特許 6190452 往復圧縮機のための電磁アクチュエータおよび慣性保存デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6190452

(24)【登録日】2017年8月10日

(45)【発行日】2017年8月30日

(54)【発明の名称】往復圧縮機のための電磁アクチュエータおよび慣性保存デバイス

(51)【国際特許分類】

   F04B 39/00 20060101AFI20170821BHJP

   F04B 9/06 20060101ALI20170821BHJP

【ＦＩ】

   F04B39/00 B

   F04B9/06

【請求項の数】17

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2015-512002(P2015-512002)

(86)(22)【出願日】2013年5月10日

(65)【公表番号】特表2015-532959(P2015-532959A)

(43)【公表日】2015年11月16日

(86)【国際出願番号】EP2013059710

(87)【国際公開番号】WO2013171126

(87)【国際公開日】20131121

【審査請求日】2016年5月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】513243790

【氏名又は名称】ヌオーヴォ ピニォーネ ソチエタ レスポンサビリタ リミタータ

【氏名又は名称原語表記】ＮＵＯＶＯ ＰＩＧＮＯＮＥ Ｓ．Ｒ．Ｌ．

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】バガッリ，リカルド

(72)【発明者】

【氏名】トグナレッリ，レオナルド

(72)【発明者】

【氏名】バージアッチ，マッシモ

(72)【発明者】

【氏名】キャパーニ，アレッシオ

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−１４８３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３２４７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３３３５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−００３４０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０３０４５２５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ３９／００

Ｆ０４Ｂ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮シリンダ内に往復運動可能に配設されたピストンと、
前記ピストンに接続された並進運動可能なアセンブリと、
固定されたステータと前記並進運動可能なアセンブリに結合された芯とを有する電磁駆動装置であって、前記並進運動可能なアセンブリを往復運動可能に駆動するように構成されている、電磁駆動装置と、
前記並進運動可能なアセンブリに結合されているアキュムレータと、
を備え、
前記アキュムレータが、第１の方向への前記並進運動可能なアセンブリの移動の運動に存在する運動エネルギーを蓄積するように構成され、
前記アキュムレータが、第２の方向への前記並進運動可能なアセンブリの移動の運動に存在する運動エネルギーを与えるように構成され、
前記電磁駆動装置は、前記ステータと前記芯との間に配設された複数の磁極片を備える、
往復圧縮機。

【請求項2】

前記アキュムレータは、第１の端部が前記並進運動可能なアセンブリに結合され、第２の端部が前記並進運動可能なアセンブリに対して固定されているバネアセンブリを備え、前記バネアセンブリは、１つまたは複数のバネを備え、前記バネアセンブリのバネ定数は、調節可能である、請求項１に記載の往復圧縮機。

【請求項3】

前記バネアセンブリの少なくとも１つのバネは、長さに沿って可変であるバネ定数を有する、請求項１または請求項２に記載の往復圧縮機。

【請求項4】

前記バネアセンブリは、異なる長さを有し異なる有効行程を有するように並列に配置構成された複数のバネを備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の往復圧縮機。

【請求項5】

前記バネアセンブリは、異なるバネ定数を有し、選択的に有効であるように並列に配置構成された複数のバネを備える、請求項１乃至４のいずれかに記載の往復圧縮機。

【請求項6】

前記バネの共振周波数および前記バネの前記共振周波数の高調波のうちの一方に実質的に一致する周波数で往復運動するように連接棒が構成されている、請求項１乃至５のいずれかに記載の往復圧縮機。

【請求項7】

前記アキュムレータは、第１の導体材料が前記並進運動可能なアセンブリに結合され、第２の導体材料が前記並進運動可能なアセンブリに対して固定されている少なくとも１つのキャパシタを備え、これにより、前記少なくとも１つのキャパシタは、移動する板を有し、また可変静電容量を有する、請求項１乃至６のいずれかに記載の往復圧縮機。

【請求項8】

前記電磁駆動装置は、
少なくとも１つのコイルが中に配設されている第１の芯であって、前記並進運動可能なアセンブリに対して固定されている第１の芯と、
少なくとも１つのコイルが中に配設されている第２の芯であって、前記並進運動可能なアセンブリに対して固定されている第２の芯と、
前記並進運動可能なアセンブリによって画成される板と、
を備え、
前記板が、中に配設されている前記少なくとも１つのコイルが通電されたとき前記第１の芯または前記第２の芯まで引き寄せられる、
請求項１から７のいずれかに記載の往復圧縮機。

【請求項9】

前記第１の芯と前記第２の芯との間の軸方向距離は、調節可能である、請求項１乃至８のいずれかに記載の往復圧縮機。

【請求項10】

前記電磁駆動装置は、
前記並進運動可能なアセンブリに対して固定されているステータと、
前記並進運動可能なアセンブリに接続されている芯と、
を備える、請求項１乃至９のいずれかに記載の往復圧縮機。

【請求項11】

前記電磁駆動装置は、
前記並進運動可能なアセンブリに対して固定されている、複数のコイルを有するステータと、
前記並進運動可能なアセンブリに接続されている芯と、
を備え、
前記圧縮機は、前記複数のコイルのうちから通電されるべきコイルを選択することによって前記並進運動可能なアセンブリの並進運動距離を変動させるように構成されている、
請求項１乃至１０のいずれかに記載の往復圧縮機。

【請求項12】

前記ピストンは、第１のピストン面および第２のピストン面を画成し、
前記シリンダおよび前記第１のピストン面は、第１の圧縮室を連携して画成し、前記第１の圧縮室はガス供給部およびガス輸送ネットワークと空気圧で連通し、
前記シリンダおよび前記第２のピストン面は、第２の圧縮室を連携して画成し、前記第２の圧縮室は前記ガス供給部および前記ガス輸送ネットワークと空気圧で連通する、
請求項１乃至１１のいずれかに記載の往復圧縮機。

【請求項13】

並進運動可能なアセンブリ、前記並進運動可能なアセンブリに結合されたアキュムレータ、および前記並進運動可能なアセンブリに結合された電磁駆動装置を備える往復圧縮機を動作させる方法であって、
前記並進運動可能なアセンブリを第１の移動方向に、前記電磁駆動装置を用いて力を前記並進運動可能なアセンブリに印加することによって加速することと、
前記並進運動可能なアセンブリを前記第１の移動方向に、前記並進運動可能なアセンブリに存在する運動エネルギーを前記アキュムレータに蓄積することによって減速することと、
前記並進運動可能なアセンブリを第２の移動方向に、前記アキュムレータに蓄積されたエネルギーから力を発生することによって加速することと、
を含み、
前記電磁駆動装置は、固定されたステータと、前記並進運動可能なアセンブリに結合された芯と、前記ステータと前記芯との間に配設された複数の磁極片と、を備える、
方法。

【請求項14】

前記並進運動可能なアセンブリを前記第１の移動方向に、前記並進運動可能なアセンブリに存在する運動エネルギーを前記アキュムレータに蓄積することによって減速することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

第１の移動距離を選択することと、前記第１の移動距離と異なる第２の移動距離を選択することとをさらに含む、請求項１３または請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記アキュムレータは、可変アキュムレータであり、前記方法は前記並進運動可能なアセンブリの前記移動時に所望の量はエネルギーを蓄積するように前記アキュムレータを構成することをさらに含む、請求項１３乃至１５のいずれかに記載の方法。

【請求項17】

前記アキュムレータは、可変アキュムレータであり、前記方法は、前記１または第２の移動距離のうちの一方を変化させ、作動時間を維持するように電磁アクチュエータを作動させることをさらに含む、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示されている主題は、ガス圧縮機に関するものである。より詳細には、本明細書で開示されている主題は、慣性保存の特徴を有する往復ガス圧縮機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ガス圧縮機は、広くダイナミックガス圧縮機または容積式ガス圧縮機としてグループ分けされ得る。容積式圧縮機は、ガスによって占有されている容積を縮小することによってガス圧力を高める。容積式ガス圧縮機は、一定量のガスを圧縮室内に封じ込めることによって動作し、ガスによって占有されている容積を機械的に縮小し、それによってガスを圧縮し、圧縮されたガスを供給網内に送る。ガス圧力増大は、その量のガスによって占有される空間の容積減少に対応する。本明細書で使用されている場合、ガスという用語は、気体状態の物質、液体状態の物質、および液体状態と固体状態の両方をとる物質からなる混合物を含む。

【0003】

容積式圧縮機は、往復ピストンまたは回転コンポーネントのいずれかを使用してガスによって占有されている容積を機械的に縮小する。往復圧縮機は、第１の方向に圧縮ピストンを圧縮室内に押し込み、第２の方向にピストンを圧縮室から引き出し、ある体積のガスを圧縮して室を占有するようにすることを繰り返し行うことによってガスの体積を連続的に圧縮する。ピストンが圧縮室内に移動する毎に、ピストンは室の一部を掃気し、それによって、ガスによって占有される室の容積を縮小し、その中の圧力を上げる。次いで、圧縮ガスが室から出て、ピストンが室から引き出され、２回目のガス充填でガスが室に入りその後ピストンが往復運動する。

【0004】

往復圧縮機は、単動式または複動式のいずれかとすることができる。単動式圧縮機は、上で説明されているように、第１の方向でピストンを駆動するときのみ圧縮を行う。複動式圧縮機は、圧縮ピストンの正面と後面の両方に付随する圧縮室を備え、これによって、第１の方向と第２の方向の両方のピストン移動で圧縮を行う。

【0005】

往復圧縮機は、単段式または多段式のいずれかであってもよい。単段式圧縮機では、圧縮機は、上で説明されている第１のピストン移動などにおける、１回の機械的動作でガスの体積を圧縮する。多段式圧縮機では、圧縮機は、ガスを上で説明されている第１の移動においてピストンの正面で圧縮し、圧縮されたガスをピストンの後面に付随する室に移動し、上で説明されている第２の移動においてピストンの後面でガスをさらに圧縮することなどによって、複数の機械的動作でガスの体積を圧縮する。さらに他の多段式圧縮機は、複数の圧縮動作でガスを圧縮するように配置構成された複数の圧縮ピストンを備える。

【0006】

圧縮にピストンを使用する往復圧縮機には、いくつかの不利点がある。例えば、往復コンポーネントに付随する慣性力は、ピストン装備圧縮機では高い。連続的往復運動において、圧縮機駆動装置は、ピストンを一方向に加速し、停止し、次いで、反対方向に加速する。ピストンアセンブリが大きければ大きいほど、駆動装置はアセンブリの加速および減速を行うのにより大きな力を供給する必要がある。また、アセンブリの運動エネルギーは、典型的には行程の終わりに散逸する（および保存されない）ので、圧縮機は、本質的に、効率があまりよくない。そのようなエネルギー損失は、比較的短い行程を有する圧縮機では特に重大であり、ピストンアセンブリを加速することに付随する慣性負荷は、駆動アセンブリに加えられるピーク負荷である。その結果、圧縮機駆動装置によって発生する力の大半は、ガスを圧縮することには費やされず、むしろ、ピストンアセンブリを連続的に加速することに費やされる。

【0007】

高圧天然ガスの用途では、圧縮機は、典型的には回転駆動される。次いで、回転駆動装置は、回転駆動装置と駆動軸の回転をピストンの直線的並進運動に変換するピストンとの間に機械的接続部を有し、典型的にはこれには連接棒が使用される。連接棒は、ピストンによって掃気される圧縮室の部分が一定となるように圧縮動作を制約する。したがって、駆動軸の速度を変えることなく圧縮されたガスの体積を変化させるために、ピストン装備圧縮機は、ターンダウンを備える。ターンダウンは、ピストンが中で往復する室の容積によって圧縮室の容積を変え、それによってそれぞれの行程で室内のガスが受ける圧縮を変える。ターンダウンには、調節に時間がかかること、および操作者がクランクを物理的に操作して圧縮室の容積を変えることができるように圧縮機をオフラインにすることすら必要であることなど、それ固有の不利点がある。

【0008】

容量調節可能圧縮機（ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）を実現する一代替的形態は、リニアモーター駆動式圧縮機である。このような圧縮機は、２００５年１２月付けのDeffenbaugh et al, DOE Award No. DE-FC26-04NT42269の下で作成されたAdvanced Reciprocating Compression Technology Final Report, SwRI Project No.18.11052（「ARCT Report」）において提案された。しかし、ARCT Reportで結論しているように、リニアモーターは、往復圧縮機を駆動するために使用することも可能であるが、現在のリニアモーター技術では、そのような圧縮機はより低速で動作し、比較的長い行程長を有する−したがって容量は小さく、従来の天然ガス供給システムには適していない−より小径のシリンダに制限されている。これらの制限は、一部には既存のリニアモーター技術によって達成可能な力の量が制限されていることにより、また一部には上述の連接棒の荷重の慣性負荷要件によるものである。

【0009】

したがって、必要な駆動力が、圧縮ピストンを加速するのに必要な慣性力ではなく、圧縮室内のガスを圧縮するのに必要な力によって駆動される往復圧縮機が求められている。また、既存のリニアモーター技術の能力の範囲内で必要な付随する駆動力があり大きな内径を有する往復圧縮機も求められている。最後に、既存のリニアモーター技術の能力の範囲内で必要な付随する駆動力があり短い行程長を有する往復圧縮機も求められている。

【0010】

本発明の他のさまざまな特徴、目的、および利点は、当業者には、本明細書の添付図面およびその詳細な説明から明らかになるであろう。

【発明の概要】

【0011】

一実施形態において、往復圧縮機が実現される。往復圧縮機は、圧縮シリンダシリンダ内に往復運動可能に配設されたピストンと、ピストンに接続された並進運動可能なアセンブリと、固定されたステータと並進運動可能なアセンブリに結合された芯とを有する電磁駆動装置であって、圧縮室内の並進運動可能なアセンブリを往復可能に駆動するように構成された電磁駆動装置と、並進運動可能なアセンブリに結合されているアキュムレータとを備え、アキュムレータが、第１の方向への並進運動可能なアセンブリの移動の運動に存在する運動エネルギーを蓄積するように構成され、アキュムレータが、第２の方向への並進運動可能なアセンブリの移動の運動に存在する運動エネルギーを与えるように構成されている。

【0012】

別の実施形態において、並進運動可能なアセンブリ、並進運動可能なアセンブリに結合されたアキュムレータ、および並進運動可能なアセンブリに結合された電磁駆動装置を含む往復運動のための使用方法が提供される。この方法は、並進運動可能なアセンブリを第１の移動方向に、電磁駆動装置を用いて力を並進運動可能なアセンブリに印加することによって加速することと、並進運動可能なアセンブリを第１の移動方向に、並進運動可能なアセンブリに存在する運動エネルギーをアキュムレータに蓄積することによって減速することと、並進運動可能なアセンブリを第２の移動方向に、アキュムレータに蓄積されたエネルギーから力を発生することによって加速することとを含む。

【0013】

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して類似の文字は類似の部分を表す添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むと、よりよく理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】リニアモーターによって電磁的に作動されるように構成された従来技術の往復圧縮機であって、圧縮機が下死点位置に配置構成されていることを示す図である。

【図2】図１の圧縮機であって、圧縮機が上死点位置にさらに配置構成されていることを示す図である。

【図3】図１の圧縮機であって、下死点から上死点に移動している間に力が並進運動可能なアセンブリに影響を及ぼしていることを示す図である。

【図4】図１の圧縮機であって、上死点から下死点に移動している間に力が並進運動可能なアセンブリに影響を及ぼしていることを示す図である。

【図5】図１の圧縮機であって、圧縮室が３つの領域に例示的に分けられ、それぞれの領域は異なる並進運動可能なアセンブリの加速に関連することを示す図である。

【図6】速度と力対図１〜５に示されている圧縮機が上死点から下死点に移動するときの時間との関係を示す比較図である。

【図7】往復圧縮機がリニアモーターで作動され下死点から上死点に移動している間に力が並進運動可能なアセンブリに影響を及ぼしている例示的な実施形態を示す図である。

【図8】図７の圧縮機であって、上死点から下死点に移動している間に力が並進運動可能なアセンブリに影響を及ぼしていることを示す図である。

【図9】往復圧縮機上で使用するように構成された可変アキュムレータの一実施形態を示す図である。

【図10】図７の圧縮機であって、圧縮室が３つの領域に例示的に分けられ、それぞれの領域は異なる並進運動可能なアセンブリの加速に関連することを示す図である。

【図11】速度と力対図７、８、および１０に示されている圧縮機が上死点から下死点に移動するときの時間との関係を示す比較図である。

【図12】磁気歯車リニアモーターによって駆動される圧縮機の一実施形態を示す図である。

【図13-17】往復圧縮機とともに使用するように構成された磁気歯車駆動装置の実施形態を示す図である。

【図18】ソレノイド駆動装置によって駆動される圧縮機の一実施形態を示す図である。

【図19】２つの圧縮アセンブリおよびリニアモーター駆動装置を有する圧縮機の一実施形態を示す図である。

【図20】２つの圧縮アセンブリおよびソレノイドアクチュエータを有する圧縮機の一実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下の詳細な説明では、出願の一部をなす、本発明のいくつかの実施形態を例示する、添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者がこれらの実施形態を実施できるように十分に詳しく説明されているが、他の実施形態を利用できること、また本発明の範囲から逸脱することなく論理的変更、機械的変更、電気的変更、および他の変更を行えることも理解されるであろう。したがって、以下の詳細な説明は、本発明の範囲を制限するものとして解釈されないものとする。

【0016】

図１および図２は、往復圧縮機１０を示している。圧縮機１０は、シリンダ（ハウジング）１４内に摺動可能に配設されているピストン１２を備える。ピストンは、ヘッドエンドの方へ配向された第１の面１６およびクランクエンドの方へ配向された第２の面１８を有する。本明細書で使用されて場合、「ヘッドエンド」は、駆動アセンブリから最も遠いところにある圧縮アセンブリの端部を指す。また本明細書で使用される場合、「クランクエンド」は、駆動アセンブリに最も近いところにある圧縮アセンブリの端部を指す。合わせてピストン１２およびシリンダ１４は、第１および第２の容積可変圧縮室（２０、２２）を協働して画成し、それぞれの室（２０、２２）は複数の入口（２４、２６）を通してガス供給部（図示せず）と選択的に空気圧により連通する。それぞれの室（２０、２２）は、複数の出口（２８、３０）を通じてガス供給／伝達システム（図示せず）と選択的に空気圧で連通する。圧縮機１０は、電磁駆動装置３２も備え、駆動装置３２はステータ３４および芯３６を有する。連接棒３８は、駆動装置芯３６をピストン１２に取り付ける。まとめると、ピストン１２、連接棒３８、および芯３６は、並進運動軸４２に沿って往復可能に駆動されるように構成された並進運動可能なアセンブリ４０を備える。

【0017】

本明細書の図面全体を通しての規約により、４５度のハッシュマークを有する要素／アセンブリは、そのような識別記号を有しない要素／アセンブリに対して固定される。したがって、図１および図２に示されているように、ステータ３４およびシリンダ（ハウジング）１４は、並進運動可能なアセンブリ４０に対して固定される。作動した後、ステータ３４および芯３６は、軸方向の力が並進運動可能なアセンブリ４０に印加されるように連携し、それによって、アセンブリ４０が軸４２に沿って並進運動させられる。駆動装置３２は、軸方向の力が逆転可能なように構成され、これにより、並進運動可能なアセンブリ４０は軸４２にそって前後に往復運動する。

【0018】

本明細書で使用される場合、「下死点」という用語は、ピストンが駆動アセンブリに隣接する端部で圧縮アセンブリ内に位置決めされる位置に関する配置構成を指す。本明細書で使用される場合、「上死点」という用語は、ピストンが駆動アセンブリの反対側の端部で圧縮アセンブリ内に位置決めされる位置に関する配置構成を指す。本明細書で使用される場合、「往復（運動）」という用語は、並進運動軸に沿ってピストンをヘッドエンドの方へ、次いでクランクエンドの方へ駆動する並進運動可能なアセンブリの移動を連続的に交互に行うことを指す。

【0019】

図１は、下死点に位置するピストン１２を示している。図２は、上死点に位置するピストン１２を示している。ピストン１２を図１に示されている下死点位置から図２に示されている上死点位置に移動するために、駆動装置３２は、ヘッドエンド向き付け力４４をアセンブリ４０に印加する。力４４は、軸４２に沿ってアセンブリ４０を駆動し、それによって、ピストン１２を圧縮アセンブリのヘッドエンドの方へ移動し、図１に示されている位置から図２に示されている位置に移動する。

【0020】

ピストン１２が下死点から上死点に並進運動している間に、第１のピストン面１６が力をガスが占有している室２０に印加し、それによってガスを加圧する。それと同時に、ピストン１２が並進運動することでも、室２２の容積が増大する。図２に流れ矢印４６によって示されているように、ピストン１２によって圧縮されたガスは、室２０から流れ出て、ガス分配／伝達システム（図示せず）内に流れ込む。同様に、図２に流れ矢印４８によって示されているように、圧縮されるべきガスは、ガス供給部（図示せず）において室２２内に流れ込む。次いで、ピストンは、減速し、上死点で停止し、方向を逆転し、クランクエンド方向に加速し、軸４２に沿って駆動装置１２の方へ軸方向並進運動し、それによって類似の一連の事象が生じる。

【0021】

図３および図４は、往復並進運動中に並進運動可能なアセンブリ４０に作用する力を示している。図３は、軸４２に沿ってアセンブリ４０の上で論じた並進運動中に配置構成されている力を示している。駆動装置３２は、「Ｆ_{Piston Face}」とラベル付けされている、第１のピストン面１６に加えられる力に打ち勝つのに十分な大きさを有する、図３において「Ｆ_Drive」とラベル付けされている、論じられているヘッドエンドの方に配向された駆動力４４を印加する。また駆動力４４は、並進運動可能なアセンブリ４０の質量を加速するのに十分な大きさも有し、この質量は図３において「Ｍ_{Translatable Assembly}」とラベル付けされている。同様に、図４は、並進運動可能なアセンブリ４０に、軸４２に沿ってアセンブリ４０が並進運動している間に作用する力を示しており、これによりピストンは圧縮アセンブリのクランクエンドの方へ駆動される。図４において、「Ｆ_Drive」は、「Ｆ_{Piston Face}」とラベル付けられている第２のピストン面１８に加えられる力に打ち勝つのに十分な大きさを有する。また駆動力４４は、並進運動可能なアセンブリ４０の質量を加速するのに十分な大きさであり、この質量は図４において「Ｍ_{Translatable Assembly}」とラベル付けされている。図３および図４のそれぞれにおいて、駆動装置３２によって生み出される力は、以下の式を満たさなければならない。

【0022】

Ｆ_Drive＝（Ｍ_{Translatable Assembly}）＊α＋Ｆ_{Piston Face} （式１）
ただし、αは、並進運動可能なアセンブリ４０の加速度である。「（Ｍ_{Translatable Assembly}）＊α」という項は、加速を受けたときに並進運動可能なアセンブリ４０の往復運動する質量を加速するために打ち勝たなければならない慣性力を表す。

【0023】

図５は、シリンダを複数のセグメントに分割することによる例示的なピストン並進運動を示しており、それぞれのシリンダセグメントは異なるピストン加速度を有する。図６は、図５に示されているシリンダセグメントにおけるピストン加速度と時間との関係をグラフで示しており、共通時間軸において駆動力の相対的大きさとそれぞれのシリンダセグメントで必要な時間との関係を示すグラフをさらに含む。

【0024】

図５は、４本のシリンダ切断線（５０、５２、５４、５６）によって３つのセクション（Ａ、Ｂ、Ｃ）に分けられた圧縮機シリンダ１４を示している。切断線５０および５２は、室セクションＡを画成し、切断線５４および５６は、室セクションＣを画成し、切断線５２および５４は、室セクションＢを画成する。図６に示されているように、式１に関して、ピストン１２がシリンダセクションＡ内の下死点にあるときに、駆動装置３２は、（ａ）ピストンの第１の面１６上に印加されたガス力に打ち勝つとともに、（ｂ）並進運動可能アセンブリ４０内に存在する慣性力を高めるのに十分な、ヘッドエンドに配向された力を印加し、それによってこれらは並進運動アセンブリ４０を加速する。ピストン１２がセクションＢに入ると、必要な力は低下し、駆動装置３２は（ａ）ピストンの第１の面１６に印加されるガス力に打ち勝つだけで十分な力を供給する。並進運動可能なアセンブリ４０の慣性は、シリンダセクションＢでは一定である。ピストン１２がセクションＣに入ると、駆動装置３２は再度、力の量を増やして供給し、これは（ａ）ピストンの第１の面１６に印加されるガス力に打ち勝つとともに（ｂ）並進運動可能なアセンブリ４０に存在する慣性力を取り除くのに十分なものであり、これによってアセンブリ４０の並進運動を減速し、アセンブリを停止させ、ピストンをその上死点位置に残す。

【0025】

図６は、上記の考察の速度および力の変化をグラフで示している。図６は、時間に対してグラフにされた速度と力、ｘ軸上に現れる時間、左ｙ軸上に現れる速度、および右ｙ軸上に現れる力を示している。シリンダ切断線（５０、５２、５４、５６）に対応する４本のグラフ切断線（５０、５２、５４、５６）は、グラフを３つのセクション（Ａ、Ｂ、Ｃ）に分割し、それぞれのセクションは共通の駆動力レベルおよび並進運動可能なアセンブリの加速度を有する。図５と同様に、図６において、切断線５０および５２は、室セクションＡ内の力の印加およびピストンの加速を示すグラフ「Ａ」の第１の部分を画成し、切断線５２および５４は、室セクションＢ内の力の印加およびピストンの加速を示すグラフ「Ｂ」の第２の部分を画成し、切断線５４および５６は、室セクションＣ内の駆動力の印加およびピストンの加速を示すグラフ「Ｃ」の第３の部分を画成する。「ｖｅｌｏｃｉｔｙ」とラベル付けされている実線は、下死点から上死点への移動時のピストンの速度の軌跡５８を示しているが、「Ｆｏｒｃｅ」とラベル付けされている三角形のマーカーを有する破線は、下死点から上死点位置への移動時の駆動力印加の軌跡６０を示している。

【0026】

図６から明らかなように、駆動力の要件は、駆動アセンブリが並進運動可能なアセンブリ４０を加速／減速しなければならないときに最高となる。これは、加速が変化しているグラフに示されている部分「Ａ」および部分「Ｃ」における相対的に極端な力の軌跡の値で示される。結果として、２つのことが続く。第１に、並進運動可能なアセンブリを加速するために必要な力は、駆動アセンブリの力要件を決定し、利用可能な駆動アセンブリの技術に対する制限が、これにより、電磁作動ガス圧縮機の構造のサイズを制限する。第２に、式１によって決定される任意の電磁作動圧縮機について、ピーク力負荷を低減できる場合、圧縮機のサイズは、より強力な電磁アクチュエータを備えなくても大きくすることができる。

【0027】

圧縮機が並進運動方向を変化させる毎に、駆動装置は、（ａ）移動している並進運動可能なアセンブリを停止するまで減速し、それによって、移動している並進運動可能なアセンブリに存在する慣性力に打ち勝ち、（ｂ）停止している並進運動可能なアセンブリを反対方向に加速し、それによって慣性力を並進運動可能なアセンブリに伝えなければならない。したがって、第２の移動で使用するため第１の移動に存在する慣性力を保存するメカニズムを圧縮機１０に組み込むことが有利であろう。

【0028】

図７および図８は、並進運動可能なアセンブリ１４０内に存在する慣性力を保存するように構成され、それによって一定の速度負荷に対して棒の加速ピーク負荷が有利に低減されている、圧縮機１００の非限定的な一例を示している。

【0029】

図７は、アキュムレータ１７４を有する圧縮機を示している。アキュムレータ１７４は、第１の移動可能なフランジ１６２および第２の移動可能なフランジ１７２を画成する連接棒１３８を備える。アキュムレータ１７４は、開口１６８を有する支柱１６６をさらに備え、連接棒１３８は支柱１６６内に摺動可能に受け入れられる。アキュムレータ１７４は、第１の弾性部材１６４および第２の弾性部材１７０をさらに備える。図７に示されているように、弾性部材１６４は、移動可能な第１のフランジ１６２と固定された支柱１６６との間に配設される。同様に、弾性部材１７０は、移動可能な第２のフランジ１７２の間に配設される。弾性部材は、並進運動可能なアセンブリ１４０が加速しているときに、弾性部材（１６４、１７０）がアセンブリ１４０上の駆動装置１３２の方向と実質的に同じ方向に向き付けられた力を印加するように構成され、これにより、他の方法ではアセンブリ１４０を加速するために駆動アセンブリで印加する必要のある力を低減する。弾力性部材は、そのような力を、圧縮されたバネ１６４および伸長されたバネ１７０としてそれぞれ例示的な実施形態に示されているように、それぞれの弛緩状態に戻すことによって印加する。

【0030】

同様にして、弾性部材は、並進運動可能なアセンブリ１４０が減速しているときに、弾性部材（１６４、１７０）が並進運動可能なアセンブリ１４０の運動の方向と実質的に反対の同じ方向に向き付けられた力を印加するように構成され、これにより、アセンブリ１４０の速度を減速し、他の方法ではアセンブリ１４０を減速するために駆動アセンブリ１３２でアセンブリ１４０に印加する必要のある力を低減する。弾性部材はそのような力を、それぞれの弛緩状態（図示せず）から変形されることによって印加する。したがって、アキュムレータ１７４は、アセンブリを減速することによって第１のアセンブリの移動時に移動している並進運動可能なアセンブリ１４０に存在している慣性を「預け」、第２のアセンブリの移動においてアセンブリを加速することによってその慣性をアセンブリ１４０に戻す技術的効果を有する。

【0031】

駆動装置１３２が軸１４２に沿って並進運動可能なアセンブリ１４０を加速する間隔中、アキュムレータ１７４は、駆動装置１３２と呼応して力を有利に印加し、それによって、駆動装置１３２が（ａ）ピストンの第１の面１１６に印加されるガス力に打ち勝ち、（ｂ）並進運動可能なアセンブリ１４０に存在する慣性力を増大させるのを支援する。そのような加速間隔において、駆動装置１３２によって生み出される力は、以下の式を満たさなければならない。

【0032】

Ｆ_Drive＝（Ｍ_{TranslatableAssembly}）＊α＋Ｆ_PistonFace−Ｆ_Accumulator （式２）
駆動装置１３２が軸１４２に沿って並進運動可能なアセンブリを減速する間隔中、アキュムレータ１７４は、駆動装置１３２と呼応して力を有利に印加し、それによって、駆動装置１３２が並進運動可能なアセンブリ１４０に存在する慣性力を取り除くのを支援し、それによってヘッドエンド方向でアセンブリ１４０を減速する。そのような減速間隔において、駆動装置１３２によって生み出される力は、以下の式を満たす。

【0033】

Ｆ_Drive＝（Ｍ_{TranslatableAssembly}）＊（−α）＋Ｆ_PistonFace＋Ｆ_Accumulator （式３）
式２および式３に示されているように、アキュムレータ１７４は、駆動装置１３２が並進運動可能なアセンブリ１４０を加速するために生み出す必要のある力を低減する技術的効果を有する。単一のバネを備えるアキュムレータについて式２および式３の「Ｆ_Accumulator」項を展開すると、駆動装置によって生み出される力は、以下の式を満たす。

【0034】

Ｆ_Drive＝（Ｍ_{TranslatableAssembly}）＊（−α）＋Ｆ_PistonFace＋（ｋ＊Ｘ） （式４）
ただし、ｋはバネ定数であり、Ｘは平衡位置からの並進運動可能な部材に接続されているバネ端部の変位量である。図７および図８に示されているバネ（１６４、１７０）は、例示に過ぎず、他の力を預けるデバイスも、本発明の範囲内にある。

【0035】

例えば、一実施形態では、第１の導体（図示せず）が固定され、第２の導体（図示せず）が並進運動可能なアセンブリに取り付けられているキャパシタ（図示せず）は、誘電体（例えば空気）によって分離される。このようにキャパシタは移動する板（詳細には、一方の板が他方の板に対して移動する）を有し、これにより可変静電容量を有する。この実施形態の一変形形態によれば、２枚の導体の間の誘電体占有距離は並進運動可能なアセンブリの並進運動とともに変動する。第１および第２の導体は一気に帯電され、圧縮機の動作中に絶縁されたままにされ得るか、または別々に帯電され、圧縮機の異なる動作期間中に絶縁されたままにされ得るか、または圧縮機の動作中に定電圧発生器に恒久的に接続され得るか、または圧縮機の動作中に可変電圧発生器に恒久的に接続され得る（典型的には、発電機の電圧は並進運動可能なアセンブリの発振周期に対してゆっくりと変動する）。そのようなアキュムレータは、並進運動可能なアセンブリの移動に対応する変化可能な電荷を蓄積し、キャパシタはこれによってアセンブリの慣性エネルギーを預け、また並進運動可能なアセンブリのその後の並進運動に動力を与えるための電荷を供給するように構成される。１つまたは複数のキャパシタを使用する場合に、バネ定数が一定であるか、または可変であるものとしてよい１つまたは複数のバネと併用することができる。

【0036】

有利には、バネを備える弾性部材を有する実施形態において、バネは、駆動装置が並進運動可能なアセンブリを作動させてバネの共振周波数で並進運動可能なアセンブリを励起するように構成される。次いで、バネは、共振周期を所望の作動時間と一致させるように設計され得る。あるいは、バネは、共振周期の高調波を所望の作動時間と一致させるように設計され得る。

【0037】

本発明の実施形態のバネが、弦巻バネに対する最も一般的な場合に対応する時間および空間に関して一定であるバネ定数を有することができ、あるいは、バネ定数は、特に長さに沿って時間および／または位置について変動し得る（すなわち、バネの圧縮度に依存する）ことに注目すべきである。

【0038】

図９は、行程を大きくし、作動時間を維持することによって圧縮機の容量を変化させ、それによって磁石の位置を最適化できるように構成された可変アキュムレータの一実施形態を示している。例示的な様式において、例示されているアキュムレータ１７４は、複数の選択可能な並列バネ（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９）を有する弾性部材１６４を備える。１つの行程で使用されるバネの数を変更し、それによって式４に示されているバネ定数を変え、それによって行程長を変化させ、磁石の位置を最適化することができる。

【0039】

より一般的には、図９の実施形態のアキュムレータは、第１の端部が並進運動可能なアセンブリに結合され、第２の端部が並進運動可能なアセンブリに対して固定されているバネアセンブリを備えると言える。このバネアセンブリは、複数のバネを備え、このバネアセンブリのバネ定数は、調節可能であり、実際、バネは、異なるバネ定数を有し、選択的に有効になるように並列に配置構成される。あるいは、バネアセンブリは、異なる長さを有し、異なる有効行程を有するように並列に配置構成された複数のバネを備えることができる（すなわち、並進運動可能なアセンブリの第１の変位範囲では、バネの第１のセットは並進運動可能なアセンブリ上で能動的であり、第２の変位範囲では、バネの第２のセットが能動的であり、第３の変位範囲では、バネの第３のセットが能動的であり、．．．）。「並列に配置構成される」という表現は、機能の観点から解釈されるべきであり、実際、バネの軸は、互いに平行である（さらに限定された場合として一致している）か、または互いに対して傾いていてもよい。

【0040】

図１０および図１１は、与えられた速度のプロフィールを達成するために必要なピーク力に関して圧縮機１０に勝る圧縮機１００の有利な技術的効果を示している。

【0041】

図１０は、４本のシリンダ切断線（１５０、１５２、１５４、１５６）によって３つのセクション（ＡＡ、ＢＢ、ＣＣ）に分けられた圧縮機シリンダ１１４を示している。切断線１５０および１５２は、室セクションＡＡを画成し、切断線１５２および１５４は、室セクションＢＢを画成し、切断線１５４および１５６は、室セクションＣＣを画成する。図９に示されているように、式２に関して、ピストン１１２がシリンダセクションＡＡ内の下死点にあるときに、駆動装置１３２は、（ａ）ピストンの第１の面１１６上に印加されたガス力に打ち勝つとともに、（ｂ）並進運動可能アセンブリ４０内に存在する慣性力を高めるのに十分な、ヘッドエンドに配向された力を印加し、これによって並進運動アセンブリ１４０をヘッドエンド方向に加速する。ピストン１１２がセクションＢＢに入ると、必要な力は低下し、駆動装置１３２は（ａ）ピストンの第１の面１１６に印加されるガス力に打ち勝つだけで十分な供給する。並進運動可能なアセンブリ１４０の慣性は、シリンダセクションＢＢでは一定である。ピストン１１２がセクションＣＣに入ると、駆動装置１３２は再度、式３によって決定される力の量を増やして供給し、これは（ａ）ピストンの第１の面１１６に印加されるガス力に打ち勝つとともに（ｂ）並進運動可能なアセンブリ１４０に存在する慣性力を取り除くのに十分なものであり、これによってアセンブリ１４０の並進運動を減速し、アセンブリを停止させ、ピストンをその上死点位置に残す。

【0042】

図１１は、上記の考察の速度および力の変化をグラフで示している。図１１は、時間に対してグラフにされた速度と力、ｘ軸上に現れる時間、左ｙ軸上に現れる速度、および右ｙ軸上に現れる力を示している。シリンダ切断線（１５０、１５２、１５４、１５６）に対応する４本のグラフ切断線（１５０、１５２、１５４、１５６）は、グラフを３つのセクション（ＡＡ、ＢＢ、ＣＣ）に分割し、それぞれのセクションは共通の駆動力レベルおよび並進運動可能なアセンブリの加速度を有する。図１０と同様にして、図１１の切断線１５０および１５２は、室セクションＡ内の力の印加およびピストンの加速を示すグラフ「ＡＡ」の第１の部分を画成し、切断線１５２および１５４は、室セクションＢＢ内の力の印加およびピストンの加速を示すグラフ「ＢＢ」の第２の部分を画成し、切断線１５４および１５６は、室セクションＣＣ内の駆動力の印加およびピストンの加速を示すグラフ「ＣＣ」の第３の部分を画成する。「ｖｅｌｏｃｉｔｙ」とラベル付けされている実線は、それぞれの圧縮機１０および圧縮機１００に共通の下死点から上死点への移動時のピストンの速度の軌跡を示している。「Ｆｏｒｃｅ₁₀」とラベル付けされている三角形のマーカーを有する破線は、下死点から上死点位置への移動時の圧縮機１０の駆動装置３２による駆動力印加を示しているが、「Ｆｏｒｃｅ₁₀₀」とラベル付けされている円形のマーカーを有する破線は、下死点から上死点位置へのピストン１１２の移動時の圧縮機１００の駆動装置１３２による駆動力印加を示している。有利には、ピーク力要件は、圧縮機１００については、「Ｆｏｒｃｅ₁₀」の軌跡が「Ｆｏｒｃｅ₁₀₀」の軌跡から逸れるグラフに示されているように、ＡＡとＣＣの両方の領域における圧縮機１０よりも低く、間隙には「Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｆｏｒｃｅ」とラベル付けされている。図１１に示されている有利な力要件は、例示的であり、非限定的であり、ピストンの行程の加速／減速および一定速度セグメントは、本明細書で開示されている発明の異なる実施形態では変動し得る。

【0043】

圧縮機１００のさらに有利な効果は、既存のリニアモーター技術を、商業ベースで有用な容量を有する機械を構築できるように適合することができるという点である。

【0044】

例えば、第１の非限定的な実施形態では、圧縮機１００は、同期リニアモーターを有する電磁駆動アセンブリ１３２を備える。この実施形態では、ステータ１３４は、複数の導電コイルを備え、芯１３６は、永久磁石を備える。複数の導電コイルは、同軸上に、軸１４２に対して平行に配置構成される。動作に関して、複数のコイル内の１つのコイルは、個別に通電することができ、それによって、磁力による推進力が発生して芯１３６を押し、それによって軸１４２に沿って並進運動可能なアセンブリ１４０を往復可能に駆動する。

【0045】

あるいは、第２の非限定的な実施形態では、圧縮機１００は、非同期リニア誘導モーターを有する電磁駆動アセンブリ１３２を備える。この実施形態では、ステータ１３４は、複数の導電コイルと銅またはアルミニウムなどの導体材料から構築された反応板を備える芯１３６とを備える。複数の導電コイルは、実質的に同軸上に、または軸１４２に関して平行に配置構成される。複数のコイルは、３相ＡＣ電源（図示せず）に接続し、通電された後に、電流が反応板内に誘導されるように構成される。誘導電流は、コイルと相互作用する磁界を発生し、それによって芯１３６を押す推進力を発生し、それによって軸１４２に沿って並進運動可能なアセンブリ１４０を往復可能に駆動する。

【0046】

図１２から図１７は、磁気歯車駆動装置によって電磁的に駆動される圧縮機の実施形態を示している。

【0047】

図１２は、本発明の一実施形態による磁気歯車駆動装置２３２を示している。磁気歯車駆動装置２３２は、連接棒２３８に結合され、センサー（図示せず）または制御システム（図示せず）、またはこれらの組み合わせから発せられる信号に応答してシリンダ（ハウジング）２１４内に配設されているピストン２１２を往復可能に並進運動させるように構成されている。磁気歯車駆動装置２３２は、第１のステータと第２のステータとの間に配設された芯２３６を備え、ステータは図１１においてステータ２３４としてまとめて識別されている。芯２３６は、連接棒２３８に結合され、芯２３６、連接棒２３８、およびピストン２１２は並進運動可能なアセンブリ２４０を備える。

【0048】

図１３は、本明細書で開示されている圧縮機に適した例示的な駆動装置３３２を示している。例示されている駆動装置実施形態では、駆動装置３３２は、移動可能な芯３３６およびステータ３３４を備える。図示されている実施形態において、芯３３６は、ステータ３３４に対して外向きに配設される。芯３３６は、圧縮機の連接棒３３８の一部を含み、連接棒３３８の表面３７８上に形成される交互配向（矢印で示されている）の複数の永久磁石３７６をさらに備える。ステータ３３４は、基部３８０および基部３８０に結合された複数の巻き線３８２を備える。連接棒３３８に設けられる永久磁石３７６の数および基部３８０に設けられる巻き線３８２の数は、圧縮機の用途に応じて変わり得る。有利には、この例示的な構成によって与えられるトルク密度は、圧縮機のサイズの著しい縮小を可能にし、その結果、コストおよび重量も低減され、これによって、並進運動可能なアセンブリ３４０（図示せず）の質量を減らすことによってピーク力要件を有利に下げられる。上で示されているように、連接棒３３８の一部を備える外側基部／内側は、磁気歯車装置が組み込まれている圧縮機３００（図示せず）の可能な一構成である。これは、非限定的な構成である。別の例示的な実施形態では、駆動装置３３２は、外側永久磁石基部および連接棒の一部に配列されている巻き線を備える。このような一実施形態では、複数の永久磁石３７６が、基部３８０の内面に設けられている。

【0049】

図１４は、本発明の別の例示的な実施形態による磁気歯車駆動装置４３２を示している。例示されている実施形態では、芯４３６は、連接棒４３８の一部、および連接棒４３８の一部の内面４７８に形成された交互配向（矢印で示されている）の複数の永久磁石４７６を備える。ステータ４３４は、基部４８０および基部４８０に結合された複数の巻き線４８２を備える。複数の静止している磁極片４８４は、複数の芯磁石４７６とステータの巻き線４８２との間に形成された空隙４８６内に配設される。圧縮機４００（図示せず）要件に応じて、磁極片４８４を基部４８０に（例えば、ステータの芯材料と同じ積層板からの型押しによって）取り付けるか、または個別に取り付けることができる。一実施形態において、空隙が基部４８０と磁極片４８４との間に存在し得る。別の実施形態において、非磁性体が基部４８０と磁極片４８４との間に挿入され得る。静止している磁極片４８４は、永久磁石の芯４３６によって励起される磁界と静止している巻き線４８２によって励起される磁界との間のトルク伝達を円滑にする。永久磁石４７６の数、ステータ巻き線４８２、および磁極片４８４は、圧縮機の用途に応じて変えることができる。

【0050】

図１５は、本発明の別の例示的な実施形態による磁気歯車駆動装置５３２を示している。例示されている実施形態では、芯５３６は、連接棒５３８の一部、および連接棒５３８の内面５７８に形成された交互配向（矢印で示されている）の複数の永久磁石５７６を備える。ステータ５３４は、基部５８０および基部５８０に結合された複数のステータの巻き線５８２を備える。複数の静止している磁極片５８４は、芯磁石５７６とステータの巻き線５８２との間に形成された空隙５７６内に配設される。例示されている実施形態では、磁極片５８４は、ステータの基部５８０に一体化される。前の実施形態で論じられているように、静止している磁極片５８４は、永久磁石の芯５３６によって励起される磁界と静止している巻き線５８２によって励起される磁界との間のトルク伝達を円滑にする。

【0051】

図１６は、本発明の別の例示的な実施形態による磁気歯車駆動装置６３２を示している。例示されている実施形態では、駆動装置６３２は、第１のステータ６３６と第２のステータ６９６との間に配設された移動可能な芯６３８を備える。芯６３８は、連接棒６３８の一部の中に組み込まれた複数の永久磁石６７６を備える。それぞれのステータは、基部（６８０、６８８）およびそれぞれの基部に結合された複数のステータの巻き線（６２８、６９０）を備える。例示されている実施形態では、静止している磁極片６８４の第１のセットは、芯磁石６７８とステータの巻き線６８２との間に形成された空隙６８６内に配設される。静止している磁極片６９２の第２のセットは、空隙６９４が芯磁石６７８と巻き線６９０との間に形成された状態で配設される。図１５に例示されている実施形態と同様に、静止している磁極片６８４の第１のセットは、ステータの第１の固定された基部６８０に一体化され得る。静止している磁極片６９２の第２のセットは、ステータの第２の固定された基部６８８に一体化され得る。

【0052】

図１７は、本発明の別の例示的な実施形態による磁気歯車駆動装置７３２を示している。例示されている実施形態では、駆動装置７３２は、第１のステータ７３４と第２のステータ７９６との間に配設された移動可能な芯７３６を備える。芯７３６は、連接棒７３８の一部、連接棒の表面７７８に設けられた永久磁石７７６の第１のセット、および連接棒の表面７７８に設けられた永久磁石７９８の第２のセットを備える。第１のステータ７３４は、第１の固定された基部７８０および第１の固定された基部７８０に結合された複数のステータの巻き線７８２を備える。第２のステータ７９６は、第２の固定された基部７９６および第２の固定された基部７８８に結合された複数のステータの巻き線７９０を備える。図１５および図１６に例示されている実施形態と同様に、静止している磁極片（図１７には示されていない）は、ローターの磁石とステータの巻き線の間に配設されるか、またはステータの芯内に一体化され得る。

【0053】

上に示されているさまざまな磁気歯車駆動装置実施形態において、圧縮機の芯は、永久磁石の芯とともに実装される。しかし、一体化された磁石歯車装置も巻線界磁、りすかご、またはスイッチドリラクタンス磁極を有する芯を使用して達成されうることも企図されている。言い換えると、芯の磁界は、永久磁石の代わりに直流電力を使用する電磁石を用いて実装され得る。さらに、磁束変調デバイスとして働く静止している磁極片に関して、そのような片の形状は、例えば、卵形または台形の形状など、正方形の挿入物に加えて、他の挿入物の形状によって具現化され得る。上の実施形態において示されている構成は、例示することを目的として三相巻き線を含むものとして図示されている。また異なる数の相も使用することが可能であることをも理解されたい。

【0054】

有利には、図１２から図１７に示されている実施形態では、速度および／または圧縮機ピストンによって掃気される容積を、並進運動可能なアセンブリの移動時に通電される巻き線のタイミングおよび／または数を変えることによって変動させることが可能である。これにより、圧縮室の容積を（例えば、ターンダウンにより）物理的に再構成する必要性がなくなる。これらの機械では、圧縮シリンダのヘッドエンドを手動操作されるクランクで機械的に変位させることによって容量を制御し、この機能は、非一時的な機械可読媒体に記録されている命令のセットによりプログラムされるコントローラに適応されることはより困難である。本発明のいくつかの実施形態において、これらの命令によりコントローラに対して、（ａ）並進運動可能なアセンブリの並進運動で通電する巻き線のサブセットを選択すること、（ｂ）並進運動可能なアセンブリを目標速度で並進運動させるために巻き線を順次通電することを指示する。一実施形態において、並進運動速度は、圧縮機がアキュムレータの弾性部材の共振周波数に実質的に等しい周波数で動作し、これにより弾性部材が並進運動可能な部材の慣性エネルギーを急速に蓄積／放出するようにさらに選択される。別の実施形態において、圧縮機は、弾性部材の共振周波数の高調波で動作し、これによってより多くの慣性エネルギーが蓄積されるが、弾性部材の共振周波数の場合より小さい。

【0055】

図１８は、ソレノイド駆動装置８３２を有する電磁駆動圧縮機８００の一実施形態を示す。

【0056】

図１８は、双方向（ＢＤＥ設計）電磁駆動装置８３２を有する例示的な圧縮機８００を示している。駆動装置８３２は２つの芯を備え、第１の芯８０２は開口８０６を有し、第２の芯８０４は開口８０８を有する。これらの芯は鉄または優れた磁気特性を持つ任意の他の金属板から作られ、これにより駆動装置のサイズおよび重量を減らすことができる。一実施形態において、芯は、鉄コバルト合金から作られる。例示的な駆動装置８３２は、第１の芯８０２および「Ｅ字形」の形状を有する第２の芯８０４を備える。他のいくつかの実施形態では、芯は、限定はしないが「Ｕ字形」の形状を含む任意の他の好適な形状を有することができる。駆動装置８３２は、並進運動可能なアセンブリ８４０によって画成された板８０１をさらに備え、並進運動可能なアセンブリ８４０は開口８０６および開口８０８に摺動可能に受け入れられる。いくつかの実施形態において、駆動装置は４つの芯を備えることができる。第１の芯８０２は、第１の芯８０２内に配設された２つのコイル８１０のセットを含む。第２の芯８０４は、第２の芯８０４内に配設された２つのコイル８０３の別のセットを含む。いくつかの実施形態において、芯は、２つよりも多いコイルを備えることができる。圧縮機８００は、並進運動軸８４２に沿った並進運動可能なアセンブリ８４０の移動を助けるために力を加えるように上で説明されているように構成されている第１の弾性部材８６４および第２の弾性部材８７０を有するアキュムレータ８７４をさらに備える。双方向駆動装置８３２は、並進運動可能なアセンブリ８４０と駆動可能に係合し、それによって、上で説明されているようにシリンダ（ハウジング）８１４内のピストン８１２を往復運動可能に駆動する。

【0057】

前節で論じられているように、本明細書で説明されている駆動装置の芯の形状は、例えば、「Ｅ字形」または「Ｕ字形」の形状とすることができる。非常に短い時間で芯内に高い電磁力を発生するために、ソレノイドの芯、ならびに板は、典型的には金属板から製造され、これにより、芯内に発生した渦電流が電磁力によって生じる磁束を減らす可能性のある渦電流効果を回避する。金属板からの芯の加工を十分にしやすくするために、好適な設計の構成が使用されるべきである。本明細書で説明されている例示的な「Ｅ字形」または「Ｕ字形」の形状の芯は、鉄板などの金属板から容易に加工できる。さらに、「Ｅ字形」の形状の芯は、コイルが通電された後に芯内に展開された磁極に対する大きな領域ももたらす。プランジャは、「Ｅ字形」芯の中心を通して揃えられているので、発生する磁力は、プランジャの両側に均一に分布し（「Ｅ字形」芯の中心に関するコイルの均一な配置により）、電磁力によるプランジャの移動は適宜バランスをとることができる。

【0058】

動作に関して、ピストン８１２は、第２の芯８０４内のコイル８０３を通る電流がオンになると下死点位置（図１８に示されている）をとる。コイル８０３が通電された後、並進運動可能なアセンブリ１０４は、第２の芯８０４（矢印８０５で示されている）の方へ引かれ、それによって、第２の弾性部材８６４を圧縮する。これは、図１８に例示されている。あるいは、ピストン８１２は、コイル８０３を通る電流がオフにされ、第１の芯８０２内のコイル８１０を通る電流がオンにされたときに、上死点位置（図示せず）をとる。その結果、並進運動可能なアセンブリ８４０は、第１の弾性部材８６４によって誘導される第１の芯８０２の方へ押され、ピストン８１２は上死点位置に並進する。有利には、駆動装置の双方向設計は、一方向設計に比べてより長い行程に対応することができ、従来のリニアモーターに比べて、行程の初期段階においてより高い力を出す。このより高い力は、行程の両方の終端位置（下死点または上死点のいずれか）において、予荷重がかかっている圧縮された弾性部材８６４または８７０が高い初期力を付与し、その力が並進運動可能なアセンブリ８０４および板８０２を反対側の芯の方へ押すという事実によるものである。したがって、バネ力は、有利には、板８０２と鉄芯８０２および８０４の間の大きな空隙により行程の始めに存在する、弱い磁力に加わり、初期力を高める。

【0059】

ソレノイド駆動装置実施形態（図示せず）において、芯の一方または両方は、並進運動軸に沿って独立して並進運動可能であるものとしてよいか。そのように調節可能であることにより、有利には、下死点位置と上死点位置との間のピストン移動距離を調節することができ、それによって、圧縮機の容量を調節することができる。別の実施形態において、周波数および並進運動速度は、上で説明されているようにアキュムレータの構成を補正することによって調節され得る。

【0060】

本明細書では、本発明のいくつかの特徴のみが例示され、説明されているが、当業者であれば、多くの修正形態および変形形態を思い付くであろう。例えば、図１９は、圧縮機６０１が第２のシリンダ（ハウジング）６０３、第２のピストン６０５を有する並進運動可能なアセンブリ６１１、ならびに駆動装置６３２のいずれかの側の第１のアキュムレータ６０７および第２のアキュムレータをさらに備える発明の一実施形態を示している。デバイスは、上で説明されているように動作し、有利には、圧縮シリンダ空間を倍にし、上で説明されている利点を組み込んでいる。同様に、図２０は、圧縮機８０１が第２のシリンダ（ハウジング）８０３、第２のピストン８０５を有する並進運動可能なアセンブリ８１１、ならびに駆動装置８３２のいずれかの側の第１のアキュムレータ８０７および第２のアキュムレータをさらに備える発明の一実施形態を示している。デバイスは、上で説明されているように動作し、有利には、圧縮シリンダ空間を倍にし、上で説明されている利点を組み込んでいる。したがって、付属の請求項は、本発明の真の精神の範囲内に収まるようなすべての修正形態および／または変形形態を対象とすることが意図されていると理解されたい。

【0061】

本発明の一実施形態において、往復圧縮機を動作させる方法は、並進運動可能なアセンブリを第１の方向に加速することを含む。加速は、実質的に動きのない状態から、力を、何らかの所望の速度に達するまで並進運動可能なアセンブリに印加することを含む。目標速度に到達した後、ガスが往復圧縮機の圧縮室を占有することによって並進運動可能なアセンブリのピストン面に印加される力に実質的に打ち勝つように力が印加される。並進運動可能なアセンブリを加速することで慣性が並進運動可能なアセンブリに付与され、並進運動可能なアセンブリに存在する運動エネルギーが増大する。

【0062】

この方法は、並進運動可能なアセンブリを、第１の方向に移動している間に減速することをさらに含む。並進運動可能なアセンブリを減速することは、上で説明されている弾性部材を変形させることなどによって、並進運動可能なアセンブリに存在する慣性の一部をアキュムレータに移すことによって達成される。並進運動可能なアセンブリを減速することで、並進運動可能なアセンブリに存在する慣性が減少し、第１の方向に移動しているときにアセンブリに付随する運動エネルギーが減少する。

【0063】

この方法は、それに加えて、アキュムレータに蓄積されたエネルギーを使用して並進運動可能なアセンブリを第２の方向に加速することを含む。一実施形態において、並進運動可能なアセンブリの第１の移動の際に変形された、弾性部材は弛緩して、元の状態に戻り、それによって、並進運動可能なアセンブリに力を印加し、第２の移動の際にアセンブリを加速する。

【0064】

当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を加えることができ、また等価物で置き換えることができることも理解するであろう。それに加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな修正を行って、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させることができる。したがって、本発明は、開示されている特定の実施形態に限定されないことが意図されているが、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むことが意図されている。

【符号の説明】

【0065】

１０ 往復圧縮機
１２ ピストン
１４ シリンダ（ハウジング）
１６ ヘッドエンド配向された第１の面
１８ クランクエンド配向された第２の面
２０、２２ 第１および第２の容積可変圧縮室
２４、２６ 入口
２８、３０ 出口
３２ 駆動装置
３４ ステータ
３６ コア
３８ 連接棒
４０ 並進運動可能なアセンブリ
４２ 並進運動軸
４４ 力
４６ 流れ矢印
４８ 流れ矢印
５０、５２、５４、５６ 切断線
５８、６０ 軌跡
１００ 圧縮機
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９ 並列バネ
１１２ ピストン
１１４ 圧縮機シリンダ
１１６ ピストンの第１の面
１３２ 駆動装置、駆動アセンブリ
１３４ ステータ
１３６ コア
１３８ 連接棒
１４０ 並進運動可能なアセンブリ
１４２ 軸
１５０、１５２、１５４、１５６ シリンダ切断線
１６２ 第１のフランジ
１６４ 圧縮されたバネ
１６６ 固定された支柱
１７０ 伸長されたバネ
１７２ 第２のフランジ
１７４ アキュムレータ
２１２ ピストン
２１４ シリンダ（ハウジング）
２３２ 磁気歯車駆動装置
２３４ ステータ
２３６ コア
２３８ 連接棒
２４０ 並進運動可能なアセンブリ
３００ 圧縮機
３３２ 駆動装置
３３４ ステータ
３３６ コア
３３８ 連接棒
３４０ 並進運動可能なアセンブリ
３７６ 永久磁石
３７８ 表面
３８０ 基部
３８２ 巻き線
４３２ 磁気歯車駆動装置
４３４ ステータ
４３６ 永久磁石のコア
４３８ 連接棒
４７６ 永久磁石
４７８ 内面
４８０ 基部
４８２ ステータ巻き線
４８４ 磁極片
４８６ 空隙
５３２ 磁気歯車駆動装置
５３４ ステータ
５３６ コア
５３８ 連接棒
５７６ 永久磁石
５７８ 内面
５８０ 基部
５８２ ステータの巻き線
５８４ 静止している磁極片
６０１ 圧縮機
６０３ 第２のシリンダ（ハウジング）
６０５ 第２のピストン
６０７ 第１のアキュムレータ
６１１ 並進運動可能なアセンブリ
６２８、６９０ ステータの巻き線
６３２ 磁気歯車駆動装置
６３６ 第１のステータ
６３８ 移動可能なコア
６７６ 永久磁石
６７８ コア磁石
６８０、６８８ 基部
６８２ ステータの巻き線
６８４ 静止している磁極片
６８６ 空隙
６８８ 基部
６９０ 巻き線
６９２ 静止している磁極片
６９４ 空隙
６９６ 第２のステータ
７３２ 磁気歯車駆動装置
７３４ 第１のステータ
７３６ コア
７３８ 連接棒
７７６ 永久磁石
７７８ 表面
７８０ 第１の固定された基部
７８２ 巻き線
７８８ 第２の固定された基部
７９０ 巻き線
７９６ 第２のステータ
７９８ 永久磁石
８００ 電磁駆動圧縮機
８０１ 板
８０２ 第１のコア
８０３ コイル
８０４ 第２のコア
８０５ 第２のピストン
８０６ 開口
８０７ 第１のアキュムレータ
８０８ 開口
８１０ コイル
８１１ 並進運動可能なアセンブリ
８１２ ピストン
８３２ ソレノイド駆動装置
８４０ 並進運動可能なアセンブリ
８４２ 並進運動軸
８６４ 第１の弾性部材
８７０ 第２の弾性部材
８７４ アキュムレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13-17】

【図18】

【図19】

【図20】