KR20010032589A - 스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체 - Google Patents

Abstract

스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체는 디스플레이서(102)와, 상기 디스플레이서(102)를 구동시키도록 작동적으로 결합된 동기식 선형 전기 모터(112)를 포함한다. 전기 모터(112)는 그들 사이에 갭(120)을 형성하는 제 1 및 제 2 연자성 자극편(soft-magnetic pole pieces)(118)을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체(116)를 특징으로 한다. 갭(120)의 폭은 모터의 운동 축에 수직하게 배향되며, 고정자 조립체는 주로 갭(120)의 폭에 평행하게 정렬되는 자기장을 발생시키도록 구성된다. 모터(118)는 또한 서로 축방향으로 변위되며 반대방향으로 자화된 제 1 섹션(126)과 제 2 섹션(126)을 갖는 적어도 하나의 복합 영구 자석 시스템을 포함한다.

Description

스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체{DISPLACER ASSEMBLY FOR STIRLING CYCLE SYSTEM}

냉각을 위해 스털링 사이클 시스템을 적용하는 것이 알려져 있다. 스털링 사이클 시스템은 왕복운동하는 두 개의 필수 이동부를 포함한다. "디스플레이서"로 알려진 이들 이동부 중 하나는 통상적으로 실린더를 따라 간극을 두고 이동가능한 플런저로 실시된다. 이것은 실린더의 두 단부 사이에서 가스의 매스(mass)를 양 방향으로 번갈아 운반하는 작용을 한다. 디스플레이서는 가스내에 맥동 압력(pulsating pressure)을 생성하는 압축기에 연결된다. 디스플레이서를 압축기와 같은 주기이지만 위상이 다르게 구동시킴으로써, 시스템은 열 펌프로 작동하여 디스플레이서의 일 단부로부터 열이 제거된다. 이러한 방식으로, 스털링 사이클 시스템은 냉동 시스템에 대한 기초로서 사용될 수 있다.

스털링 사이클 시스템의 효율적인 작동을 유지하기 위해, 압축기와 디스플레이서간의 위상 관계가 최적화되어야 한다. 위상 관계는 가장 일반적으로 압축기와 디스플레이서간의 기계적 연동 장치(linkage)에 의해 유지된다. 그러나, 이러한 연동 장치를 위상 관계 또는 진폭을 조절할 수 있도록 하는 것은 매우 어렵다. 또한, 기계적 연동 장치는 시스템의 두 부품간에 진동을 전달하는 경향이 있어, 연동 장치 자체와 시스템 모두를 전체적으로 신뢰성없게 만든다.

대안적 접근은 디스플레이서가 자유 피스톤으로서 작용하는 "수동(passive)" 디스플레이서를 적용하는 스플릿 구조체이다. 디스플레이서 조립체를 정확한 고유 진동수를 달성하도록 설계함으로써, 디스플레이서는 압축기와 정확한 위상차를 나타내는 운동으로 압축기 출력에 응답한다. 그러나, 수동 디스플레이서 시스템의 캘리브레이션 및 조절은 실행하기 어렵다. 이러한 시스템의 일 예는 쿠쉬니르(Kushnir)의 미국 특허 제 4,862,695 호에 개시되어 있으며, 디스플레이서의 운동을 조절하기 위해 복잡한 3-스프링 댐핑 메카니즘이 제공되어 있다.

기계적 연동 장치의 단점을 갖지 않는 개선된 제어를 달성하기 위한 시도로, 다비(Davey)의 미국 특허 제 4,397,155 호는 "능동(active)" 디스플레이서 조립체를 갖는 스털링 사이클 장치를 개시하고 있는 바, 여기서는 디스플레이서의 운동과 압축기의 운동간의 관계가 일 실시예에서 모터로 기능하는 독립적인 전자기적 장치에 의해 제어된다. 모터는 디스플레이서 플런저에 의해 지지되며 고정 자석의 자기장내에서 이동가능한 코일을 포함한다.

다비의 장치는 많은 장점을 갖는다. 그러나, 시스템의 효율은 적용된 모터 구조에 의해 엄격히 제한된다. 보다 상세하게는, 모터는 영구자석 회로의 원통형 갭내에서 축방향으로 이동하는 단일의 원통형 코일로 도시되어 있다. 전술된 모터 구조는 효율이 낮으며 자동 중심조절 특성을 갖고 있지 않다. 이러한 시스템은 또한 신뢰성이 없는 미끄럼 접촉을 필요로 한다.

또한, 다비 장치의 디스플레이서는 다른 모든 스털링 디스플레이서와 공통적으로 디스플레이서를 그 중립 위치로 복귀시키는 다양한 스프링 요소를 필요로 한다. 이러한 기계적 스프링 요소는 다수의 설계 문제를 야기하며, 조절하기 어렵고, 기계적 마모를 심화시키며, 소음을 증가시킨다.

따라서, 기계적 접촉이 필요없는 자기 스프링 효과를 발휘하는 모터 구동 디스플레이서를 구비한 스털링 사이클 시스템이 요망된다. 이러한 디스플레이서를 포함하는 스털링 사이클 시스템을 갖는 것이 장점적이다.

발명의 요약

본 발명은 자기 스프링을 갖는 동기식 선형 모터에 의해 구동되는 스털링 사이클 디스플레이서 및 이러한 디스플레이서를 포함하는 스털링 사이클 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체에 있어서, (a) 디스플레이서와, (b) 상기 디스플레이서를 구동시키도록 작동적으로 결합된 동기식 선형 전기 모터로서, 상기 전기 모터는 운동 축을 가지며 또한 (i) 그들 사이에 갭을 형성하는 제 1 및 제 2 연자성 자극편(soft-magnetic pole pieces)을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체로서, 갭의 폭은 상기 축에 수직하게 배향되며, 고정자 조립체는 주로 갭의 폭에 평행하게 정렬되는 자기장을 발생시키도록 구조되는, 상기 고정자 조립체와, (ii) 상기 갭내에 위치되는 적어도 하나의 복합 영구 자석 시스템으로서, 상기 복합 영구 자석 시스템은 상기 갭의 폭에 평행한 제 1 방향으로 자화된 제 1 섹션과 상기 제 1 섹션으로부터 축방향으로 변위되며 상기 제 1 방향과 반대 방향으로 자화된 제 2 섹션을 구비하는, 상기 복합 영구 자석 시스템을 포함하며, 상기 전기 모터는 전력이 모터에 공급되지 않는 경우 상기 디스플레이서를 예정된 휴지 위치로 복귀시키는 자기 스프링으로 작동하는 스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체가 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 고정자 조립체는 코일을 포함하며, 상기 코일에 인가되는 전압의 변동에 의해 상기 고정자 조립체와 복합 영구 자석 시스템간의 축방향 힘의 대응하는 변동이 발생된다.

또한, 본 발명에 따르면, (a) 압축기와, (b) 디스플레이서와, (c) 상기 디스플레이서를 구동시키도록 작동적으로 연결된 동기식 선형 전기 모터를 포함하며, 상기 전기 모터는 전력이 상기 모터에 공급되지 않는 경우 상기 디스플레이서가 예정된 휴지 위치로 복귀하도록 자기 스프링을 제공하도록 구성되는 스털링 사이클 시스템이 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 전기 모터는 운동 축을 가지며, 또한 (a) 그들 사이에 갭을 형성하는 제 1 및 제 2 연자성 자극편을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체로서, 상기 갭의 폭은 상기 축에 수직하게 배향되며, 상기 고정자 조립체는 주로 갭의 폭에 평행하게 정렬되는 자기장을 발생시키도록 구성되는, 상기 고정자 조립체와, (b) 상기 갭내에 위치되는 적어도 하나의 복합 영구 자석 시스템으로서, 상기 복합 영구 자석 시스템은 상기 갭의 폭에 평행한 제 1 방향으로 자화된 제 1 섹션과 상기 제 1 섹션으로부터 축방향으로 변위되며 상기 제 1 방향과 반대 방향으로 자화된 제 2 섹션을 구비하는, 상기 복합 영구 자석 시스템을 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 압축기는 "압축기 모터"로 지칭되는 적어도 하나의 동기식 선형 전기 모터를 포함하며, 상기 압축기 모터는 그것에 전원이 공급되지 않는 경우 상기 압축기가 예정된 휴지 위치로 복귀하도록 자기 스프링을 제공하도록 구성된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 압축기 모터는 (a) 그들 사이에 갭을 형성하는 제 1 및 제 2 연자성 자극편을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체로서, 상기 갭의 폭은 상기 축에 수직하게 배향되며, 상기 고정자 조립체는 주로 상기 갭의 폭에 평행하게 정렬되는 자기장을 발생시키도록 구성되는, 상기 고정자 조립체와, (b) 상기 갭내에 위치되는 적어도 하나의 복합 영구 자석 시스템으로서, 상기 복합 영구 자석 시스템은 상기 갭의 폭에 평행한 제 1 방향으로 자화된 제 1 섹션과 상기 제 1 섹션으로부터 축방향으로 변위되며 상기 제 1 방향과 반대 방향으로 자화된 제 2 섹션을 구비하는, 상기 복합 영구 자석 시스템을 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 압축기는 "압축기 모터"로 지칭되는 적어도 하나의 동기식 전기 모터를 포하하며, 상기 시스템은 또한 전원을 포함하며, 상기 디스플레이서 모터와 압축기 모터는 모두 상기 전원을 구동시키도록 작동적으로 연결된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 압축기와 디스플레이서간의 상대 위상을 조절하기 위해 상기 전원과 상기 디스플레이서 모터 및 압축기 모터 중 하나와의 사이에 연결된 가변 임피던스를 갖는 적어도 하나의 요소가 제공된다.

본 발명은 스털링 사이클 장치(stirling cycle machine)에 관한 것으로, 특히 자기 스프링(magnetic spring)을 갖는 동기식 선형 모터(synchronous linear motor)에 의해 구동되는 디스플레이서(displacer)를 구비하는 스털링 사이클 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 본 명세서에서 오직 예시로서만 첨부된 도면을 참조로 기술된다.

도 1은 본 발명에 따라 구성되고 작동되는, 스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체의 단면도,

도 2는 본 발명에 따라 구성되고 작동되는, 도 1의 디스플레이서 조립체와 함께 사용되어 스털링 사이클 시스템을 형성하는 동기식 쌍 왕복 피스톤 압축기 장치의 측단면도,

도 3은 도 2의 장치의 작동중의 자속 패턴을 나타내는 개략적 측단면도,

도 4a는 도 2의 장치에 사용되는 고정자 조립체의 코어의 개략적 사시도,

도 4b는 도 4a의 고정자 코어의 측단면도,

도 4c는 도 4a의 고정자 코어의 단부도,

도 5a는 페라이트로 제조된 제 1 변형예의 고정자 코어의 절결 사시도,

도 5b는 페라이트로 제조된 제 2 변형예의 고정자 코어의 절결 사시도,

도 6a는 도 2의 장치에 사용되며 복합 영구 자석 시스템을 포함하는 피스톤-자석 조립체의 개략적 사시도,

도 6b는 도 2의 장치에 사용되는 피스톤-자석 조립체의 변형예의 개략적 사시도,

도 7a는 도 6a의 피스톤-자석 조립체의 개략적 측단면도,

도 7b는 복합 영구 자석 시스템 구조체의 변형예를 나타내는 도 7a와 유사한 도면,

도 8은 도 2의 장치에 사용되는 자기 보상 메카니즘의 개략적 사시도,

도 9는 도 2의 장치의 변형예의 측단면도,

도 10a는 도 9의 장치에 사용되는 고정자 코어의 측단면도,

도 10b는 도 9의 장치에 사용되는 고정자 코어의 변형예의 측단면도,

도 11a 및 도 11b는 도 10a 및 도 10b에 도시된 고정자의 형태에 의해 생성된 자속 패턴을 나타내는 측단면도,

도 12는 도 1의 디스플레이서 조립체 및 도 2의 압축기 장치를 포함하는 스털링 사이클 시스템의 개략적 도면.

본 발명은 자기 스프링을 갖는 동기식 선형 모터에 의해 구동되는 스털링 사이클 디스플레이서 조립체 및 그것을 포함하는 스털링 사이클 시스템이다.

본 발명에 따른 스털링 사이클 디바이스의 원리 및 작동은 도면 및 다음의 설명으로부터 보다 잘 이해될 수 있다.

도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따라 구성되고 작동하는, 스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체(100)를 도시한다. 디스플레이서 조립체(100)는 임의의 유형의 압축기와 함께 스털링 사이클 시스템을 장점적으로 구성하는데 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 스털링 사이클 시스템의 양호한 실시예에 있어서, 동기식 쌍 왕복 피스톤 압축기 장치가 사용된다. 이러한 압축기는 도 2 내지 도 11을 참조로 후술된다. 이러한 압축기의 요지는 1996년 2월 9일자로 미국 특허 출원 제 08/599,206 호로 출원되어 1997년 12월 2일자로 등록된 미국 특허 제 5,693,991 호에 개시되어 있으며, 상기 개시내용은 본 명세서에 참조로 인용된다.

일반적으로, 디스플레이서 조립체(100)는 중공의 실린더 형태인 디스플레이서(102)를 포함하며, 재생기(regenerator)(104)가 디스플레이서(102)를 따라 이동한다. 재생기(104)는 열교환기로 기능하도록 구성되며, 그 일 예가 원통형 메트릭스를 형성하는 다수의 금속 스크린(108)을 내포하는 박벽형(thin-walled) 실린더(106)로 도시되어 있다.

동기식 선형 전기 모터(112)는 구동 로드(110)를 통해 디스플레이서(102)에 작동적으로 연결된다. 모터(112)의 특별한 특징은, 모터의 구조가, 자기 스프링을 제공하여, 모터(112)에 전력이 공급되지 않는 경우 디스플레이서(102)가 예정된 휴지 위치로 복귀하도록 설계된다는 것이다.

본 명세서에 있어서, "디스플레이서"의 위치에 관해서는, 디스플레이서의 이동 요소[본 경우에는 재생기(104)]의 위치를 지칭하고 있음을 이해하여야 한다.

디스플레이서 조립체(100)의 특징을 보다 상세히 살펴보면, 양호한 모터 구조가 운동 축(114)과 관련해서 설명된다. 축(114)은 디스플레이서(102)의 축과 동일 직선상에 있는 것이 바람직하지만, 대안적으로 동일 직선상에 있지 않는 기계적 링크도 적용될 수 있다.

바람직하게는, 모터(112)는 그들 사이에 갭(120)을 형성하는 제 1 및 제 2 자극편(pole piece)(118)을 제공하는 코어를 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체(116)를 포함한다. 자극편(118)은 연자성체로 제조되며 두 자극편간의 가장 짧은 거리의 선에 대응하는 갭(120)의 "폭"으로 지칭되는 치수가 축(114)에 수직하게 배향되도록 전개된다. 고정자 조립체(116)는 또한 주로 갭(120)의 폭에 평행하게 정렬된 자기장을 발생시키도록 코어와 결합된 적어도 하나의 코일(122)을 포함한다.

적어도 하나의 복합 영구 자석 시스템(124)이 갭(120)내에 위치된다. 복합 영구 자석 시스템(124)은 갭(120)의 폭과 평행한 제 1 방향으로 자화된 제 1 섹션(126)과 제 1 섹션(126)으로부터 축방향으로 이격되어 제 1 방향과 반대 방향으로 자화된 제 2 섹션(128)을 포함한다. 제 1 및 제 2 섹션(126, 128)은 직접 인접될 수 있다. 즉, 그들 사이에 맞댐이음(butt-joint)을 형성할 수 있다. 대안적으로, 이들은 축방향으로 약간 이격될 수 있다.

본 명세서에 기재된 모터 구조는 상기 다비 특허의 구조에 비해 많은 장점을 제공한다. 가장 현저하게는, 전류가 인가되지 않는 경우, 모터(112)는 비접촉 자기 스프링으로 작용하여, 디스플레이서를 복귀시켜 소망의 휴지 위치에 보유시킨다. 이러한 자동 중심조절 효과는 복합 영구 자석 시스템(124)의 잘 규정된 최저 에너지 위치로부터 야기되며, 이 위치에서 연자성체의 자극편(118)을 통해 최대 자속 폐쇄가 발생된다. 그 결과, 효율 및 신뢰성의 문제를 수반하는 기계적 스프링 요소가 디스플레이서 조립체 설계에서 완전히 생략될 수 있다.

상기 모터 구조의 다른 장점은 고정 코일 형상이 미끄럼 전기적 접촉의 문제를 회피한다는 것이다. 복합 자석 모터 형상은 또한 매우 높은 효율을 제공한다.

도면에는 모터(112)가 개략적으로 도시되어 있음을 인식하여야 한다. 단일의 축방향 설치 자석 시스템(124)이 사용될 수도 있지만, 모터 구조는 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다. 다른 가능한 실시 형태로는, 후술되는 압축기 구조에 대한 설명에 기재된 것과 유사한 원통형이면서 다각형 단면의 자석 시스템을 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1에 대한 설명을 완성하기 위해서, 모터(112)는 공통 하우징(130)을 통해 디스플레이서(102)의 외측 실린더에 고정 관계로 장착되는 것이 바람직하다. 하우징(130)은 통상적으로 구동 로드(110) 주위의 선형 베어링 및 다이나믹 시일(dynamic seal)을 특징으로 한다. 스털링 사이클 시스템을 구성하기 위한 디스플레이서(102)와 압축기간의 연결은 가스 유입 파이프(132)와 연결관(134)을 통해 달성된다.

위에서 언급한 바와 같이, 디스플레이서 조립체(100)는 임의의 압축기 디자인과 함께 장점적으로 사용될 수 있다. 다양한 기계적 댐핑 효과의 동기화, 진폭 제어 및 에뮬레이션은 모두 발진 전류의 공급원과 그와 관련된 회로에 대한 전자 제어에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는, 압축기와 디스플레이서간의 동기화는 양자에 대해 공통 발진원을 사용함으로써 보장되며, 위상 조절은 적합한 임피던스를 갖는 부가적 요소의 사용이나 또는 다른 디지털 또는 아날로그 방법에 의해 수행된다.

바람직하게는, 디스플레이서 조립체(100)는 그 디자인이 상기 모터(112)와 유사한 특성을 갖는 모터에 의해 구동되는 압축기와 함께 사용된다. 이하, 이러한 압축기의 다양한 예에 대해 설명한다.

양호한 압축기 구조를 살펴보면, 도 2는 본 발명에 따라 구성되고 작동되는 압축기(10)를 도시한다. 일반적으로, 압축기(10)는 실린더(12)와, 영역(16)에 교호적인 집중 반경방향 자기장을 생성하기 위해 실린더(12)에 대해 고정된 두 개의 동일한 고정자 조립체(14)와, 한 쌍의 피스톤-자석 조립체(18)를 포함한다. 각각의 피스톤-자석 조립체(18)는 실린더(12)의 일부내에서 슬라이딩가능한 피스톤(20)과, 영역(16)내에 위치된 다수의 복합 영구 자석 시스템(22)을 포함한다. 고정자 조립체(14)가 교류 전류에 의해 여자화되는 경우, 교호적인 축방향 힘이 복합 영구 자석 시스템(22)에 대해 가해져서 피스톤(20)이 실린더(12)내에서 동기식으로 대향 왕복운동하도록 한다. 피스톤(20)이 실린더(12)내에서 왕복운동함으로써 실린더(12)의 중앙에 맥동 압력이 발생된다.

명료성을 위해, 본 명세서에서 사용된 용어 "축방향"은 실린더(12)의 중심축에 평행한 방향 또는 치수를 지칭한다. 마찬가지로, 본 명세서에 사용된 용어 "반경방향"은 상기 축에 수직한 방향 또는 치수를 지칭한다.

본 발명이 여기서 단일의 실린더 구조로 기재되어 있지만, 이것은 다중 실린더 시스템에 쉽게 적용될 수 있다. 평행하게 작용하는 다수의 동기식 시스템이 그 출구에서 연결될 수 있다. 대안적으로, 다수의 실린더는 각각 한 쌍의 대향 피스톤-자석 조립체를 수용하는 다수의 각진 방향으로 이격된 내부 연결 보어에 의해 단일 유닛으로 결합될 수 있다.

압축기(10)의 특징에 대해 보다 상세히 살펴보면, 실린더(12)는 고 정밀도로 피스톤(20)을 수용하기 위한 내측 보어를 갖는다. 출구 튜브(24)는 그 중앙 부근에서 실린더(12)의 내부 체적에 연결된다. 그물망 유동(net flow)이 요구되는 펌핑 적용에 대해, 부가적 유입 튜브 및 적절히 위치된 밸브(도시안됨)가 부가될 수 있다. 실린더(12), 고정자 조립체(14) 및 피스톤-자석 조립체(18)가 정밀하게 동축으로 배열되는 것이 본 발명의 압축기의 중요한 특징이다. 실린더(12)에 대한 고정자 조립체(14)의 정밀한 정렬을 용이하게 하기 위해, 압축기(10)는 그 길이의 중앙에 실린더(12)와 일체로 형성된 반경방향으로 연장하는 플랜지(13)를 특징으로 한다.

고정자 조립체(14)에 대해 살펴보면, 각각의 고정자 조립체는 실린더(12)의 축에 대해 대칭적으로 배열된 한 쌍 이상의 고정자 팩(28)으로 제조된 코어와 적어도 하나의 코일(26)을 포함한다. 각각의 피스톤-자석 조립체(18)를 구동시키기 위해 독립적인 고정자 조립체(14)가 제공되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 도 9를 참조로 후술되는 바와 같이, 고정자 조립체(14)는 실린더(12)의 양 단부 주위에 영역(16)을 제공하도록 실린더(12) 길이의 대부분을 따라 연장할 수 있다.

고정자 조립체(14)는 영역(16)내에 집중되는 거의 반경방향 자기장 패턴을 생성하는 것이 본 발명의 특별한 특징이다. 이러한 결과를 달성하기 위해, 고정자 팩(28)은 대체로 코일(26)을 통과하는 실질적으로 폐쇄된 자기 회로와 같이 형성된다. 영역(16)은 갭 면(30, 31) 사이에 형성된 고정자 팩(28)의 비교적 좁은 단절에 의해 형성된다. 도 2에 대응하는 자속 패턴이 도 3에 도시되어 있다.

양호한 실시예에 있어서, 3쌍의 고정자 팩(28)이 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 실린더(12)의 축에 대해 육각형 대칭으로 배열된다. 고정자 팩(28)은 자속 방향에 평행한 다수의 적층체로 구성되어 자기 손실을 최소화시키는 것이 바람직하다.

갭 면(30, 31)은 복합 영구 자석 시스템(22)의 형상에 부합되게 형성된다. 따라서, 이들은 통상적으로 도 6a를 참조로 후술되는 원통형 자석 디자인에 부합하도록 만곡된다. 대안적으로, 도 6b를 참조로 후술되는 바와 같이 다각형 구조의 복합 영구 자석 시스템에 부합하도록 평행한 평탄 갭 면(30, 31)이 사용될 수도 있다.

코일(26)과 고정자 팩(28)은 각 영역(16)에 소정의 공차까지 동일한 크기의 자기장을 생성하도록 구조된다. 따라서, 실린더(12)의 두 단부에 자기장을 생성하도록 별개의 코일(26)이 사용되는 경우, 동일한 수의 암페어 턴(Ampere-turn)을 갖는 유사한 코일이 사용된다. 마찬가지로, 고정자 팩(28)은 실린더(12)의 축에 대해 회전 대칭이면서 실린더(12)의 축에 수직한 면에 대해 면 대칭되게 설계되어 위치된다. 실제로, 생성된 자기장의 대칭은 사용된 요소의 공차에 의해 제한된다. 이하, 자기장의 비틀림을 보상하기 위한 메카니즘에 대해 설명한다.

일반적으로, 코일(26)을 전원(도시안됨)에 연결하는 독립적이며 가역적인 접속부(도시안됨)를 제공하는 것이 장점적이다. 이것은 사용된 각 자석의 극성의 유일한 결정을 필요로 하지 않는 피스튼-자석 조립체(18)를 구성할 수 있도록 한다. 그 뒤 극성 확인 과정이 수행되어 사용된 자석의 배열이 요구되는 대향 피스톤 운동을 발생시키는지 결정하고, 필요시 코일(26) 중 하나의 극성이 반대로 될 수 있다. 극성 확인 과정은 후술된다. 또한, 코일(26)의 병렬 및 직렬 접속의 전환이 가능한 것이 요망된다.

상기 적층형 고정자 구조의 변형예로서, 고정자 조립체(14)의 코어는 당해 기술분야에 공지된 방법으로 페라이트로 구성될 수 있다. 고정자 조립체(14)에 대해 페라이트를 사용함으로써 부가적 고정자 구조가 가능하다. 예를 들면, 고정자 조립체(14)는 개시된 임의의 고정자 단면을 회전시킨 입방체로 구조되어 영역(16)내에 원형 대칭인 자기장을 생성할 수 있다. 고정자 조립체(14)의 조립을 용이하게 하기 위해, 페라이트 코어는 통상적으로 서로 고정되는 두 개 이상의 섹션으로 제조된다. 도 5a는 3 조각의 구조가 사용되는 예를 도시한다. 도 5b는 단순화된 2 조각의 구성을 도시한다.

피스톤-자석 조립체(18)의 특징부를 살펴보면, 이것은 도 6a 및 도 7a에 명확히 도시되어 있다. 피스톤-자석 조립체(18)는 캡(32)을 통해 결합된 피스톤(20)과 복합 영구 자석 시스템(22)을 포함한다.

피스톤(20)은 적어도 수 ㎛(통상적으로 약 8 내지 30 ㎛)의 간극을 두고 실린더의 내측 보어와 정합하도록 기계가공되는 것이 바람직하다. 피스톤(20)의 재료는 기계적인 면만을 고려하여 선택되는데, 이는 피스톤(20)의 자기적 특성이 중요하지 않기 때문이다. 따라서, 피스톤(20)은 통상적으로 경화된 저마찰 재료로 제조된다. 대안적으로, 피스톤(20)은 예컨대 알루미늄과 같은 소프트한 경량 재료로 제조되고 그 뒤 당해 기술분야에 공지된 적절한 코팅으로 피복될 수 있다.

복합 영구 자석 시스템(22)은 그 자화 방향이 실린더(12)의 축에 대해 반경방향으로 자화된 제 1 섹션(34)과, 제 1 섹션에 인접하며 그로부터 축방향으로 이격되고, 그 자화 방향이 제 1 섹션의 것과 반대로 자화된 제 2 섹션으로 구성된다. 제 1 및 제 2 섹션(34, 36)은 일반적으로 별개로 제조되며 그 뒤 적합한 유형의 접합제에 의해 부착된다.

양호한 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 섹션(34, 36)은 도 6a에 도시된 바와 같이 반경방향으로 자화된 원통형 자석이다. 대안적으로, 각 섹션은 도 6b에 도시된 바와 같은 정다각형을 형성하도록 서로 장착된 다수의 평탄한 영구 자석이다. 양 경우에 있어서, 제 1 및 제 2 섹션(34, 36)은 그 축에 대해 대칭인 폐쇄 구조이므로, 정밀한 정렬에 요구되는 구조적 강성을 제공한다. 물론, 고정자 팩(28)의 갭 면(30, 31)은 복합 영구 자석 시스템(22)과 각각의 갭 면(30, 31)간에 약 0.1 내지 1㎜의 간극을 두고 복합 영구 자석 시스템(22)의 형상에 부합되도록 형성된다.

도 7b는 도 6a 및 도 6b의 피스톤-자석 조립체의 변형된 구성을 도시한다. 이 구성에 있어서, 캡(32)과 일체로 형성된 자기 전도성 재료의 층(38)이 복합 영구 자석 시스템(22)이 그 위에 구성되는 코어를 형성한다. 층(38)은 또한 피스톤(20)과 일체로 형성될 수도 있다. 그 뒤 적절히 자화된 영구 자석을 층(38)의 내측면 및 외측면상에 부착함으로써 제 1 섹션(34)과 제 2 섹션(36)이 각각 형성된다.

캡(32)과 일체로 형성된 층(38)을 사용함으로써 부가적인 구조적 강성을 제공하여 자석과 피스톤(20)의 적절한 정렬을 확실히 할 수 있도록 돕는다.

층(38)은 요구되는 복합 영구 자석 시스템(22)의 형상에 부합하는 단면 형상을 갖는 중공 튜브로 형성된다. 도 6a에 도시된 형태에 대해서, 단면은 원형이고, 도 6b에 도시된 형태에 대해서 단면은 대응하는 다각형이다.

압축기(10)가 조립될 때, 고정자 조립체(14)는 실린더(12)의 각 단부 부근에 대칭적으로 배열된 다수의 영역(16)을 제공하도록 실린더(12) 주위에 고정 관계로 장착된다. 피스톤-자석 조립체(18)는 피스톤(20)이 실린더(12)의 보어내에 삽입되고 복합 영구 자석 시스템(22)이 영역(16)내에 삽입된 상태로 실린더(12)의 각 단부에 위치된다. 고정자 팩(28)에 부착된 내측 정지부(42)가 피스톤-자석 조립체(18)의 미끄럼 운동 범위를 제한하여, 피스톤(20)간의 충돌을 방지한다. 압축기(10)는 또한 일반적으로 전체 구조에 지지체와 강성을 제공하는 케이싱(44)을 특징으로 한다. 케이싱(44)에 부착된 외측 정지부(45)는 피스톤-자석 조립체(18)가 그 정상적 작업 위치 범위로부터 외측으로 지나치는 것을 방지한다. 정지부(42, 45)는 예컨대 천연 고무 또는 합성 고무와 같은 탄성 재료로 제조되는 것이 바람직하다.

갭 면(30, 31)과 복합 영구 자석 시스템(22)간의 간극 갭이 피스톤(20)과 실린더(12)의 내측 보어 사이의 간극 갭보다 상당히 통상적으로 대략 1 또는 2배 정도 크다는 것이 본 발명의 양호한 특징이다. 이러한 특징은 압축기(10)의 기계적으로 소프트한 자기 요소를 불필요한 마모로부터 보호하면서 효율적인 펌핑 작업을 보장한다. 갭 면(30, 31)과 복합 영구자석 시스템(22)간의 간극 갭은 마모로부터의 보호에 필요한 정도를 넘어 과도하게 증가되어서는 안되는데, 이는 영역(16)의 확장이 자기장을 약하게 하기 때문이다.

압축기(10)의 작동을 살펴보면, 코일(26)이 교류 전류에 의해 여자화될 때, 영역(16)내에 대체로 반경방향으로의 교호적인 자기장이 발생된다. 자기장이 제 1 방향으로 증가할 때, 자기장과 일직선으로 자화된 복합 영구자석 시스템(22)의 섹션(34)은 자기장의 중심에 정렬되려고 하며, 반대로 자화된 섹션(36)은 반발된다. 이들 힘의 순수한 결과는 캡(32)을 통해 피스톤(20)으로 전달되는 각각의 복합 영구자석 시스템(22)에 대한 순수한 축방향 힘이다. 자기장이 반대로 되면, 힘이 반대로 되어 피스톤(20)을 반대 방향으로 가압한다. 따라서, 교류 전류 공급은 복합 영구자석 시스템(22)과 피스톤(20)이 축방향으로 왕복운동하도록 한다.

압축기(10)는 종래의 선형 압축기에서 필수적인 특징부를 이루는 스프링을 필요로하지 않음을 주목해야 한다. 복합 영구자석 시스템(22)의 반대 극성 구조체에 기인하여, 피스톤-자석 조립체(18)는 코일에 전류가 흐르지 않는 경우 자연적으로 중앙의 휴지 위치에 놓이려는 경향이 있다.

전술한 바와 같이, 코일(26)은 전환가능한 극성을 갖는 독립적인 전기 접속부를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 특징은 사용된 각 자석의 극성에 대한 유일한 결정을 요구하지 않고 피스톤-자석 조립체(18)를 구성할 수 있도록 한다. 그 뒤, 압축기(10)의 사용 전에, 극성 확인 과정이 수행된다. 극성 확인 과정은 코일에 교류가 아닌 직류 전압을 인가하고 양 피스톤-자석 조립체의 변위 방향을 관찰할 것이 요구된다. 양자가 실린더(12)를 향해 내측으로 당겨지는 경우, 또는 대안적으로 양자가 실린더로부터 멀어지도록 외측으로 이동하는 경우, 자석의 극성에 대한 코일의 접속이 올바름이 분명하다. 한편, 한 피스톤-자석 조립체가 내측으로 이동하고 다른 조립체가 외측으로 이동하는 경우, 코일(26) 중 하나의 극성이 반대로 된다.

이하, 도 8을 참조로, 자기장의 왜곡을 보상하기 위한 압축기(10)의 부가적 양호한 특징을 설명한다. 전술한 바와 같이, 압축기(10)의 요소를 구성하는 재료의 고유한 편차와 이들의 제조 공차는 영역(16)에 발생되는 자기장의 대칭의 왜곡을 야기할 수 있다. 이러한 왜곡에 의해 약간의 비왜곡 반경방향 힘이 발생되어 피스톤(20)의 마모가 증가할 뿐만 아니라 마찰 에너지 손실이 부가적으로 야기된다.

따라서, 압축기(10)가 자기장을 수정하기 위한 자기 보상 메카니즘을 구비하여 작동중의 압축기(10)의 진동 및 마찰력 손실을 최소로하는 것이 본 발명의 양호한 특징이다.

도 8은 영역(16)내의 자기장을 수정하기 위한 자기 보상 메카니즘(46)의 일 예를 도시한다. 메카니즘(46)은 고정자 조립체(14)(도 4a에 도시됨)의 부분과 결합하기 위한 리세스(50)와 반경방향 나사 보어(52)를 갖도록 형성된 칼라(48)를 포함한다. 연자성체 제조된 다수의 인서트(54)는 반경방향 보어(52)에 결합되는 나사 핀으로 형성된다. 인서트(54)를 제조하는데 적합한 재료의 일 예는 상표명 "Carpenter 49"로 시판되는 재료이다.

칼라(48)가 고정자 팩(28)상에 위치되고 인서트(54)가 반경방향 보어(52)내에 위치된 경우, 각 인서트(54)의 단부는 두 개의 복합 영구자석 시스템(22) 부근에 유지된다. 이 위치에 있어서, 반경방향 보어(52)의 나사산에 대한 인서트(54)의 회전에 의해 인서트(54)의 반경방향 위치가 조절되며, 따라서 영역(16)으로부터의 인서트(54)의 거리가 조절된다. 복합 영구자석 시스템(22)에 대한 연자성체의 인서트(54)의 근접도의 변화는 압축기(10)의 진동 및 마찰 손실이 최소로 될 때까지 압축기(10)가 작동하는 동안 진동영역(16)내의 자기장 패턴을 수정하는데 사용될 수 있다.

실제로, 자기 보상 메카니즘(46)을 사용하여 압축기(10)의 성능을 최적화하는 효과적인 방법은 최소의 전력 소비를 달성하도록 인서트(56)를 조절하는 것이다. 이것은 소정의 교류 전압으로 압축기(10)를 활성화시켜 얻어진 전류를 모니터링함으로써 행해진다. 이 때, 인서트(56)는 전류가 전체적으로 최소로 될 때까지 동시에 또는 교대로 조절된다.

상기 도 8의 자기 보상 메카니즘의 변형예로서, 부가적 권선(도시안됨)이 개개의 고정자 팩(28) 주위에 위치되어 DC 전류가 선택적으로 공급될 수 있다. 하나 이상의 고정자 팩(28)의 부가적 권선을 통과하는 전류를 변화시키는데, 가감 저항기 또는 다른 전류 제어 장치가 사용된다. 이것은 자기 보상 메카니즘(46)에서의 인서트(56)의 조절과 유사한 효과를 가지며, 상기 방식과 유사한 방식으로 반경방향 힘의 평형을 맞추는데 사용된다.

이하, 도 9를 참조로, 본 발명에 따라 구성되고 작동하는 압축기(56)의 변형예를 설명한다. 압축기(56)는 압축기(10)와 대체로 유사하며 동일한 요소에는 동일한 참조부호를 부여한다. 이 경우에 있어서, 고정자 조립체(14)는 실린더(12)의 양 단부에서 영역(16)에 필요 자기장을 제공하도록 길게 형성된다. 도 10a 및 도 10b는 본 실시예에서 고정자 팩(28)의 가능한 두 형태를 도시한다. 도 11a 및 도 11b는 각각 도 10a 및 도 10b의 형태에 대응하는 자속 패턴이다.

압축기(56)와 압축기(10)간의 다른 차이점은 압축기(56)에 스프링(58)을 제공한다는 것이다. 전술한 바와 같이, 피스톤-자석 조립체(18)는 스프링을 필요로 하지 않고 자동 중심조절을 행한다. 그러나, 특정 상황에 있어서, 도시된 바와 같은 스프링(58)을 포함하는 것이 바람직하다. 스프링(58)은 피스톤-자석 조립체(18)를 그 중앙 위치를 향해 부가적으로 편향시키며 서브-공진 조건에서 시스템의 안정성을 증가시킨다.

압축기(10)에 존재하지 않는 선형 베어링(40)이 압축기(56)에 포함됨을 주목해야 한다. 선형 베어링(40)은 피스톤-자석 조립체(18)와 실린더(12)간에 요구되는 고정밀도의 정렬을 유지하는 것을 돕는다. 선형 베어링(40)은 실린더(12)에 직접 부착되거나 또는 고정자 팩(28)이나 실린더(12)에 대해 고정된 압축기(10)의 다른 부분에 부착됨으로써 실린더와 일직선으로 고정될 수 있다.

마지막으로, 도 12를 참조하면, 본 발명에 따라 구성되고 작동하는 스털링 사이클 시스템의 개략적 도면이 도시되어 있다. 시스템은 압축기(10)와 함께 디스플레이서 조립체(100)를 적용한다. 예를 들면, 두 요소의 동기성을 보장하기 위해, 제어 시스템(60)이 제공된다. 간단한 실시 형태에 있어서, 제어 시스템(60)은 AC 전압원(62)과 위상-변경 장치(64)를 포함한다. 본 경우의 압축기(10)에서, 일 요소는 전압원(62)에 직접 접속되며, 본 경우의 디스플레이서 조립체(100)에서 다른 요소는 위상 변경 장치(64)를 통해 접속된다. 제어 시스템(60)에 의해 제공된 두 출력이 동기적이지만 위상이 다르기 때문에, 압축기 모터와 디스플레이서 모터의 요구되는 동기성이 보장된다.

전술한 바와 같이, 위상 변경 장치(64)는 적합한 임피던스를 갖는 부가 적 부품을 사용하거나 다른 디지털 또는 아날로그 방법에 의해 위상 조절을 수행할 수 있다. 또한, 점성 마찰 지연 및 다른 기계적 효과의 균등성을 제공하기 위해 다양한 요소가 포함될 수 있다. 명백히, 전압원(62)과 위상 변경 장치(64)는 전체적으로 제어 시스템으로 지칭되는 별개의 유닛으로 구현될 수 있거나 또는 단일 제어 유닛으로 결합될 수 있다.

상기 설명은 오직 예시로서 의도된 것이며 본 발명의 사상 및 범위내에서 많은 다른 변형이 가능함으로 인식할 것이다.

Claims (9)

1. 스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체에 있어서,

   (a) 디스플레이서와,

   (b) 상기 디스플레이서를 구동시키도록 작동적으로 결합된, 운동 축을 갖는 동기식 선형 전기 모터를 포함하며, 상기 전기 모터는

   (i) 그들 사이에 갭을 형성하는 제 1 및 제 2 연자성 자극편(soft-magnetic pole pieces)을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체로서, 상기 갭의 폭은 상기 축에 수직하게 배향되며, 고정자 조립체는 주로 갭의 폭에 평행하게 정렬되는 자기장을 발생시키도록 구조되는, 상기 고정자 조립체와,

   (ii) 상기 갭내에 위치되는 적어도 하나의 복합 영구 자석 시스템으로서, 상기 복합 영구 자석 시스템은 상기 갭의 폭에 평행한 제 1 방향으로 자화된 제 1 섹션과 상기 제 1 섹션으로부터 축방향으로 변위되며 상기 제 1 방향과 반대 방향으로 자화된 제 2 섹션을 구비하는, 상기 복합 영구 자석 시스템을 포함하며,

   상기 전기 모터는 전력이 모터에 공급되지 않는 경우 상기 디스플레이서를 예정된 휴지 위치로 복귀시키는 자기 스프링으로 작동하는

   스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정자 조립체는 코일을 포함하며, 상기 코일에 인가되는 전압의 변동에 의해 상기 고정자 조립체와 복합 영구 자석 시스템간의 축방향 힘의 대응하는 변동이 발생되는

   스털링 사이클 시스템용 디스플레이서 조립체.
3. (a) 제 1 항의 디스플레이서 조립체와,

   (b) 압축기와,

   (c) 전압원을 포함하며,

   상기 전기 모터는 "디스플레이서 모터"로 지칭되며, 상기 압축기는 "압축기 모터"로 지칭되는 적어도 하나의 동기식 전기 모터를 포함하며, 상기 디스플레이서 모터와 압축기 모터는 모두 상기 전압원에 의해 구동되도록 작동적으로 접속되는

   스털링 사이클 시스템.
4. (a) 압축기와,

   (b) 디스플레이서와,

   (c) 상기 디스플레이서를 구동시키도록 작동적으로 접속된 동기식 선형 전기 모터를 포함하며,

   상기 전기 모터는 자기 스프링을 제공하도록 구성되어 상기 모터에 전력이 공급되지 않는 경우 상기 디스플레이서가 예정된 휴지 위치로 복귀하는

   스털링 사이클 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 전기 모터는 운동 축을 가지며, 또한

   (a) 그들 사이에 갭을 형성하는 제 1 및 제 2 연자성 자극편을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체로서, 상기 갭의 폭은 상기 축에 수직하게 배향되며, 상기 고정자 조립체는 주로 갭의 폭에 평행하게 정렬되는 자기장을 발생시키도록 구성되는, 상기 고정자 조립체와,

   (b) 상기 갭내에 위치되는 적어도 하나의 복합 영구 자석 시스템으로서, 상기 복합 영구 자석 시스템은 상기 갭의 폭에 평행한 제 1 방향으로 자화된 제 1 섹션과 상기 제 1 섹션으로부터 축방향으로 변위되며 상기 제 1 방향과 반대 방향으로 자화된 제 2 섹션을 구비하는, 상기 복합 영구 자석 시스템을 포함하는

   스털링 사이클 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전기 모터는 "디스플레이서 모터"로 지칭되며, 상기 압축기는 "압축기 모터"로 지칭되는 적어도 하나의 동기식 선형 전기 모터를 포함하며, 상기 압축기 모터는 자기 스프링을 제공하도록 구성되어, 상기 압축기 모터에 전력이 공급되지 않는 경우 상기 압축기가 예정된 휴지 위치로 복귀하는

   스털링 사이클 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 압축기 모터는 운동 축을 가지며, 또한

   (a) 그들 사이에 갭을 형성하는 제 1 및 제 2 소프트-자극편을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체로서, 상기 갭의 폭은 상기 축에 수직하게 배향되며, 상기 고정자 조립체는 주로 상기 갭의 폭에 평행하게 정렬되는 자기장을 발생시키도록 구성되는, 상기 고정자 조립체와,

   (b) 상기 갭내에 위치되는 적어도 하나의 복합 영구 자석 시스템으로서, 상기 복합 영구 자석 시스템은 상기 갭의 폭에 평행한 제 1 방향으로 자화된 제 1 섹션과 상기 제 1 섹션으로부터 축방향으로 변위되며 상기 제 1 방향과 반대 방향으로 자화된 제 2 섹션을 구비하는, 상기 복합 영구 자석 시스템을 포함하는

   스털링 사이클 시스템.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 전기 모터는 "디스플레이서 모터"로 지칭되며 상기 압축기는 "압축기 모터"로 지칭되는 적어도 하나의 동기식 전기 모터를 포함하며, 상기 시스템은 또한 전압원을 포함하며, 상기 디스플레이서 모터와 압축기 모터는 모두 상기 전압원에 의해 구동되도록 작동적으로 접속되는

   스털링 사이클 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 압축기와 디스플레이서간의 상대 위상을 조절하기 위해 상기 전압원과 상기 디스플레이서 모터 및 압축기 모터 중 하나와의 사이에 접속된 가변 임피던스를 갖는 적어도 하나의 요소를 추가로 포함하는

   스털링 사이클 시스템.