스테이지 a, 스테이지 b 및 스테이지 d로 도시된다. 상태 a는 도 5a에 대응하고, 상태 b는 도 5b에 대응하며, 상태 c는 도 5c에 대응하고, 상태 d는 도 5d에 대응한다.
도 6을 계속 참조하면, 개별 자석(160, 162)은 스테이터(18)의 원주(148) 둘레에서 제1 자기 패턴으로 배열되고, 반시계 방향(CC)으로 회전축 A-A에 대해 회전하는 로터(20)로서 제1 자기력을 생성하도록(도 1) 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150, 152)와 상호 작용한다(도 4). 제1 자기력은 로터(20)의 경로(32) 내에서 압축 피스톤(26)을 작동시키는데 요구되는 힘의 양을 나타낸다. 예컨대, 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같은 예시적인 예에서, 제1 자기력은 피스톤(26)을 스털링 사이클의 4가지 상태 중 하나로 작동시키도록 구성된다.
도 5a를 참조하면, 스테이터(18)의 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)에 의해 정의된 자화(magnetization)의 방향은 화살표 M1으로 표시되고, 로터(20)의 자기 엘리먼트(150, 152)는 화살표 M2로 표시된다. 로터(20)의 자기 엘리먼트(150, 152)의 자화의 방향 M2는 동일한 방향으로 배향된다. 자화의 방향 M2는 로터(20)의 회전축 A-A에 실질적으로 수직이다. 스테이터(18)의 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)의 자화의 방향 M1은 또한 서로 동일한 방향으로 배향되고, 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150, 152)의 자화의 방향 M2는 스테이터(18)의 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)의 자화의 방향 M1과 반대이다. 자화의 대향하는 방향 M1, M2 사이의 상호작용은 제1 자기력을 생성한다.
자석 어레이(67A, 67B)는 돌출부(60B)의 하부 표면(45)을 따라 배치 또는 인접하고, 자석 어레이(68A, 68B)는 돌출부(60C)의 상부 표면(44)에 배치되거나 인접한다. 특히, 자석 어레이(67A, 67B)는 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150)와 반응하도록 스테이터(18) 내에 위치되어 제1 자기력의 일부를 생성한다. 마찬가지로, 자석 어레이(68A, 68B)는 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(152)와 반응하도록 스테이터(18) 내에 위치되고, 그에 의해 경로(32) 내에서 압축 피스톤(26)을 작동시키는데 요구되는 제1 자기력의 나머지 부분을 생성한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 자석 어레이(67A, 68A)는 모두 압축 피스톤(26)의 중심선(C)으로부터 동일한 거리에 위치한다. 마찬가지로, 자석 어레이(68A, 68B)는 또한 압축 피스톤(26)의 중심선으로부터 동일한 거리에 위치한다. 따라서, 자화 M1, M2의 반대 방향에 의해 생성된 압축 피스톤(26) 상의 로터(20)의 회전축 A-A을 따르는 제1 자기력(도 1에 도시됨)은 실질적으로 제로이다.
도 5a 및 도 6을 참조하면, 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)는 경로(32)의 길이 L에 대해 배치되어 자석 어레이(65A, 65B) 및 자기 엘리먼트(150, 152)의 자화(M1, M2)의 대향하는 방향은 스털링 사이클의 제1 상태로 압축 피스톤(26)을 배향시킨다. 도 6에 도시된 바와 같이, 자석 어레이(65A, 65B)의 제1 자기는 로터(20)의 회전축 A-A에 대한 압축 피스톤(26)의 원주 위치에 기초하여 변한다. 특히, 개별 자석(160, 162)은 스털링 사이클의 4가지 스테이지 중 하나로 압축 피스톤(26)을 작동시키기도록 제1 자기력을 생성 또는 유도하기 위해 스테이터(18)의 원주(148) 둘레에 제1 자기 패턴으로 배열된다.
도 5a는 경로(32) 내에서 완전 팽창에서의 압축 피스톤(26)을 예시한다. 압축 피스톤(26)이 최대 팽창 위치에 있을 때, 최소량의 작동력이 경로(32) 내에서 압축 피스톤(26)을 제 위치에 유지하는 것이 요구된다. 도 5b 및 도 6을 참조하면, 로터(20)(도 1)가 상태 a에서 상태 b로 반시계 방향(CC)으로 회전축 A-A을 중심으로 회전함에 따라, 자석 어레이(67A, 67B)의 개별 자석(160, 162)은 서로 간에서 거리가 감소하도록 배열되고, 그에 의해 압축 피스톤(26) 상에 생성되고 가해지는 제1 자기력이 증가한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 압축 피스톤(26)은 경로(32)에서 제1 방향(D1)으로 몰아대고, 스털링 사이클의 스테이지 b로 회전축 A-A을 향한다. 경로(32) 내에서 압축 공간(38)이 감소하므로, 스테이지 b는 스테이지 a 보다 더 많은 압축을 요구한다.
도 5c 및 도 6를 참조하면, 로터(20)(도 1)가 상태 b로부터 상태 c로 반시계 방향(CC)으로 회전축 A-A에 대해 회전함에 따라, 자석 어레이(65A, 65B)의 개별 자석(160, 162)은 서로 거리가 계속 증가하여, 압축 피스톤(26)에 가해지는 제1 자기력을 증가시킨다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 압축 피스톤(26)은 최대 또는 완전 압축을 나타내는 스털링 사이클의 단계 c에서 배향된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 개별 자석(160, 162)은 각 개별 자석(160, 162) 사이의 거리가 최소로 되도록 위치된다. 이는 압축 공간(38) 내에서 작동유에 의해 가해지는 힘을 극복하기 위해 요구되는 제1 자기력이 최대이기 때문이다.
도 5d 및 도 6을 참조하면, 로터(20)(도 1)가 상태 c로부터 상태 d로 반시계 방향 CC로 회전축 A-A에 대해 회전함에 따라, 자석 어레이(65A, 65B)의 개별 자석(160, 162)은 서로 실질적으로 같은 거리를 유지하도록 배열된다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 압축 피스톤(26)은 이제 스털링 사이클의 스테이지 d에서 배향된다. 마지막으로, 로터(20)가 상태 d로부터 상태 a로 반시계 방향 CC로 회전축 A-A에 대해 회전함에 따라, 개별 자석(160, 162)은 각 개별 자석(160, 162) 사이의 거리가 증가하고 지점 a에서 최대 거리에 있도록 배열된다. 따라서, 로터(20)가 회전축 A-A (도 1)에 대해 회전함에 따라 압축 피스톤 (26)에 가해지는 제1 자기력이 변한다.
도 7은 돌출부(60A)(도 1)의 하부 표면(45)을 따라 배치된 자석 어레이(65A, 65B)를 예시하는 스테이터(18)의 상면도를 나타내는 개략도이다. 자석 어레이(65A, 65B) 및 자석 어레이(66A, 66B)는 (도 1 도시된) 팽창 피스톤(30)에 제2 자기력을 가하도록 자기 엘리먼트(150, 152)와 상호 작용한다(도 4). 도 6에 도시된 예와 마찬가지로, 각 자석 어레이(65A, 65B)는 팽창 측 피스톤(30)을 작동시키기 위해 의도된 제2 자석 패턴으로 스테이터(18)의 원주 둘레에 배열된 일련의 개별 자석(164, 166)을 구비한다. 특히, 개별 자석(164, 166)은 로터(20)(도 1)가 반시계 방향(CC)으로 회전축 A-A에 대해 회전함에 따라 제2 자기력을 생성하도록 피스톤의 자기 엘리먼트(150, 152)와 상호 작용하도록(도 4) 배치된다. 제2 자기력은 로터(20)의 경로(34) 내에서, 그리고 스털링 사이클의 4가지 스테이지 중 하나로 팽창 피스톤(30)을 작동시키는데 필요한 힘의 양을 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같은 예와 마찬가지로, 스털링 사이클의 4가지 상태가 스테이지 a, 스테이지 b, 스테이지 c 및 스테이지 d로서 도 7에 도시되어 있다. 스테이지 a는 최대 압축의 상태에 대응하고, 스테이지 d는 피스톤(30)의 최대 팽창의 위치에 대응한다.
도 8은 압축 피스톤(26)의 다른 예로서, 압축 피스톤(26)이 투명한 물체로서 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 자기 엘리먼트(150)가 배향되어, 자기 엘리먼트(150)의 자화의 방향 M1이 로터(20) 내에서 피스톤 이동의 제1 및 제2 방향(D1, D2)에 실질적으로 수직인 방향으로 배향되고(도 2), 로터(20)의 회전축 A-A와 실질적으로 평행하다(도 1). 자기 엘리먼트(150) 각각은 압축 피스톤(26)의 제1 평면(130)과 제2 평면(132) 사이에서 수직 방향으로 연장된다.
도 9는 스테이터(18)의 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)(도 9에는 스테이터(18)가 도시되지 않음)에 대한 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150)의 개략도이다. 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)는 로터(20)의 회전축 A-A 및 자기 엘리먼트(150)의 자화 방향 M2에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 배향된다. 특히, 자석 어레이(68B) 및 자석 어레이(68A)의 자화의 방향 M1은 반경 방향 내측으로, 그리고 회전축 A-A을 향해 배향되고, 반면 자석 어레이(67A, 68B)의 자화의 방향 M3은 반경 방향 외측 및 회전축 A-A으로부터 이격되어 있다. 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)는 압축 피스톤(26)의 중심선(C)으로부터 동일한 거리에 위치한다. 따라서, 압축 피스톤(26)에 가해지는 자기력은 실질적으로 제로이다.
도 10은 도 9에 도시된 배열의 또 다른 예로서, 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)는 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150)뿐만 아니라 로터(20)의 회전축 A-A에 대해 실질적으로 평행하게 배향된다. 특히, 자기 엘리먼트(150)의 자화의 방향 M2는 압축 피스톤(26)의 제2 평면 (132)을 하향하여, 그리고 향하여 배향된다. 각 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)에 대한 자화의 방향 M1은 자기 엘리먼트(150)의 자화의 방향 M2와 실질적으로 반대 방향이다.
도 11은 도 9에 도시된 배열의 또 다른 예로서, 자석 어레이(67A, 67B)는 단일 강자성 바(167; single ferromagnetic bar)로 대체되고, 자석 어레이(68A, 68B)는 단일 강자성 바(168)로 대체된다. 따라서, 도 6 및 도 11을 참조하면, 개별 자석(160, 162)은 강자성 바(167, 168)로 대체되었다. 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150, 152) 및 강자성 바(167, 168)는 각각 회전축 A-A에 실질적으로 수직인 방향으로 배향된다. 도 11에 도시된 예시적인 예에서, 양 강자성 바(167, 168)는 길이(170)를 정의한다. 강자성 바(167, 168)의 길이(170)는 압축 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150, 152)의 길이(172)와 실질적으로 동일하다. 피스톤(26)의 양 자기 엘리먼트(150, 152)의 자화의 방향 M2는 로터(20)의 회전축 A-A으로부터 바깥 방향으로 멀어지는 방향으로 배향된다.
도 12는 도 9에 도시된 구성의 다른 예로서, 자기 엘리먼트(150)는 제1 자화 방향 M1 및 제2 자화 방향 M2로 배향되고, 자화의 제1 및 제2 방향 M1, M2는 모두 회전축 A-A와 실질적으로 평행하다. 더욱이, 회전축 A-A에 가장 근접한 압축 피스톤(26)의 인접 단부(180; proximate end portion)에 위치한 하나 이상의 자기 엘리먼트(150)의 자화의 방향 M1은 회전축 A-A으로부터 가장 먼 압축 피스톤(26)의 말단부(182; distal end portion)에 위치한 하나 이상의 자기 엘리먼트(150)의 제2 자화 방향 M2와 실질적으로 반대 방향으로 배향된다.
도 13은 도 12에 도시된 배열의 또 다른 예로서, 압축 피스톤(26)은 복수의 강자성 바(250, 252)를 포함한다. 특히, 하나 이상의 강자성 바(250)는 압축 피스톤(26)의 제1 평면(130)에 인접하여 위치되고, 하나 이상의 강자성 바(252)는 압축 피스톤 (26)의 제2 평면(132)에 인접하여 위치된다. 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B) 각각은 회전축 A-A에 대해 실질적으로 수직인 자화의 방향 M1을 포함하고, 반경 방향 내측 및 회전축 A-A을 향하는 방향으로 배향된다.
상기한 실시 예에서, 피스톤(26, 30)은 로터(20)의 회전축 A-A에 실질적으로 수직인(도 1) 방향 D1 및 D2에서 작동한다(도 2). 도 14는 피스톤(226)이 회전축 A-A에 실질적으로 평행한 방향으로 작동될 수 있는 열 엔진(10)의 다른 예이다. 도 14는 로터(20)(도 1)의 회전축 A-A과 정렬되는 경로(232)를 도시한다. 경로(232)는 회전축 A-A에 실질적으로 평행한 방향으로 배향된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 피스톤(226)은 로터(20)의 회전축 A-A을 따라 정렬되어 연장된다. 피스톤(226)은 각각 회전축 A-A와 정렬되고, 피스톤(226)의 길이(254)를 따라 배치되는 복수의 영구 자석(240, 242, 246)을 포함한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 피스톤(226)은 2 개의 자석 어레이(266, 268)로 에워싸인다. 도 14가 로터(20)의 회전축 A-A와 정렬되는 것으로 예시됨에도 불구하고, 피스톤(226)은 또한 로터(20)의 회전축 A-A으로부터 거리를 두고 오프셋(offset)될 수 있다.
도 15 및 도 16은 로터(20)의 대안적 예로서, 도 1 및 도 2에 도시된 피스톤/가스 구성(piston/gas arrangement)이 반대로 된다. 도 15는 도 16의 절단선 A-A를 따라 취한 로터(20)의 단면 개략도이고, 도 16은 도 15의 절단선 B-B를 따라 취한 로터(20)의 단면 개략도이다. 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 로터(20)는 2개의 리제너레이터(24A, 24B), 2개의 압축 피스톤(26A, 26B), 2개의 팽창 피스톤(30A, 30B)을 포함한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 2개의 리제너레이터(24A, 24B)는 각각 로터(20)의 대향 측면(302)을 따라 배치되고, 제1 리제너레이터(24A)는 로터(20)의 제1 측면(302)에 위치되고, 제2 리제너레이터(24B)는 제1 측면(302)에 일반적으로 대향하는 로터(20)의 제2 측면(302)에 위치된다. 리제너레이터(24A)는 압축 피스톤(26A)과 팽창 피스톤(30A) 사이에서 열을 전달하는데 이용되고, 리제너레이터(24B)는 압축 피스톤(26B)과 팽창 피스톤(30B) 사이에서 열을 전달한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 2개의 압축 피스톤(26A, 26B)은 모두 베어링(70A, 70B)에 의해 로터(20)에 결합된다. 특히, 베어링(70A, 70B)은 압축 피스톤(26A, 26B)의 단부(73a, 73b)에 각각 연결되고, 단부(73A, 73B)는 각각의 압축 피스톤(26A, 26B)의 최내측 부분을 나타낸다. 도 16에 또한 도시된 바와 같이, 각각의 열교환기(320A, 320B; heat exchangers)는 압축 공간(32A, 32B) 중 대응하는 하나에 열적으로 연결된다. 양 열교환기(320A, 320B)는 열전도 경로(322; thermal conduction path)에 열적으로 연결된다. 열전도 경로(322)는 로터(20)의 수직 방향을 따라 열을 전도하는데 이용되는 전도 버스(324; conduction bus)와 연통된다. 선택적 분리기(326; optional separator)는 대칭축 S-S을 따라 배치될 수 있고, 압축 공간(32A, 32B)을 분리하는데 이용된다.
도 17은 도 1에 도시된 피스톤(26)을 작동시키기 위한 예시적인 방법(400)을 예시하는 공정 흐름도이다. 압축 피스톤(26)만이 설명됨에도 불구하고, 유사한 접근법이 팽창 피스톤(30)을 작동시키는데 이용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1-2, 도 6 및 도 17을 참조하면, 방법(400)은 블록(402)에서 시작될 수 있다. 블록(402)에서, 로터(20)는 회전축 A-A에 대해 회전된다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 로터(20)는 스테이터(18)에 의해 에워싸인다. 도 6에 도시된 바와 같이, 스테이터(18)는 자석 어레이(67A, 67B)를 정의한다. 자석 어레이(67A, 67B)는 제1 자기 패턴으로 스테이터(18)의 원주(148) 둘레에 배열된 개별 자석(160, 162)을 구비한다. 이어, 방법(400)은 블록(404)으로 진행할 수 있다.
블록(404)에서, 제1 자기력은 로터(20)가 회전축 A-A에 대해 회전함에 따라 생성된다. 특히, 상기한 바와 같이, 제1 자기력은 스테이터(18)의 복수의 개별 자석(160, 162)과 피스톤(26)의 자기 엘리먼트(150, 152) 사이의 상호작용에 의해 생성된다. 제1 자기력은 로터(20)의 경로(32) 내에서 피스톤(26)을 작동시키는데 요구되는 힘의 양을 나타낸다는 것을 이해해야 한다. 이어, 방법(400)은 블록(406)으로 진행할 수 있다.
블록(406)에서, 제1 자기력은 경로(32) 내에서 피스톤(26)을 작동시킨다. 도 5a 내지도 5d 및 도 6에 도시된 바와 같이, 피스톤(26)은 상태 a에서 상태 b로, 상태 b에서 상태 c로, 상태 c에서 상태 d로, 또는 상태 d에서 상태 a로 작동될 수 있다. 이어, 방법(400)은 종료 될 수있다.
일반적으로 도면을 참조하면, 피스톤을 작동시키기 위해 자기력을 이용하기 위한, 다수의 기술적 효과 및 이점이 개시된 시스템과 관련된다. 개시된 시스템은 열 엔진을 작동시키는데 사용될 수 있고, 기계의 비-회전 부분에 의해 로터와 접촉할 필요를 제거한다. 더욱이, 피스톤을 작동시키기 위해 직접적으로 이용되는 전류가 없기 때문에 줄 열 손실(Joule heating losses)이 없다. 피스톤을 작동시키기 위해 자석을 이용하는 것은 피스톤을 작동시키는 것과 관련된 에너지 손실의 대부분을 실질적으로 제거한다. 마지막으로, 작동의 소정 지점에서 피스톤 상에 가해지는 힘은 또한 스테이터에 포함된 자기 엘리먼트의 특정 크기 및 강도를 기초로 결정될 수 있다. 따라서, 작동 중에 피스톤의 병진 운동(translational motion)이 동작을 향상시키기 위해 조정될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 이하의 조항에 따른 예를 구비한다:
조항 1. 원주((148)를 정의하는 스테이터(18)와;
제1 자기 패턴으로 스테이터(18)의 원주(148) 둘레에 배열된 복수의 제1 개별 자석(160, 162)으로 구성된 복수의 제1 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B);
회전축에 대해 회전가능하고 메인 바디(36)를 한정하는 로터(20), 메인 바디(36)가 제1 경로(32)를 정의하고; 및
복수의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)를 포함하는 제1 피스톤(26)으로, 제1 피스톤(26)이 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 작동되고, 복수의 제1 개별 자석(160, 162)은 제1 자기 패턴으로 배열되고 로터(20)가 회전축에 대해 회전함에 따라 제1 자기력을 생성하기 위해 제1 피스톤(26)의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)와 상호 작용하도록 위치되며, 제1 자기력은 로터(20)의 제1 경로 내에서 제1 피스톤을 작동시키는데 요구되는 제1 힘의 양을 나타내는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
조항 2. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 복수의 제2 자기 엘리먼트(150, 152)를 포함하는 제2 피스톤(30)을 구비하고, 제2 피스톤(30)은 로터(20)의 메인 바디(36)에 의해 정의된 제2 경로(34) 내에서 작동되며, 스테이터(18)는 복수의 제2 개별 자석(164, 166)으로 구성된 복수의 제2 자석 어레이(65A, 65B, 66A, 66B)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
조항 3. 조항 2의 회전 기계(10)로서, 복수의 제2 개별 자석(164, 166)은 로터가 회전축에 대해 회전함에 따라 제2 자기력을 생성하기 위해 제2 피스톤(30)의 제2 자기 엘리먼트와 상호작용하도록 위치하고, 제2 자기력은 로터(20)의 제2 경로(34) 내에서 제2 피스톤(30)을 작동시키는데 요구되는 제2 힘의 양을 나타내는 것을 특징으로 한다.
조항 4. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 복수의 제1 개별 자석(160, 162)은 제1 피스톤(26)의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)에 의해 정의된 제2 자화 방향과 반대인 제1 자화 방향을 정의하는 것을 특징으로 한다.
조항 5. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 복수의 제1 개별 자석(160, 162)은 강자성 바(167, 168)를 포함하고, 제1 피스톤(26)의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)는 영구 자석인 것을 특징으로 한다.
조항 6. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 복수의 제1 개별 자석(160, 162)은 영구 자석이고, 제1 피스톤(26)의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)는 강자성 바(250, 252)인 것을 특징으로 한다.
조항 7. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 회전 기계(10)는 동작의 4가지 스테이지를 포함하는 스털링 엔진인 것을 특징으로 한다.
조항 8. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 제1 자기력은 스털링 엔진의 동작의 4가지 스테이지 중 하나로 제1 피스톤(26)을 작동시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
조항 9. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 회전 기계는 스털링 사이클을 채택하는 극저온냉동기이고, 극저온냉동기는 부하(50)에 냉각을 제공하는 것을 특징으로 한다.
조항 10. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 제1 피스톤(26)은 베어링(70)에 의해 로터(20)에 결합되는 것을 특징으로 한다.
조항 11. 조항 10의 회전 기계(10)로서, 베어링(70)은 플렉셔 베어링(flexure bearing), 가스 베어링(gas bearings), 슬라이드 베어링(slide bearings) 및 선형 볼 베어링(linear ball bearings):으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
조항 12. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 제1 피스톤(26)은 로터(20)의 회전축에 실질적으로 수직인 방향으로 제1 경로(32) 내에서 배향되는 것을 특징으로 한다.
조항 13. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 제1 피스톤(26)은 로터(20)의 회전축과 실질적으로 평행한 방향으로 작동되는 것을 특징으로 한다.
조항 14. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 제1 자기 엘리먼트(150, 152)는 로터(20)의 회전축에 실질적으로 수직인 자화 방향을 정의하는 것을 특징으로 한다.
조항 15. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 제1 자기 엘리먼트(150, 152)는 로터(20)의 회전축에 실질적으로 평행한 자화 방향을 정의하는 것을 특징으로 한다.
조항 16. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 로터(20)의 회전축에 대해 위치된 리제너레이터(24)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
조항 17. 조항 1의 회전 기계(10)로서, 제1 리제너레이터(24A) 및 제2 리제너레이터(24B)를 구비하고, 제1 리제너레이터(24A)는 로터(20)의 제1 측(302)에 위치하고, 제2 리제너레이터(24B)는 제1 측(302)에 대향하는 로터(20)의 제2 측(302)에 위치하는 것을 특징으로 한다.
조항 18. 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 제1 피스톤(26)을 작동시키는 방법으로, 로터(20)는 회전 기계(10)의 일부이고, 방법이:
회전축에 대해 로터(20)를 회전시키는 단계, 로터(20)가 원주(148)를 정의하는 스테이터(18)에 의해 에워싸이고, 복수의 제1 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)는 제1 자기 패턴으로 스테이터(18)의 원주(148) 둘레에 배열된 복수의 제1 개별 자석(160, 162)으로 구성되고;
로터(20)가 회전축에 대해 회전함에 따라 제1 자기력을 생성하는 단계, 제1 자기력은 스테이터(18)의 원주(148) 둘레에 배열된 복수의 제1 개별 자석(160, 162)과 제1 피스톤(26)의 복수의 제1 자기 엘리먼트(150, 152) 사이에서 상호작용에 의해 생성되고; 및
제1 자기력에 의해 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 제1 피스톤(26)을 작동시키는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 제1 피스톤(26)을 작동시키는 방법.
조항 19. 조항 18의 방법으로, 로터(20)가 회전축에 대해 회전함에 따라 제2 자기력을 생성하는 단계를 더 갖추어 이루어지고, 제2 자기력은 로터(20)의 제2 경로(34) 내에서 제2 피스톤(30)을 작동시키는데 요구되는 제2 힘의 양을 나타내는 것을 특징으로 한다.
조항 20. 조항 18의 방법으로, 제1 피스톤(26)을 스털링 사이클의 4가지 스테이지 중 하나로 작동시키는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에서 설명된 장치 및 방법의 형태가 본 개시의 바람직한 양상을 구성하는 동안, 본 개시는 이러한 정확한 형태의 장치 및 방법에 제한되지 않고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 변경이 행해질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (15)

  1. 원주(148)를 정의하는 스테이터(18)와;
    제1 자기 패턴으로 스테이터(18)의 원주(148) 둘레에 배열된 복수의 제1 개별 자석(160, 162)으로 구성된 복수의 제1 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B);
    회전축에 대해 회전가능하고 메인 바디(36)를 한정하는 로터(20), 메인 바디(36)가 제1 경로(32)를 정의하고; 및
    복수의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)를 포함하는 제1 피스톤(26)으로, 제1 피스톤(26)이 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 작동되고, 복수의 제1 개별 자석(160, 162)은 제1 자기 패턴으로 배열되고 로터(20)가 회전축에 대해 회전함에 따라 제1 자기력을 생성하기 위해 제1 피스톤(26)의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)와 상호 작용하도록 위치되며, 제1 자기력은 로터(20)의 제1 경로 내에서 제1 피스톤을 작동시키는데 요구되는 제1 힘의 양을 나타내는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 제2 자기 엘리먼트(150, 152)를 포함하는 제2 피스톤(30)을 구비하고, 제2 피스톤(30)은 로터(20)의 메인 바디(36)에 의해 정의된 제2 경로(34) 내에서 작동되며, 스테이터(18)는 복수의 제2 개별 자석(164, 166)으로 구성된 복수의 제2 자석 어레이(65A, 65B, 66A, 66B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  3. 제2항에 있어서,
    복수의 제2 개별 자석(164, 166)은 로터가 회전축에 대해 회전함에 따라 제2 자기력을 생성하기 위해 제2 피스톤(30)의 제2 자기 엘리먼트와 상호작용하도록 위치하고, 제2 자기력은 로터(20)의 제2 경로(34) 내에서 제2 피스톤(30)을 작동시키는데 요구되는 제2 힘의 양을 나타내는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 제1 개별 자석(160, 162)은 제1 피스톤(26)의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)에 의해 정의된 제2 자화 방향과 반대인 제1 자화 방향을 정의하는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 제1 개별 자석(160, 162)은 강자성 바(167, 168)를 포함하고, 제1 피스톤(26)의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)는 영구 자석인 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 제1 개별 자석(160, 162)은 영구 자석이고, 제1 피스톤(26)의 제1 자기 엘리먼트(150, 152)는 강자성 바(250, 252)인 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    회전 기계(10)는 동작의 4가지 스테이지를 포함하는 스털링 엔진인 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  8. 제7항에 있어서,
    제1 자기력은 스털링 엔진의 동작의 4가지 스테이지 중 하나로 제1 피스톤(26)을 작동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    회전 기계는 스털링 사이클을 채택하는 극저온냉동기이고, 극저온냉동기는 부하(50)에 냉각을 제공하는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 피스톤(26)은 베어링(70)에 의해 로터(20)에 결합되고, 베어링(70)은 플렉셔 베어링(flexure bearing), 가스 베어링(gas bearings), 슬라이드 베어링(slide bearings) 및 선형 볼 베어링(linear ball bearings):으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 피스톤(26)은 로터(20)의 회전축에 실질적으로 수직인 방향으로 제1 경로(32) 내에서 배향되는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 리제너레이터(24A) 및 제2 리제너레이터(24B)를 구비하고, 제1 리제너레이터(24A)는 로터(20)의 제1 측(302)에 위치하고, 제2 리제너레이터(24B)는 제1 측(302)에 대향하는 로터(20)의 제2 측(302)에 위치하는 것을 특징으로 하는 회전 기계(10).
  13. 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 제1 피스톤(26)을 작동시키는 방법으로, 로터(20)는 회전 기계(10)의 일부이고, 방법이:
    회전축에 대해 로터(20)를 회전시키는 단계, 로터(20)가 원주(148)를 정의하는 스테이터(18)에 의해 에워싸이고, 복수의 제1 자석 어레이(67A, 67B, 68A, 68B)는 제1 자기 패턴으로 스테이터(18)의 원주(148) 둘레에 배열된 복수의 제1 개별 자석(160, 162)으로 구성되고;
    로터(20)가 회전축에 대해 회전함에 따라 제1 자기력을 생성하는 단계, 제1 자기력은 스테이터(18)의 원주(148) 둘레에 배열된 복수의 제1 개별 자석(160, 162)과 제1 피스톤(26)의 복수의 제1 자기 엘리먼트(150, 152) 사이에서 상호작용에 의해 생성되고; 및
    제1 자기력에 의해 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 제1 피스톤(26)을 작동시키는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 제1 피스톤(26)을 작동시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    로터(20)가 회전축에 대해 회전함에 따라 제2 자기력을 생성하는 단계를 더 갖추어 이루어지고, 제2 자기력은 로터(20)의 제2 경로(34) 내에서 제2 피스톤(30)을 작동시키는데 요구되는 제2 힘의 양을 나타내는 것을 특징으로 하는 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 제1 피스톤(26)을 작동시키는 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    제1 피스톤(26)을 스털링 사이클의 4가지 스테이지 중 하나로 작동시키는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 로터(20)의 제1 경로(32) 내에서 제1 피스톤(26)을 작동시키는 방법.
KR1020180055265A 2017-06-08 2018-05-15 자기적으로 작동하는 피스톤을 갖는 회전 기계 KR102528798B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/617,335 2017-06-08
US15/617,335 US10658915B2 (en) 2017-06-08 2017-06-08 Rotating machine having magnetically actuated pistons

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180134283A KR20180134283A (ko) 2018-12-18
KR102528798B1 true KR102528798B1 (ko) 2023-05-03

Family

ID=62017277

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180055265A KR102528798B1 (ko) 2017-06-08 2018-05-15 자기적으로 작동하는 피스톤을 갖는 회전 기계

Country Status (8)

Country Link
US (1) US10658915B2 (ko)
EP (1) EP3413447B1 (ko)
JP (1) JP7181007B2 (ko)
KR (1) KR102528798B1 (ko)
CN (1) CN109026430B (ko)
AU (1) AU2018202656B2 (ko)
CA (1) CA3002229C (ko)
RU (1) RU2692440C1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107101409B (zh) * 2017-05-17 2018-01-23 宁利平 双作用α型斯特林制冷机

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3992132A (en) * 1975-02-04 1976-11-16 Putt J William Energy conversion system
DE3723948A1 (de) 1987-05-08 1988-11-24 Helmut Prof Dr Rer Nat Krauch Regenerative waermemaschine in kreuzkolbenbauweise mit magnetisch gefuehrten freikolben
SU1814748A3 (en) * 1991-06-04 1993-05-07 Mo Avtomobilno Dorozhnyj Inst Electromagnetic converter of reciprocating motion to rotary motion
DE29614666U1 (de) 1996-08-24 1998-01-02 Sachsenring Entwicklungsgesellschaft mbH, 08058 Zwickau Kolbenmotor, insbesondere Sterlingmotor
JPH10288415A (ja) * 1997-04-16 1998-10-27 Daikin Ind Ltd スターリング冷凍機
JP2005002919A (ja) 2003-06-12 2005-01-06 Sharp Corp スターリング機関
US20070210659A1 (en) 2006-03-07 2007-09-13 Long Johnny D Radial magnetic cam
JP2008190727A (ja) 2007-01-31 2008-08-21 Sumitomo Heavy Ind Ltd リニアモータ圧縮機及びスターリング冷凍機
JP4833237B2 (ja) * 2008-03-03 2011-12-07 川崎重工業株式会社 電動機一体型油圧モータ
DE102010023672A1 (de) 2010-06-12 2011-12-15 Forschungszentrum Jülich GmbH Diskontinuierlicher Schubantrieb und Stirlingmotor
KR101305201B1 (ko) * 2011-12-20 2013-09-12 메탈젠텍 주식회사 회전 가속장치를 구비한 스터링 엔진
US8487484B1 (en) 2012-03-15 2013-07-16 Torque Multipliers, LLC Permanent magnet drive apparatus and operational method
CN103925111B (zh) * 2014-04-30 2015-11-18 郭远军 一种平行运动高低压动力机器及其应用
WO2016003305A1 (ru) * 2014-06-30 2016-01-07 Владимир Владимирович СУХАРЕВСКИЙ Преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное, двигатель и транспортное средство

Also Published As

Publication number Publication date
AU2018202656A1 (en) 2019-01-03
BR102018010841A2 (pt) 2018-12-26
US20180358881A1 (en) 2018-12-13
KR20180134283A (ko) 2018-12-18
CN109026430B (zh) 2021-08-13
EP3413447A1 (en) 2018-12-12
JP2019031965A (ja) 2019-02-28
RU2692440C1 (ru) 2019-06-24
CA3002229A1 (en) 2018-12-08
CN109026430A (zh) 2018-12-18
US10658915B2 (en) 2020-05-19
EP3413447B1 (en) 2022-03-02
AU2018202656B2 (en) 2023-12-14
CA3002229C (en) 2023-03-28
JP7181007B2 (ja) 2022-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7152404B2 (en) Power unit with reciprocating linear movement based on stirling motor, and method used in said power plant
US7891184B2 (en) 4-cycle stirling machine with two double-piston units
US4442670A (en) Closed-cycle heat-engine
BRPI0918825B1 (pt) gerador térmico com material magnetocalórico
KR20100087140A (ko) 자기열 물질을 지닌 열 발생기
SU1403992A3 (ru) Двигатель с внешним подводом теплоты
KR102528798B1 (ko) 자기적으로 작동하는 피스톤을 갖는 회전 기계
JP2009236456A (ja) パルス管型蓄熱機関
US20110252780A1 (en) Heat engine
JPH04502795A (ja) 改良されたシブリングサイクルピストンとバルブ作動方法
JP3791472B2 (ja) スターリングエンジン
US20110315348A1 (en) Magnetocaloric heat generator
BR102018010841B1 (pt) Máquina térmica, e, método para atuar um primeiro êmbolo dentro de uma primeira via de passagem de um rotor
GB2273975A (en) Refrigerator for cryogenic temperatures
JP2003138986A (ja) スターリングエンジン
CN110274407A (zh) 一种具有新型冷头结构的分体式斯特林制冷机
US20170271950A1 (en) Stirling engine having energy regeneration structure using waste heat recovery
CN115435509B (zh) 一种基于双极性磁卡材料的磁制冷装置及方法
JP2009052818A (ja) 蓄冷型冷凍機
JP2563275Y2 (ja) 小型冷凍機
KR101503748B1 (ko) 스터링 냉각을 이용한 ｃｐｕ 냉각장치
JP2012143051A (ja) 超電導モータ
JP2000193336A (ja) 冷凍機用ガス圧縮機
JPH02154950A (ja) スターリング冷凍機
JPH0573471U (ja) 冷凍機用圧縮機

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant