KR20100107020A

KR20100107020A - 실린더 위치 인식 시스템을 갖는 리니어 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체 및 리니어 모터 컴프레서, 및 유도 센서

Info

Publication number: KR20100107020A
Application number: KR1020107016592A
Authority: KR
Inventors: 디트마르 에리히 버나드 릴리; 파울로 세르지오 다인에즈; 네리안 페르난도 페레이라; 마르셀로 크니스
Original assignee: 월풀 에쎄.아.
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2010-10-04
Also published as: WO2009082800A1; JP5745123B2; JP2014132174A; CN101960141B; BRPI0704947A2; KR101576696B1; EP2232071B1; JP2011509063A; CN101960141A; EP2232071A1; US8944785B2; ES2608607T3; BRPI0704947B1; JP5592268B2; US20110008191A1

Abstract

본 발명은 공기 갭(12)을 형성하는 지지 구조(4)와; 적어도 공기 갭(12)의 부분을 따르는 가변의 자기 유량을 발생시키는 모터 권선(6); 종단들 중 하나에 헤드를 갖는 실린더(2); 자석이 공기 갭(12)을 적어도 부분적으로 포함하는 변위 경로 내측으로 이동하도록 모터 권선(6)의 자기 유량에 의해 구동되고, 자석의 변위는 피스톤(1)이 실린더(2) 내측으로 왕복적으로 이동하게 만드는, 자석(5)과 연결된 피스톤(1); 피스톤(1)이 적어도 미리 선택된 위치에 도달할 때, 유도 센서가 자석의 대응하는 위치로부터 초래되는 자계의 변화를 검출하고, 이 자계 변화로부터 일어나는 전압 신호를 발생시키기 위해, 자석(5)의 변위 경로의 포인트에 배치된 유도 센서(8)를 갖추어 이루어진 실린더 위치 인식 시스템을 갖는 리니어 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체를 개시하고 있다. 본 발명은 또한 본 발명의 종류의 피스톤과 실린더 조합체를 포함하고 실린더의 위치를 인식할 수 있는 리니어 모터 컴프레서를 개시하고 있다.

Description

실린더 위치 인식 시스템을 갖는 리니어 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체 및 리니어 모터 컴프레서, 및 유도 센서{PISTON AND CYLINDER COMBINATION DRIVEN BY LINEAR MOTOR WITH CYLINDER POSITION RECOGNITION SYSTEM AND LINEAR MOTOR COMPRESSOR, AND AN INDUCTIVE SENSOR}

본 출원은 2007년 12월 28일에 출원된 브라질 특허 번호 PI0704947-1 발명에 대해 우선권을 주장하였고, 그 명세서는 여기에 참고로써 통합된다.

본 발명은 피스톤 동작의 폭(amplitude)을 검출할 수 있고 피스톤 컴프레션(compression) 용량을 최대화하는 실린더 위치 인식 시스템을 구비한 리니어(linear) 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체를 개시하고 있다. 본 발명은 또한 이러한 종류의 피스톤과 실린더 조합체가 적용되는 리니어 모터 컴프레서(compressor)를 개시하고 있고, 마찬가지로 본 발명의 물체인 컴프레서에 적용가능한 유도 센서를 개시하고 있다.

현재, 리니어 모터들에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체들의 사용은 매우 보편화되었다. 이러한 타입의 피스톤과 실린더 조합체는 예컨대, 냉장고와 에어컨과 같은 냉방 시스템들 내의 리니어 컴프레서들에 유리하게 적용된다. 리니어 컴프레서들은 저 에너지 소비를 제공하고, 이로 인해 문제의 응용에 매우 효울적이다.

리니어 컴프레서는 보통 실린더 내측으로 이동하는 피스톤을 갖추어 이루어진다. 이 실린더의 헤드는 실린더 내측으로부터 저압 가스의 진입과 고압 가스의 배출을 조절하는 흡입 밸브(suction valves)와 가스 배출 밸브(gas discharge valves)를 하우징한다. 리니어 컴프레서의 실린더 내측의 피스톤의 축방향 움직임은 흡입 밸브에 의해 흡입된 가스를 압축하고, 실린더의 압력을 증가시키며, 배출 밸브를 통해 그것을 고압 영역으로 배출한다.

리니어 컴프레서는 위치를 식별할 수 있어야 하고 피스톤이 장비를 소모시킴과 더불어, 불쾌하고 시끄러운 소음을 야기하는 피스톤 통로의 다른 종단에 배열된 다른 구성요소들과, 또는 실린더 헤드와 충돌하는 것을 방지하기 위해 실린더 내측의 피스톤의 변위를 제어할 수 있어야 한다.

그럼에도 불구하고, 리니어 컴프레서의 수행과 효율을 최적화하고 컴프레서의 에너지 소비를 최소화하기 위해, 피스톤을 피스톤 헤드와 충돌하지 않고 피스톤 헤드에 최대한 가깝게 접근시키면서, 가능한 많이 실린더 내측으로 위치시키는 것이 바람직하다. 이것이 가능하도록 하기 위해, 컴프레서가 동작중일 때, 실린더의 변위 폭이 정확하게 알려져야 하고, 여기서 이 폭의 예측된 에러가 더 커질수록, 피스톤 경로의 최대점과 실린더 헤드 사이의 안전거리는 충돌을 피하기 위해 더 커질 것이다. 이 안전 거리는 컴프레서의 효율의 손실을 제공한다.

컴프레서의 실린더 내측의 피스톤의 축방향 변위를 제어하는 소정 메카니즘들과 시스템들은 본 분야에서 이미 알려져 있다. 이는 영구 자석 리니어 모터에 인가되는 전류 및 전압과 같은 모터 변수들을 감시함으로써 피스톤 동작의 폭을 예측하는 방법을 제공하는 미국 특허 US 5.342.176 발명을 포함한다. 즉, 리니어 모터 자신은 피스톤 위치 변환기이다. 이 해결책은 컴프레서 내측에, 센서와 같은, 추가적인 변환기의 사용을 요하지 않는다는 이점을 제공한다. 그러나 제안된 방법은 그것이 충돌을 피하기 위해 피스톤과 실린더 사이에 긴 안전거리를 요구하기 때문에 컴프레서에 대해 상당한 수행 손실을 야기하는 매우 낮은 정확도를 갖는다는 중대한 약점을 갖는다.

일본 특허 JP 11336661 발명은 피스톤의 최대 진행 위치를 판단하기 위해 위치 센서에 의해 측정된 이산 위치 신호들을 사용하고 그들을 차후에 보간하는 피스톤 위치 제어 유닛을 설명한다. 이러한 해결책이 있으면, 고도의 피스톤의 변위 폭의 정확성을 획득하는 것이 가능하다. 그러나, 피스톤의 변위 폭의 측정은 사람이 피스톤과 실린더 헤드 사이의 거리를 측정하기 편한 위치에서 수행되지는 않는다. 이러한 이유 때문에, 이 발명의 시스템은 위치 센서의 어셈블리(assembly) 위치 내의 허용오차를 갖는다.

브라질 특허 출원 BR 0001404-4 발명은 축방향으로 움직일 수 있는 컴프레서의 위치를 검출하는 데 특히 적합한 위치 센서를 설명한다. 컴프레서는 피스톤이 이동하는 속이 빈(hollow) 몸체와 헤드 사이에 위치하는 밸브 블레이드(valve blade)를 포함한다. 센서는 제어 회로와 전기적으로 연결되고 제어 회로에 신호를 전송하며, 속이 빈 몸체의 포인트에 의해 피스톤 경로를 캡쳐링할 수 있는 프로브(probe)를 포함한다. 따라서, 시스템은 피스톤과 실린더 헤드 사이의 거리를 측정할 수 있지만, 부정확한 판독을 야기하는 전기적 접촉 실패들로 인해, 실린더 위치 변환기로서 사용되는 전기 회로의 구조는 원하지 않는 전기적 잡음을 발생시킨다.

브라질 특허 출원 BR 0203724-6 발명은 변형들이 컴프레서 동작 상태들 내에서, 또는 심지어 파워 전압(power voltage) 내에서 발생할 때, 피스톤이 유체 변환 보드와 충돌하는 것을 방지하기 위해, 리니어 컴프레서 내의 피스톤 위치를 검출하는 다른 형식을 제공한다. 이 특허 발명에서 제안된 해결책은 피스톤의 상부 바로 위의 유체 보드와 피스톤 사이의 거리를 측정하는 것이고 따라서 이는 높은 정확도의 해결책이다. 그러나 이러한 구조는 밸브 보드 상의 센서를 설치하기 위해 공간을 필요로 하고 이는 좀 더 비용이 든다.

따라서, 종래 기술 문헌 중 어떤 것도 밸브 보드가 위치하는 실린더 헤드와 피스톤 사이에 거리를 직접 측정하는 피스톤 변위 측정 시스템에서 낮은 비용과 피스톤 위치 판단 및 제어의 좋은 정확도를 조합할 수는 없었다.

본 발명의 첫 번째 목적은 전기적 잡음의 신호 프리(signal free)를 제공하고 높은 정확도와 화질을 갖는 실린더 내측의 피스톤 변위 폭을 측정하는 수단들을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 단순하고 저가의 장비를 통해, 위치 센서의 신호를 다루는 전자 회로의 사용을 면제하는 실린더 내측의 피스톤의 변위 폭을 검출할 수 있는 피스톤과 실린더 조합체를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 또한, 피스톤 경로의 다른 종단에 배치될 수 있는 어떤 다른 구성요소와 마찬가지로, 밸브 보드와 또는 실린더 헤드와 피스톤의 충격을 방지하는 것이다.

본 발명의 목적은 공기 갭을 형성하는 지지 구조와; 적어도 공기 갭의 부분을 따르는 가변 자기 유량을 발생시키는 모터 권선; 종단들 중 하나에 헤드를 갖는 실린더; 자석이 공기 갭을 적어도 부분적으로 포함하는 변위 경로 내측으로 이동하도록 모터 권선의 자기 유량에 의해 구동되고, 자석의 변위는 피스톤이 실린더 내측으로 왕복적으로 이동하게 만드는, 자석과 연결된 피스톤; 피스톤이 적어도 미리 선택된 위치에 도달할 때, 유도 센서가 자석의 대응하는 위치로부터 초래되는 자계의 변화를 검출하고, 이 자계 변화로부터 일어나는 전압 신호를 발생시키기 위해, 자석의 변위 경로의 포인트에 배치된 유도 센서를 갖추어 이루어지는 실린더 위치 인식 시스템을 갖는 리니어 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체에 의해 달성된다.

피스톤이 도달하는 미리 선택된 위치는 바람직하게는 실린더 헤드와 가장 가까이 접근한 곳에서의 변위 경로의 위치이다. 피스톤이 도달하는 다른 미리 선택된 위치는 실린더 헤드로부터 가장 먼 변위 경로의 위치이다.

유도 센서는 바람직하게는 자석의 변위 방향을 따라 배치된 센서 코일을 갖추어 이루어지고, 센서 코일은 자석의 변위 방향을 가로질러 연장되고, 자석의 변위 방향을 따라서 좁다.

유도 센서는 바람직하게는 피스톤이 헤드에 가장 가까이 접근하는 위치에 도달하는 때, 자석의 위치와 일치하는 자석의 변위 경로의 포인트에 배치된다. 더 바람직하게는, 피스톤이 실린더 헤드와 가장 가까이 접근하는 위치에 도달하는 때, 자석의 하부 종단의 위치는 센서의 위치와 일치하고, 유도 센서 상의 자석에 의해 인가된 자계의 변화가 유도 센서의 터미널들 사이의 전압 차를 만든다.

선택적으로, 유도 센서는 피스톤이 헤드로부터 가장 먼 위치에 도달하는 때, 자석의 위치와 일치하는 자석의 변위 경로의 포인트에 배치될 수 있다. 피스톤이 실린더 헤드로부터 가장 먼 위치에 도달하는 때, 자석의 상부 종단의 위치는 센서의 위치와 일치하고, 유도 센서 상의 자석에 의해 인가된 자계의 변화는 유도 센서의 터미널들 사이에 전압 차를 만든다.

유도 센서는 공기 갭 내측 또는 외측에 배치될 수 있다. 실린더 헤드는 실린더의 내측 부분과 소통하는 흡입 밸브와 배출 밸브를 가질 수 있다.

본 발명의 목적은 공기 갭을 형성하는 지지 구조와; 적어도 공기 갭의 부분을 따르는 가변의 자기 유량을 발생시키는 모터 권선; 저압 공기 챔버로부터 실린더로 저압 공기를 허용하고, 실린더의 밖으로 고압 공기를 배출하는 밸브 보드를 상부 종단에 갖는 실린더; 자석이 공기 갭을 적어도 부분적으로 포함하는 변위 경로 내측으로 이동하도록 모터 권선의 자기 유량에 의해 구동되고, 자석의 변위는 피스톤이 실린더 내측으로 왕복적으로 이동하게 만드는, 자석과 연결된 피스톤; 피스톤이 적어도 미리 선택된 위치에 도달할 때, 유도 센서가 자석의 대응하는 위치로부터 초래되는 자계의 변화를 검출하고, 이 자계 변화로부터 일어나는 전압 신호를 발생시키기 위해, 자석의 변위 경로의 포인트에 배치된 유도 센서를 갖추어 이루어지는 리니어 모터 컴프레서의 수단들에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 컴프레서에 있어서, 피스톤이 도달하는 미리 선택된 위치는 바람직하게는 실린더 헤드에 가장 가까이 접근한 곳에서의 변위 경로의 위치이다. 피스톤이 도달하는 다른 미리 선택된 위치는 실린더 헤드로부터 가장 먼 변위 경로의 위치이다.

본 발명에 따른 컴프레서는 앞서 설명한 종류의 실린더 위치 인식 시스템을 갖는 리니어 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체를 포함한다.

더욱이, 본 발명의 목적은 리니어 컴프레서가 리니어 모터 컴프레서에 적용가능한 유도 센서에 의해 작동되고, 유도 센서는 자석의 변위 방향을 따라 배치된 센서 코일을 포함하며, 센서 코일은 실질적으로 자석의 변위 방향을 가로질러 연장되고, 자석의 변위 방향에서 실질적으로 좁다.

도 1은 통상적인 리니어 모터 컴프레서의 단면도,
도 2는 유도 센서가 결합된 본 발명의 피스톤과 실린더 조합체와 연관된 코일의 사시도,
도 2a은 제 1 위치의 피스톤, 본 발명의 실린더 위치 인식 시스템과 피스톤과 실린더 조합체의 개략적인 단면도,
도 2b는 제 1 위치의 피스톤과 도 2a에 도시된 피스톤과 실린더 조합체의 A-A 단면의 개략도,
도 3a는 제 2 위치의 피스톤과 도 2a에 도시된 피스톤과 실린더 조합체의 개략적인 단면도,
도 3b는 제 2 위치의 피스톤과 도 3a에 도시된 피스톤과 실린더 조합체의 A-A단면의 개략도,
도 4a는 제 1 위치의 본 발명의 컴프레서의 피스톤과 실린더 메카니즘의 개략적인 단면도,
도 4b는 제 2 위치의 본 발명의 컴프레서의 피스톤과 실린더 메카니즘의 개략적인 단면도,
도 5는 피스톤의 변위 경로 내측의 자석의 위치의 변화에 기초한 센서에 의해 발생되는 신호의 자기 유량(magnetic flow)의 변화를 나타낸 그래프,
도 6은 피스톤의 변위의 소정 사이클들 동안, 센서 오버 타임(sensor over time)에 의해 발생된 전압 신호를 나타낸 그래프이다.

이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명에 따른 각 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 실린더 위치 인식 시스템을 구비한 리니어 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체가 적용될 수 있는 리니어 모터를 구비한 컴프레서를 도시한다.

도 1에 바람직한 실시예에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 피스톤과 실린더 조합체는 그것의 상부 종단에 밸브 헤드(valve head)라고도 불리는 밸브 보드를 포함하는 실린더(2)를 갖추어 이루어진다. 이 밸브 보드는 피스톤과 실린더 조합체가 공기 컴프레서에 적용된다면, 실린더(2)로 저압 공기를 허용하는 공기 흡입 밸브(3a), 및 실린더 밖으로 고압 공기를 배출하는 공기 배출 밸브(3b)를 포함한다.

본 발명에 따른 피스톤과 실린더 조합체의 다른 응용에 있어서, 실린더(2)의 내측과 소통하는 흡입 및 배출 밸브들(3a 및 3b)은 다른 타입의 유체들과 함께 동작할 수 있다. 예컨대, 피스톤과 실린더 조합체가 펌프에 적용된다면, 밸브들(3a 및 3b)은 물과 같은 다른 종류의 유체를 흡입하고 배출할 수 있다.

피스톤과 실린더 조합체는 또한 공진 조합체(resonating combination)를 구성하는 것과 연합하여, 실린더(2) 내측으로 이동하는 피스톤(1)을 포함한다. 실린더(2) 내측에서 피스톤은 가스가 배출 밸브(3a)를 통해 고압 사이드로 배출될 수 있는 포인트까지, 흡입 밸브(3a)에 의해 실린더 내측으로 흡입되는 가스를 압축하는 액션(action)을 취하는 번갈아 일어나는 리니어 움직임(alternate linear motion)을 수행한다.

피스톤은 적어도 자석(5)과 결합되어 있고, 따라서 피스톤의 변위는 자석의 대응하는 변위를 야기하며 그 반대도 마찬가지이다. 자석(5)은 바람직하게는, 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤의 외부 표면 주위에 위치된다. 본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 자석은 다른 방법들로 피스톤과 연결될 수 있고, 예컨대, 피스톤과 연결된 굴대(stem)에 고정된다.

피스톤과 실린더 조합체는 또한 피스톤 및/또는 자석(5)의 변위에 대한 가이드(guide)로써 및/또는 피스톤(1)을 위한 지지체로써 기능할 수 있는 지지 구조(4: support structure)를 구비한다. 지지 구조(4)의 적어도 일부분을 따라, 공기 갭(12: air gap)은 자석이 이동하는 곳에 형성된다.

도 1에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 두 나선형 스프링들(7a 및 7b)은 다른 사이드 상에 피스톤에 대향하여 설치되고, 상기 스프링들은 바람직하게는 항상 압축된다. 액츄에이터(actuator)와 나선형 스프링들의 가동부(mobile part)와 연합하여, 피스톤은 컴프레서의 공진 조합체를 형성한다.

피스톤과 실린더 조합체의 액츄에이터는 자계를 생성하기 위해 전기적으로 전원이 공급된 적어도 하나의 모터 권선(6)에 포함된다. 모터 권선은 발생된 자계가 피스톤(1)의 자석(5)의 변위 경로 상에서 기능하는 방식으로 배치되야만 한다. 도 2, 2a, 2b, 3a 및 3b에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 피스톤과 실린더 조합체의 지지 구조(4)는 두 개의 E-모양 금속 부분들로 구성되고, 모터 권선(6)은 이 부분들 각각의 중앙 레그(leg) 상에 결합된다. 모터 권선들과 결합된 두 개의 금속 부분들 사이에서 형성된 공간은 자석(5)의 변위 경로를 만드는 공기 갭(12)을 구성한다.

그러므로, 모터 권선에 전기적으로 전원이 공급된 때, 그것은 적어도 공기 갭(12)의 부분을 따라 자기 유량을 발생시키고, 이것은 모터 권선에 인가된 전압에 따라, 변화하고 제어될 수 있다. 결론적으로, 인가된 전압의 결과로써 모터 권선에 의해 발생된 자기 유량의 변화는 자석(5)이 공기 갭을 따라 왕복하여 움직이도록 유도하고, 피스톤이 실린더의 밸브 보드(3a 및 3b)로부터 떨어지게 하고 밸브 보드(3a 및 3b)에 접근하게 하며, 이로 인해 실린더(2) 내측으로 허용된 가스를 압축하게 한다. 피스톤 동작의 폭은 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 총 변위 폭에 대응한다.

피스톤 동작 폭은 액츄에이터에 의해 발생된 전력, 압축 내의 메카니즘에 의해 소비된 전력 및 다른 손실들의 균형에 의해 조절된다. 피스톤과 실린더 조합체의 최대 펌핑 용량을 획득하기 위해, 피스톤(1)이 충돌 없이 밸브 보드(3a, 3b)와 최대한 가깝게 이동하는 폭에서 동작하는 것이 필요하다. 그곳의 가능성을 확실히 하기 위해, 피스톤 동작 폭은 정확히 알려져야 한다. 이 변위 폭의 예측된 에러가 커질수록, 충돌을 피하기 위해 피스톤과 밸브 보드 사이의 안전 거리는 더 커진다. 충돌이 시끄러운 소음을 야기하고 장치에 손상을 가할 수 있기 때문에, 이러한 충돌은 바람직하지 못하다.

이러한 이유로 인해, 본 발명에 따른 피스톤과 실린더 조합체는 피스톤(1)과 실린더(2)의 펌핑 용량을 최적화하는, 가능한 큰 동작 폭으로 동작시키는 조합체를 가능케하기 위해 피스톤(1)의 위치를 인식하는 리니어 모터 구동 시스템을 포함한다.

피스톤과 실린더 조합체 내의 실린더 위치 인식과 피스톤 수행의 메카니즘의 바람직한 실시예는 도 2a, 2b, 3a 및 3b에 더 자세히 도시되어 있다.

유도 센서(8)는 피스톤(1)과 연결된 자석(5)의 변위 경로의 포인트에 배치된다. 전자기학의 원리에 따라, 인덕터들 또는 코일들과 같은 유도 장치들은 자계의 변화를 코일 터미널들에서 보이는 전압으로 변화시킨다. 이런 식으로, 유도 센서(8)가 자석의 변위 경로 상에 배치되기 때문에, 유도 센서가 공기 갭(12) 내측의 자석의 변위로부터 초래되는 자석(5)에 의해 생산된 자계 변화들, 또는 자석의 변위 경로의 다른 포인트들에서 생산된 자계의 변화들을 갖게 된다. 그러므로, 유도 센서(8)는 자석에 의해 생산된 자계를 감시함으로써 피스톤의 위치를 식별할 수 있고, 감지된 자계 변화에 응하여 전압 신호를 방출한다.

그러나 본 발명에 따르면, 유도 센서의 주요 목적은 피스톤이 동작 폭의 최대점에 도달했을 때, 실린더와 충돌없이, 최대점을 정의하는 것이고, 이 최대점은 피스톤의 제어 위치, 또는 상사점(upper dead center)을 고려한다. 그러므로, 센서가 구성됨에 따라, 자석의 변위 속도는 제어 위치의 판단을 방해하지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 유도 센서(8)는 바람직하게는, 센서 코일로서 여기에 참조되는 단순한 코일의 형태로 실행된다. 더욱이, 제어 위치를 판단함에 있어 속도의 더 큰 독립성을 획득하기 위해, 센서 코일은 자석의 변위 방향에서 좁은 차원들로 구성되고, 자석의 변위 방향을 가로질러 연장된다. 연장된 모양은 센서 코일의 더 큰 출력 전압이 센서(8)의 위치의 해상도에 간섭 없이 획득되는 것을 허락한다. 따라서, 잡음 교란(noise disturbance)으로 인하여 에러들에 대한 시스템의 민감성을 감소시키고 센서의 해상도를 증가시키는 실린더 내측의 피스톤의 상당히 감소된 변위 때문에, 센서에 의해 발생된 신호의 더 큰 변화가 존재한다. 센서(8)의 이러한 구성은 전기적 잡음의 신호 프리를 제공하고 센서의 좋은 정확성에 기여하는 낮은 임피던스를 구비한다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 센서(8)는 더 넓은 포맷(format)을 갖는 코일과 같이 구성될 수 있다. 이는 센서가 피스톤의 변위의 더 큰 거리를 측정할 수 있도록 하고, 따라서 사전에 피스톤(1)이 접근하는 것을 검출할 수 있다. 이러한 더 넓은 포맷은 센서가 실린더 내측의 피스톤의 두 개의 다른 포인트들을 측정할 수 있도록 한다. 그러나, 덜 정확하게 측정된 위치를 만드는 실린더 내측의 피스톤의 변위로 인해, 발생된 신호가 덜 변하고 더 완만하기 때문에, 센서의 폭의 증가는 해상도의 손실을 야기한다.

피스톤의 제어 위치를 정확하게 검출하기 위해, 센서(8)는 피스톤이 제어 위치에 도달할 때, 바람직하게는 자석의 변위 경로 내측에 위치해야만 하고, 이는 정확하게 적어도 자석(5)들 중 하나이거나 하부 에지에 의해 달성되는 위치 내부에 있다. 따라서, 자석(5)의 에지가 센서 너머로 통과할 때, 센서는 피스톤이 그것의 제어 위치, 또는 상사점에 도달했다고 지시하는 신호를 방출한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 센서(8)는 모터 권선(6)과 결합되고, 레그에 의해 모터 권선(6)에 고정되며, 센서 코일(8)의 일부는 공기 갭을 향하고 있고 여기서 자석(5)은 이동한다. 이 경우에 있어서, 본 발명에 따른 피스톤과 실린더 조합체는 피스톤(1)이 상사점(제어 위치) 내에 있을 때, 센서가 배치되는 위치가 자석의 위치와 정확하게 일치하도록 미리 배열된다.

도 2a, 2b, 3a 및 3b는 어떻게 실린더 위치 인식 시스템이 동작하는지를 설명하기 위해, 컴프레션 사이클(cycle)의 두 개의 다른 순간들에서 피스톤과 실린더 조합체의 샘플 실시예를 도시한다. 이 도면들에서, 센서는 도 2에서 도시된 것과 동일한 위치에 위치한다.

도 2a와 2b는 실린더가 밸브 보드로부터 떨어져 있고 자석(5)이 공기 갭을 따라 이동하며 자석(5)들 중 하나가 유도 센서(8)의 전면을 가로질러 이동하는 상황을 도시한다. 도 2b는 도 2a의 A-A 절단면으로부터 야기된 시점을 나타낸다. 도 3a와 3b는 피스톤이 제어 위치에 도달하는, 즉, 밸브 보드(3a 및 3b)로 및 실린더 헤드로 가장 가까이 접근하는 위치에서의 컴프레션 사이클의 제 2 순간을 도시한다. 이 포인트에서, 자석(5)들 중 하나의 하부 에지는 도 3b에 상세하게 도시된 바와 같이, 센서(8)의 상부 종단의 위치와 일치하도록 위치한다. 결론적으로, 피스톤(1)이 제어 위치에 도달했다고 지시하는 전기적 신호를 발생시키는 센서의 종단들 사이에서 전압의 더 큰 변화를 만드는, 유도 센서(8) 상의 자석(5)에 의해 발생되는 자계의 변화가 존재한다.

도 2와 3의 실시예에 있어서, 자석(5)들은 모터 권선(6)과 결합된 지지 구조(4)들 사이에 형성된 공기 갭(12) 내측에 항상 남아있다. 이 경우에 있어서, 공기 갭(12)은 자석(5)의 변위 경로와 일치하도록 위치한다.

도 4a와 4b는 본 발명에 따른 피스톤과 실린더 조합체의 구동 시스템의 제 2 실시예를 도시한다. 이 두 개의 도면들은 실린더 모양의 피스톤의 구동 시스템의 세로 절단면을 도시한다. 구동 시스템은 내측에 캐비티가 형성되는 원통 모양의 고정자(10)를 구비하고, 여기서 모터 권선(6)은 자석(5)의 변위를 유도하는 전계를 발생시키며 결합된다. 지지 구조(4)와 대응하는 기능을 수행하는 회수철(9)은 원통 모양이고 또한 고정자(10)를 에워싸며, 그로 인해 회수철(9)의 내부 표면과 고정자(10)의 외부 표면 사이에 공기 갭(12)이 피스톤의 자석(5)이 왕복으로 이동함을 따라 형성된다. 유도 센서(8)는 피스톤이 충돌 없이 실린더 헤드와 가장 근접하는 위치에 도달할 때, 자석(5)의 하부 종단과 일치하도록 위치하는 포인트에서 공기 갭(12) 내측에 배치된다. 바람직하게는, 고정자(10)가 센서를 하우징하기 위해 작은 리세스(recess)에 제공될 수 있다.

이 센서(8)는 또한 바람직하게는 자석(5)의 변위 방향에서의 좁은 구성, 및 자석의 변위 방향을 가로질러 연장된 포맷을 갖는 센서 코일로 구성되나, 센서 코일은 편의 사이트(site)의 굴곡을 따르기 위해 곡선 모양일 것을 요구한다.

도 4a는 피스톤(10)이 실린더 헤드(2)로부터 멀리 떨어지고, 자석(5)이 유도 센서(8)의 전면을 가로질러 이동하는 순간을 도시한다. 도 4b는 피스톤과 실린더 조합체의 동작 폭 내측의 피스톤(1)이 제어 위치에 도달하는 순간을 나타내고, 따라서, 자석(5)의 하부 에지가 변위 경로 내에서 유도 센서(8)의 상부 에지와 동일한 높이에 위치하는 순간을 나타낸다. 이 포인트에서, 센서(8) 상에 더 큰 자계 변화가 있을 것이고, 따라서 센서의 터미널들 사이에 전압 차를 만들고, 피스톤이 제어 위치에 도달했음을 지시하는, 대응하는 전기적 전압 신호를 발생시킨다.

여기에 설명된 피스톤과 실린더 조합체를 갖는 리니어 컴프레서는 여기에 또 설명된 동일한 원리에 따라, 실린더 내측의 피스톤의 위치를 동등하게 검출할 수 있고, 따라서, 에너지 소비 및 펌핑 용량에 의해 컴프레서의 수행을 제고시킬 수 있다. 도 1로 돌아가서, 본 발명에 따른 피스톤과 실린더 조합체의 피스톤(1)은 지지 부분(4) 사이에 형성되는 공기 갭(12)을 갖추어 이루어진 변위 경로 내에서 이동하는 자석(5) 및 고정자(10)와 결합된 모터 권선(6)에 연결된다. 자석의 이러한 움직임은 실린더(2) 내측의 피스톤(1)의 번갈아 일어나는 움직임을 유도하고, 따라서 그것이 흡입 밸브(3a)에 의해 실린더 내측으로 흡입된 가스를 압축하고, 배출 밸브(3b)를 통해 고압 가스를 배출한다.

리니어 컴프레서는 샤시(11) 내측에 설치된다. 컴프레서와 샤시 사이에 형성된 공간은 저압 가스가 포함되어 있는 저압 챔버(13)를 구성한다. 실린더의 흡입 밸브(3a)는 저압 챔버와 소통하고 실린더(2) 내측으로 공기를 흡입한다. 실린더의 배출 밸브(3b)는 컴프레션 피스톤의 움직임에 의해 실린더 내측에서 압축된 고압 공기를 저압 챔버의 밀폐하여 고립된(hermetically-isolated) 고압 영역으로 배출한다.

자석의 변위 방향을 가로질러 연장되고 자석의 변위 방향에서 좁은 센서 코일과 같은 유도 센서(8: 도 1에는 도시되지 않음)는 자석의 변위 경로 상에 배치될 수 있고, 피스톤이 실린더 헤드와 충돌이 없으면서 가장 근접한 곳인 제어 위치 내에 있을 때, 자석(5)에 의해 도달된 위치와 대응하는 포인트에서 공기 갭(12) 내측 또는 외측에 있을 수 있다. 자석(5)이 센서(8)로부터 멀리 이동한다는 사실에 의해 초래되는 유도 센서 상의 자석에 의해 방출된 자계의 변화는 유도 센서의 터미널들 사이의 전압 차를 만들고 피스톤이 제어 위치에 도달했음을 지시하는 전압 신호를 발생시킨다.

따라서, 실린더 내측의 피스톤(2)의 변위 폭은 인식 시스템이 실린더가 제어 위치에 도달했을 때를 검출한다는 사실의 힘으로 제어될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 컴프레서는, 그것이 확실히 줄어든 반-충돌(anti-collision) 안전 거리를 갖고 그로 인해 또한 장비의 전력 소비를 최적화하므로, 컴프레션 용량을 최적화하기 위해 동작할 수 있다.

도 5의 그래프는 수 밀리미터 내에서 나타나는 자석(5)의 위치의 변화의 결과로서 센서(8)에 의해 발생된 신호의 자기 유량의 변화를 나타낸다. B(왼쪽)로 표시된 수직선은 피스톤의 변위의 가장 낮은 최대 포인트(또는 하사점(lower dead center))와 대응하고, A(오른쪽)로 표시된 수직선은 피스톤의 제어 위치 또는 상사점과 대응한다. 바람직하게는, 자석은 밸브 보드, 또는 그것이 경로의 하부 종단에서 충돌할 수 있는 어떤 다른 구성요소와 관련된 안전 거리를 확보하기 위해, 이 수직선들 A 및 B 하부에서 이동할 수 없다.

센서는 피스톤의 접근을 비례적으로 지시해야 한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 및 센서로부터 가능한 가장 정확한 결과를 얻고자 하는 목적에 있어서, 상사점 및 하사점의 수직선 A 및 B는 상승 경사(상사점)와 하강 경사(하사점)가 형성되는 이러한 신호의 일부 내에서 센서로부터의 신호에 비교하여 위치해야만 하고, 이러한 영역은 센서의 신호가 가능한 가장 리니어한 곳이다.

더 넓은 코일을 갖는 센서가 사용된다면, 신호의 자기 유량의 변화 곡선은 더 평평해지고 완만해진다. 따라서, 힘들게 약 6 내지 7.5 mm 사이의 센서의 위치 변화를 측정하는 대신에, 약 4 내지 8 mm 사이를 측정하는 것이 가능하나, 신호의 변화가 위치의 동일한 변화에 기인하여 더 낮아질 것이기 때문에, 센서의 해상도는 더 낮아질 것이다. 그러므로, 센서는 잡음의 간섭에 의해 에러를 일으키기가 더 쉽다.

도 6의 그래프는 피스톤의 변위의 소정 사이클 동안, 센서 오버 타임에 의해 발생된 전압 신호를 나타낸다. 또 다시, A로 표시된 수직선은 피스톤의 상사점의 위치에 대응하고, B로 표시된 수직선은 피스톤의 하사점의 위치에 대응한다. 센서에 의해 방출된 전압 신호는 다음의 수학식에 의해 발생된다.

여기서 Vsensor는 센서에 의해 발생된 신호의 전압이고;

f(x)는 도 5의 그래프에 나타난 신호, 즉, 센서에 의해 발생된 신호의 자기 유량의 변화이고; 및

v_magnet은 자석의 변위 속도이다.

영구 자석 모터들은 자석 및 피스톤(v_magnet 신호)의 변위 속도에 비례하는 그들의 역기전력과 관련된 신호를 발생시킨다. 모터가 크게 소리를 내기 때문에, 속도가 최대가 되는 변위 경로의 중심에 최대점이 존재하고, 상사점 및 하사점인 경로의 두 종단에 두 개의 제로 크로싱(zero crossing)이 존재한다. 자석의 속도는 실질적으로 사인 곡선(sinusoid)이다. 다만, 상사점 및 하사점에서, 자석의 속도가 제로와 같기 때문에, v_magnet에 의한 신호 f(x)를 곱함으로써, Vsensor인 결과는 이러한 포인트들에서 제로와 같다. 이것이 도 6에 있어서, 수직의 점선 A와 B 모두에서, 센서의 전압 신호가 제로인 이유이다.

따라서, 이 신호에 기초하여, 경로의 피스톤이 종단 중 하나에 도달하는 시점을 인식하는 것이 가능하다. 본 발명의 경우에 있어서, 이러한 크로싱은 피스톤이 최대점에 도달하는 것 및 따라서 피스톤이 밸브 보드와 충돌할 수 있다는 것을 판단하는 데 사용될 수 있다.

그러므로, 전류 센서는 하나는 상사점, 다른 하나는 하사점인 두 개의 신호를 발생시키나, 이 실시예에 있어서는, 피스톤이 상사점 위치에 있을 때, 센서가 자석의 에지가 도달하는 위치에 배치되기 때문에 위치는 상사점에서 가장 좋은 신호를 갖도록 최적화된다. 따라서 분석은 하사점에서 이루어지나, 센서의 전류 위치로 인해 덜 정확하게 된다.

본 발명에 따르면, 실린더 위치 인식 시스템은 또한 피스톤이 돌아올 때, 어떤 다른 구성요소와 피스톤과의 충돌의 위험이 있을 경우에, 중요할 수 있는 실린더 내측의 피스톤의 하사점을 검출하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예는 저석의 에지가 하사점에 대응하는 위치에 있을 때를 검출하기 위해, 다른 위치에 있는 경우를 제외하고 동일한 유도 센서(8)를 사용하여 얻어질 수 있다. 즉, 이러한 경우에 있어서, 센서(8)는 피스톤이 하사점 위치에 도달할 때, 자석(5)들의 상부 에지 또는 자석(5)들 중 적어도 하나가 도달하는 곳에 배치되야만 한다. 따라서, 자석(5)의 에지가 센서 위로 통과할 때, 센서는 피스톤이 하사점에 도달했음을 지시하는 신호를 방출한다.

그러므로, 본 발명에 따르면, 단 하나의 유도 센서(8)가 상사점과 하사점을 동시에 측정하는데 사용될 수 있고, 또는 두 개의 센서들(8)이 이러한 기능 중 하나를 수행하기 위해 서로서로 적합하게 배치되어 사용될 수 있다.

상기한 설명에서 명확하게 이해될 수 있듯이, 본 발명은 고 정확도를 가지고, 실린더 내측의 피스톤의 변위 폭을 측정하는 수단을 제공할 수 있다. 더욱이, 피스톤이 그것의 제어 위치, 또는 하사점에 도달했다는 것을 지시하는 신호는 또한 시스템의 정확도에 기여하는 전기적 잡음 교란에서 자유롭다.

게다가, 실린더 내측의 피스톤의 변위의 폭을 검출하기 위한 장비는 그것이 본질적으로 실린더의 위치를 식별하는 전략적 위치 내에 배치되는 센서로 이루어지기 때문에, 매우 단순하고, 이러한 센서에서 발생된 신호, 또는 이러한 신호가 겪는 특정 변화는 피스톤이 제어 위치에 도달했음을 지시하는데 충분하다. 따라서, 이러한 장비가 위치 센서의 신호를 다루는 전자 회로의 사용할 필요를 없게 만든다.

바람직한 실시예의 하나의 예를 설명했듯이, 본 발명의 사상은 다른 잠재적인 변형을 포함하고, 여기에 첨부된 청구범위, 이에 포함되는 다른 가능한 균등물들에 의해서만 제한된다고 이해되야 한다.

Claims

공기 갭(12)을 형성하는 지지 구조(4)와;
적어도 공기 갭(12)의 부분을 따르는 가변 자기 유량을 발생시키는 모터 권선(6);
종단들 중 하나에 헤드를 갖는 실린더(2) 및;
자석이 공기 갭(12)을 적어도 부분적으로 포함하는 변위 경로 내측으로 이동하도록 모터 권선(6)의 자기 유량에 의해 구동되고, 자석의 변위는 피스톤(1)이 실린더(2) 내측으로 왕복적으로 이동하게 만드는, 자석(5)과 연결된 피스톤(1);을 갖추어 이루어진 실린더 위치 인식 시스템을 갖는 리니어 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체로서,
피스톤(1)이 적어도 미리 선택된 위치에 도달하는 때, 유도 센서가 자석의 대응하는 위치로부터 초래되는 자계의 변화를 검출하고, 이 자계 변화로부터 일어나는 전압 신호를 발생시키기 위해, 자석(5)의 변위 경로의 포인트에 배치된 유도 센서(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 위치 인식 시스템을 갖는 리니어 모터에 의해 구동되는 피스톤과 실린더 조합체.
제 1 항에 있어서,
피스톤(1)이 도달하는 미리 선택된 위치가 실린더 헤드에 가장 가까이 접근한 곳에서의 변위 경로의 위치인 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
피스톤(1)이 도달하는 다른 미리 선택된 위치가 실린더 헤드로부터 가장 먼 변위 경로의 위치인 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
유도 센서(8)가 자석의 변위 방향을 따라 배치된 센서 코일을 갖추어 이루어진 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 4 항에 있어서,
센서 코일(8)이 자석의 변위 방향을 가로질러 연장되고, 자석의 변위 방향에서 좁은 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 1 항 내지 제 5 항에 있어서,
유도 센서(8)는 피스톤(1)이 헤드에 가장 가까이 접근하는 위치에 도달하는 때, 자석(5)의 위치와 일치하는 자석의 변위 경로의 포인트에 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 1 항 내지 제 6 항에 있어서,
피스톤(1)이 실린더 헤드와 가장 가까이 접근하는 위치에 도달하는 때, 자석(5)의 하부 종단의 위치가 센서(8)의 위치와 일치하고, 유도 센서 상의 자석(5)에 의해 인가된 자계의 변화가 유도 센서(8)의 터미널들 사이에 전압 차를 만드는 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 1 항 내지 제 5 항에 있어서,
유도 센서(8)는 피스톤(1)이 헤드로부터 가장 먼 위치에 도달하는 때, 자석(5)의 위치와 일치하는 자석의 변위 경로의 포인트에 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 8 항에 있어서,
피스톤(1)이 실린더 헤드로부터 가장 먼 위치에 도달하는 때, 자석의 상부 종단의 위치가 센서(8)의 위치와 일치하고, 유도 센서 상의 자석(5)에 의해 인가된 자계의 변화가 유도 센서(8)의 터미널들 사이에 전압 차를 만드는 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 1 항 내지 제 9 항에 있어서,
유도 센서(8)가 공기 갭(12) 내측에 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 1 항 내지 제 9 항에 있어서,
유도 센서(8)가 공기 갭(12) 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
공기 갭(12)을 형성하는 지지 구조(4)와;
적어도 공기 갭(12)의 부분을 따르는 가변 자기 유량을 발생시키는 모터 권선(6);
저압 공기 챔버(13)로부터 실린더로 저압 공기를 허용하고, 실린더(2)의 밖으로 고압 공기를 배출하는 밸브 보드를 상부 종단에 갖는 실린더(2) 및;
자석이 공기 갭(12)을 적어도 부분적으로 포함하는 변위 경로 내측으로 이동하도록 모터 권선(6)의 자기 유량에 의해 구동되고, 자석의 변위는 피스톤이 실린더(2) 내측으로 왕복적으로 이동하게 만드는, 자석(5)과 연결된 피스톤(1);을 갖추어 이루어진 리니어 모터 컴프레서로서,
피스톤(1)이 적어도 미리 선택된 위치에 도달하는 때, 유도 센서가 자석의 대응하는 위치로부터 초래되는 자계의 변화를 검출하고, 이 자계 변화로부터 일어나는 전압 신호를 발생시키기 위해, 자석(5)의 변위 경로의 포인트에 배치된 유도 센서(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
제 12 항에 있어서,
피스톤(1)이 도달하는 미리 선택된 위치가 실린더 헤드에 가장 가까이 접근한 곳에서의 변위 경로의 위치인 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
피스톤(1)이 도달하는 다른 미리 선택된 위치가 실린더 헤드로부터 가장 먼 변위 경로의 위치인 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
제 12 항 내지 제 14 항에 있어서,
유도 센서(8)가 자석의 변위 방향을 따라 배치된 센서 코일을 갖추어 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
제 15 항에 있어서,
센서 코일(8)이 자석의 변위 방향을 가로질러 연장되고, 자석의 변위 방향 내에서 좁은 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
제 12 항 내지 제 16 항에 있어서,
유도 센서(8)는 피스톤(1)이 밸브 보드에 가장 가까이 접근하는 위치에 도달하는 때, 자석(5)의 위치와 일치하는 자석의 변위 경로의 포인트에 배치되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
제 12 항 내지 제 17 항에 있어서,
피스톤(1)이 실린더 헤드와 가장 가까이 접근하는 위치에 도달하는 때, 자석(5)의 하부 종단의 위치가 유도 센서(8)의 위치와 일치하고, 유도 센서 상의 자석(5)에 의해 인가된 자계의 변화가 유도 센서(8)의 터미널들 사이에 전압 차를 만드는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
제 12 항 내지 제 16 항에 있어서,
유도 센서(8)는 피스톤(1)이 헤드로부터 가장 먼 위치에 도달하는 때, 자석(5)의 위치와 일치하는 자석의 변위 경로의 포인트에 배치되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
제 19 항에 있어서,
피스톤(1)이 실린더 헤드로부터 가장 먼 위치에 도달하는 때, 자석의 상부 종단의 위치가 유도 센서(8)의 위치와 일치하고, 유도 센서 상의 자석(5)에 의해 인가된 자계의 변화가 유도 센서(8)의 터미널들 사이에 전압 차를 만드는 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조합체.
제 12 항 내지 제 20 항에 있어서,
유도 센서(8)가 공기 갭(12) 내측에 배치되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
제 12 항 내지 제 20 항에 있어서,
유도 센서(8)가 공기 갭(12) 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.
리니어 컴프레서가 공기 갭(12)을 형성하는 지지 구조(4)와, 자석이 공기 갭(12)을 적어도 부분적으로 포함하는 변위 경로 내측으로 이동하는 모터 권선(6)의 자기 유량에 의해 구동되고, 자석의 변위는 피스톤이 실린더(2) 내측으로 왕복적으로 이동하도록 만드는, 자석(5)과 연결된 피스톤(1) 및 모터 권선(6)을 갖추어 이루어지고;
유도 센서(8)가 자석(5)의 변위 방향을 따라 배치된 센서 코일을 갖추어 이루어지며, 센서 코일이 실질적으로 자석의 변위 방향을 가로질러 연장되고, 자석(5)의 변위 방향에서 실질적으로 좁은, 청구항 제 12 항 내지 제 22 항에 정의된 리니어 컴프레서에 적용 가능한 것을 특징으로 하는 유도 센서.