좌굴 부재를 구비한 제어 요소

좌굴 부재를 구비한 제어 요소{CONTROL ELEMENT WITH BUCKLED MEMBER}

본 발명은 좌굴 부재들을 구비한 스위치 및 밸브들과 같은 제어 요소들에 대한 것이다.

본 발명의 디바이스는 공압 및 유압의 기계적이고 산업적인 기술 분야에 속하고, 보다 구체적으로 본 발명의 디바이스는 유체 제어 및 그의 변형 기술 분야에 속한다.

이 기술은 또한 공압과 유압 외의 용도들에 사용될 수 있다. 고속 전기 절환은 고속이 효과적이며 본 발명 디바이스가 사용될 수 있는 또 다른 분야이다. 이것은 아크 발생을 감소시키기 위한 고압 스위치용 또는 고속 릴레이용일 수 있다.

일 실시예의 본 발명의 디바이스는 밸브 또는 스위치의 개방 및 폐쇄의 전기기계적인 제어 또는 능동 및/또는 수동의 기계적인 제어를 허용하는 스위치 또는 밸브로서 작용할 수 있는 제어 요소를 포함한다.

이러한 디바이스는 밸브 또는 스위치로서 작용하는 좌굴된 비임을 포함하고, 이로써 좌굴된 비임 부재에 저장된 에너지가 피봇 부재의 어느 일 측면의 쌍안정(bistable) 상태들 사이에 전달되고 적합화되거나, 이용될 수 있는 좌굴된 비임 부재에 저장되므로, 밸브를 개방 위치에서 폐쇄 위치로 또는 그 사이에 비례적으로 이동시키기 위하여 작은 작동 힘 및/또는 변위가 필요하다.

일 실시예에서, 비임 부재들의 대향 단부들 사이에 상기 비임 부재가 좌굴되도록 압축하여 배치되는 비임 부재; 및 상기 부재의 대향 단부들 사이에 배치되고 상기 비임 부재의 좌굴을 제한하고 운동 제한 부재에 대해 상기 비임 부재의 세로방향 운동을 허용하면서 상기 비임 부재를 제1 구간과 제2 구간으로 분리시키도록 구성된 운동 제한부재를 포함하는 제어 요소가 제공된다. 또한 비임 부재에 대해 제1 구간과 제2 구간의 양측 또는 어느 하나 위에서 동작하여 제1 구간과 제2 구간의 대응하는 다른 하나의 대응하는 변화를 발생하도록 비임 부재에 관련해서 배치된 작동 메카니즘이 또한 제공될 수 있다.

도면들을 참조하여 이제 실시예들이 설명되는 데, 여기에서 유사한 참조 부호들은 예로서 유사한 요소들을 표시하고, 그리고 여기서:
도 1은 제어 요소의 밸브 시트 실시예와 밸브의 예시적인 실시예의 동일 축척의 도면이다.
도 2는 도 1의 실시예의 측면도이다.
도 3은 도 1의 실시예의 평면도이다.
도 4는 압축기 실린더 헤드 내에 고정되도록 구성된 제어 요소의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 5는 개방 위치의 본 발명 디바이스에 따른 제어 요소의 예시적인 실시예의 측면도를 도시한다.
도 6은 폐쇄 위치의 본 디바이스에 따른 제어 요소의 예시적인 실시예의 측면도를 도시한다.
도 7A-7E는 비임 부재의 단부 상태들의 가능한 변화를 예시하는 제어 요소의 일부 다른 가능한 실시예들을 도시하며, 도 7A-7E는 제어 요소를 구현하는 모든 메카니즘들의 결론적인 수집이 아니며, 제어 요소 후방의 작동원리를 표현하기 위한 것이다.
도 8A-8D는 개시된 제어 요소를 사용하기 위한 밸브 액튜에이터들의 몇 개의 가능한 실시예들의 측면도들이며, 도 8A-8D는 제어 요소에 의하여 구현된 모든 작동 방법들의 결론적인 수집이 아니며, 제어 요소의 작동 후방의 동작 원리를 표현하기 위한 것이다. 주의: 위의 개략적인 도면들은 다양한 개방, 폐쇄 및 그들 사이의 위치들에 고정된 비임 부재를 도시한다.
도 9A-9B는 회로를 폐쇄하는 전기 커넥터로서 사용된 제어 요소의 실시예를 도시하는 간략화된 개략도이다.
도 10은 스위치의 실시예를 작동시키기 위하여 사용되는 피에조 세라믹을 개략 도시한다.
도 11A-11D 및 12A-12F는 압축기용 리드 밸브 작동을 개략적으로 도시한다.
도 13-19는 제어 요소의 예시적인 실시예를 도시한다.

특허청구범위에 의하여 보호되는 것으로부터 벗어나지 않고 여기 설명된 실시예들에 대해 중요하지 않은 수정들이 이루어질 수 있다. 특허청구범위들에서, "포함하는(comprising)"이라는 단어는 포함하는 의미로 사용되고 존재하는 다른 요소들을 제외하는 것은 아니다. 특허청구범위 특징 앞의 "하나(a)" 및 "하나(an)"의 부정 관사들은 존재하는 특징의 하나 이상을 제외하지 않는다. 여기 설명된 개별적인 특징들의 각각의 하나는 하나 이상의 실시예들에 사용될 수 있고 단지 여기 설명된 것에 의하여, 특허청구범위에 의하여 정해진 모든 실시예들에 필수적인 것으로 해석되지 않는다.

이제 본 발명의 디바이스를 보다 구체적으로 설명하면, 도 1-4는 밸브로서 사용하도록 구성된 제어 요소(20)의 실시예의 기본 조립체 및 구조를 도시한다. 비임 또는 비임 부재(21)가 밸브 블록(23)으로 제조되는 밸브 시트(22)에 단단히 부착된다. 비임(21)의 길이를 따라 압축되어 비임(21)이 장전되어 비임(21)의 대향 단부들 사이에 고정된다. 비임(21), 밸브 시트(22) 및 밸브 블록(23)은 단지 제어 요소의 실시예의 가능한 실시예의 표시일 뿐이며, 여하튼 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 횡방향(transverse) 운동 한정 장치(24)가 비임(21)의 대향 단부들 사이에 비임(21)에 접촉하도록 배치되어 비임에 대해 횡방향으로의 이동을 제한한다. 이동 제한장치(24)는 수직운동 제한장치(24)와 비임 부재(21) 사이의 컨택에서 비임부재(21)의 횡방향 운동, 또는 고정을 제한하고 이동 제한장치(24)에서 비임 부재(21)를 제1 구간(25)과 제2 구간(26)으로 구분한다. 이동 제한 장치는 도 1-4 도시와 같이 비임(21)에서 한정된 횡방향 운동 영역을 생성하기 위하여 이동 제한부재를 구성할 수 있는 방법으로서, 피봇, 굴곡부(flexure), 로커일 수 있다. 롤러들 및/또는 굴곡부(flexures) 또는 슬라이더들을 포함하는 많은 다른 세로방향으로 구속하는 비임 제한 방법들이 고려될 수 있다. 횡방향 운동을 제한하면서 최소 마찰과 관성으로 일반적으로 세로방향으로 운동할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 세로방향 운동을 참조하면, 횡방향 이동 제한부재이나 이동 제한부재에서 비임의 일부에 대해 세로방향으로 이동할 수 있도록 하는 것은 전체 비임이 아닌 것이 이해될 것이다. 피봇(24)은 기어를 가진 피봇일 수 있다. 일 실시예에서, 제어 요소는 수동 운동으로 작용할 수 있으며 밸브를 개폐하기 위하여 유압 또는 흐름 저항에 의존할 수 있다. 이 경우, 작동 메카니즘은 유체 흐름 자체이다.

도 5와 도 6은 개폐 위치에서 각각 제어 요소(20)를 통해 흐르는 유체 흐름(FF)을 제어하기 위하여 밸브 요소로서 작용하는 제어 요소(20)를 도시한다. 도 5와 도 6은 또한 작동 영역 또는 작동 구간(25)과 실링 영역 또는 밸브 구간(26)의 두 구간들로 구분된 비임(21)을 도시한다. 로커(24)는 구간들 사이의 비임의 횡방향 이동을 제한한다. 로커(24) 위의 대체적인 변형은 제한적이 아닌, 수직 하중을 견디면서 선형 운동을 허용하는 메카니즘, 슬라이딩 표면, 굴곡부, 선형 베어링, 및 상기 설명된 변형들의 소정의 조합을 이용하는 것을 포함할 수 있다.

이제 제어요소(20)의 실시예를 보다 구체적으로 설명하면, 제어요소(20)는 이와 같이 피봇 부재(24)의 대향 측면들에 위치되는 작동구간(25)과 밸브 구간(26)을 가지는 비임 부재(28)를 포함할 수 있으며, 여기서 작동 구간(25)의 능동 제어에 의하여 밸브 구간(26)의 좌굴이 이루어지고 이로써 밸브 구간(26)은 닫힌 상태에서 개방 상태로 이동되어, 또는 밸브 구간(26)을 이완시켜 밸브 구간(26)을 개방 상태로부터 닫힌 상태로 이동시킨다.

비임(21)은 좌굴을 유발하기 위하여 세로방향으로 사전 압축된다. 세로방향 압축의 효과는 좌굴된 비임 부재(21)의 내부 세로방향 압축 응력과 비압축 또는 비좌굴 또는 응력 이완 상태의 에너지 이상으로 좌굴된 비임 부재(21)의 저장된 에너지를 증가시키는 것이다. 비임(21)은 작은 작동력과 신속한 응답 시간에 의하여 두 개의 쌍안정 상태들 사이에서 신속하게 작동시키도록 밸브를 세로방향으로 좌굴함으로써 유발된 증가된 내부 에너지를 사용한다. 비임(21) 내의 저장된 압력과 내부 응력에 의하여, 밸브를 작동시키기 위하여 작동 영역(25)에 적용되는 힘은 작을 수 있다. 대신해서, 작동력이 클 수 있는 데, 이 원리는 세로방향으로 압축되지 않거나, 또는 더 작은 하중에서 세로방향으로 압축될 때보다 밸브로부터 더 높은 속도의 운동을 달성하기 위하여 사용될 수 있다. 비임(21)은 작은 작동력과 신속한 응답 시간에 의하여 두 개의 쌍안정 상태들 사이에서 신속하게 전환하도록 밸브를 세로방향으로 사전-압축시킴으로써 생성된 증가된 내부 압력을 사용한다. 어느 경우에나, 작동력에 의하여 비임(21)은 도 5의 개방 위치로부터 도 6의 폐쇄 위치로 또는 역으로 전환될 수 있다. 여기 사용된 바와 같은 “전환(toggle)"이라는 용어는 좌굴된 때에 비교해서 좌굴된 비임 부재의 일부를 직선, 직선에 근접한, 또는 더욱 직선적인 위치로 이동시키는 것을 의미한다. 또한 직선 위치를 지나 대향 방향으로 약간 곡선으로 통과하는 비임 부재를 의미할 수 있다.

대향하는 좌굴 구간의 이러한 구조는 실링 영역(26)의 개폐를 제어/작동시키기 위하여 낮은 에너지가 사용될 수 있는 것을 의미한다. 더욱이, 비임 부재의 작은 질량에 대해 높은 레벨의 저장된 에너지에 의하여 쌍안정 상태들 사이의 매우 높은 속도의 전환 효과를 발생할 가능성을 유발한다. 제어 요소(20)의 추가적인 실시예는 밸브 시트(22)에 대해 수직으로 유지되는 실링 영역(26)에 가장 근접한 비임(21) 단부를 가지며, 작동 영역(25)에 가장 근접한 비임(21) 단부는 선회할 수 있으므로, 작동 영역(25)은 밸브 시트(22)의 평면 위로 상하로 이동할 수 있다. 비임(21)의 작동은 제한되는 것이 아닌 전자석, 기계적인 캠들, 피에조 전자기구, 유압 및 공압 기구, 수동 작동 또는 또 다른 부재와의 접촉으로부터 생성되는 힘과 같은 디바이스들에 의하여 달성될 수 있다.

이제 제어 요소(20)의 실시예의 구조를 설명하면, 비임(21)은 제한되는 것이 아닌 스프링강 시트 부재, 스테인레스강, 구리 양이 많은 합금, 및 스프링 재료로 적합한 다른 합금들과 같은 재료로 제조될 수 있다. 플라스틱이나 섬유 보강 복합체와 같은 비금속 재료가 또한 사용될 수 있다. 도 1-4 도시와 같은 4인치 피스톤을 가진 압축기의 비제한적인 예시적인 실시예에서, 비임(21)은 12인치 길이, 2인치 폭 및 0.050 인치 두께의 치수를 가질 수 있다. 흡기 및 배기 밸브를 가진 압축기 실린더 헤드를 형성하기 위하여, 도 1-4에 도시된 조립체들의 둘, 또는 도 1-4의 조립체들의 둘과 같은 효과를 달성하는 부품들의 결합이 사용될 수 있다. 압축기 흡입밸브 조립체는 비임(21)의 곡률을 가질 수 있으므로 피스톤 흡기 스트로크 상에서 공기를 수동으로 유입시킬 수 있다. 압축기 배출 밸브는 비임(21)의 곡률을 가질 수 있으므로 작동 입력을 가지거나 없이 피스톤의 배기 스트로크 상에서 공기가 배출될 것이다.

도 1-4의 조립체는 제한하는 것으로 도시되지 않으며, 단지 제어 요소(20)의 기본 원리를 제공하기 위한 것이다. 실링면(22)에 절개 형성된 슬롯은 비제한적인 예로서, 비임(21)의 폭의 80%의 폭을 가지며, 또는 다수의 슬롯들이 사용될 수 있다. 로커(24)는 표준적인 롤링 베어링을 이용하여 제조될 수 있으며, 실링면에 가장 근접한 비임(21)의 단부는 제한되는 것이 아닌 마일드 강과 같은 재료로 제조된 클램프를 이용하여 실링면(22)에 수직으로 고정될 수 있다.

특정 동작 조건에서 바람직한 성능을 달성하기 위하여 비임(21)에 대해 제한적이 아닌 이하와 같은 변형들을 제공한다: 비임(21)의 형상에 오목, 볼록, 또는 오목과 볼록 구간들의 소정의 결합을 제공하며, 그 길이를 따라 비임(21)의 폭을 변경시키며, 그 길이를 따라 비임(21)의 길이를 변형시키며, 그 길이를 따라 비임(21)의 두께를 변형시키며, 구조에 관계없거나 관련해서 비임(21)의 재료적 특성을 변형시키며, 그리고 이들의 소정의 조합을 제공한다.

특정 동작 조건들에서 바람직한 성능을 달성하기 위하여 밸브 시트(22)를 제한되는 것이 아닌 이하의 어느 것으로 변형할 수 있다: 제한되는 것이 아닌 우레탄 또는 피크(peek) 플라스틱과 같은 강 외의 재료를 이용하여 평평한 외의 다른 형상으로 윤곽을 변경하고, 상기 설명한 변경들의 소정의 조합으로 변형할 수 있다.

제한되는 것이 아닌 이하와 같은 대안적인 변형들이 밸브 블록(23)에 대해 이루어질 수 있다: 로커(24)의 세로방향 위치를 조정하며, 실링 구간(26)에 가장 근접한 단부에서 비임(21)의 클램핑 각도를 조정하고, 비임(21)의 단부들에서 클램핑되거나 클램핑되지 않은 고정물의 조합을 제공하고, 비임(21)의 단부들 사이에 길이를 조정하고, 동작 조건들을 기초로 재료 선택을 제공하고, 실린더 헤드를 구성하기 위하여 다른 부품들에 의하여 하나 이상의 밸브 블록(23)의 조합을 제공하며, 종래 실린더 헤드에 의하여 밸브 블록(23)의 부품들을 통합하며, 상기 설명한 어느 하나의 변형들의 조합을 제공한다. 본 발명의 디바이스는 또한 MEMS 디바이스를 포함한 소정 크기의 전기 스위치 또는 유체 회로에서 신속 작동 밸브로서 사용될 수 있다.

도 8A는 비임 이동 제한장치의 일측에서 비임의 구간에서 동작하도록 배치되고 이동 제한장치의 다른 측면에서 비임 상태의 대응하는 변화를 유발하는, 제1 및 제2 전자석(EM1 및 EM2)을 사용하여 형성된 작동 디바이스를 도시한다. 이 예에서 도시된 제어 요소(20)는 도 1-4에 따라 구성될 수 있다. 제1 전자석(EM1)을 통해 전류가 흐를 때, 인접 비임 구간이 작동되고 다른 구간은 신장되고, 이는 밸브 실시예에서는 밸브를 닫도록 동작할 수 있다. 도 8B는 밸브를 개방하기 위하여 제2 전자석(EM2)을 관통하여 전류가 흐르는 도 8A의 작동 디바이스를 도시한다.

도 8C는 비임의 일 구간에서 동작하도록 배치된 유압 또는 공압 펌프(P)와 백(B)을 사용하여 형성된 작동 디바이스를 도시하는 데, 여기서 유압 또는 공압 펌프(P)는 비임의 구간을 이동시키기 위하여 백(B)을 확장 또는 수축시키고 비임의 다른 구간의 대응하는 운동을 발생한다. 도 1-4에 따라 구성될 수 있는, 여기 도시된 제어 요소(20)에서, 작동 메카니즘의 제어 하의 제어 요소(20)의 작동은 밸브를 개폐시키는 것이다.

제1 제어 요소가 제2의 더 큰 제어 요소를 작동시키기 위하여 사용되는 “다링톤 페어(Darlington Pair)"(도시 없음)에서, 압력 챔버는 제1 제어 요소와 제2 제어 요소 사이에 구비되므로, 제1 제어 요소의 작동은 제2 제어 요소를 작동시킨다.

도 8D는 피에조 전기 메카니즘을 이용하여 형성된 작동 장치를 도시한다. 제어 요소(20)의 비임의 작동 구간에는, 예컨대, 비임에 접촉함으로써, 비임에서 동작하도록 배치된 피에조 전기 요소(PZ)가 구비된다. 피에조 요소들이 작동되면, 그들은 굽혀지거나 또는 접촉하거나 또는 팽창되어 비임의 구간을 이동시키고 비임의 다른 구간에 대응하는 변화를 유발하도록 부착된 비임의 구간에 작용한다.

제어 요소(20)는 압축기에서 또는 익스팬더(expander)로서 사용될 수 있으며 제어 요소(20)를 관통하거나 가로질러 일 방향 또는 양 방향으로 가스가 이동하고, 이는 따라서 밸브로서 동작할 것이다. 제어 요소는 또한 하나 이상의 제어 요소들이 흡입 밸브로서 작용하고 하나 이상의 요소들은 배출 밸브들로 작용하는 내연기관에 사용될 수 있다. 이 경우, 양측 제어 요소들이 개방하도록 작동되지 않으면 챔버로부터 유출하는 것을 방지하는 체크 밸브로서 동작할 것이다. 기본적으로, 밸브는 압축 모드에서 수동으로 또는 능동적으로 작용한다. 팽창 모드에서 이전 밸브의 폐쇄 타이밍은 항상 충분히 일르므로 실린더(또는 팽창 장치) 압력은 충분히 감소 또는 증가하여 실린더 압력이 적절한 포트(흡기 또는 배출)와 균등해질 수 있다. 이로써 개방되는 것이 필요한 다음 밸브는 압력차에 대항하지 않고 개방될 수 있다.

비임 부재(21)는 개방 상태에서 유체 흐름을 위한 홀들 또는 슬롯들을 가질 수 있다. 홀들이나 슬롯들은 폐쇄 상태에서 밸브 시트에 대해 밀봉한다.

도 9A 및 9B는 이 예에서는 자기 액튜에이터 단부에 의하여 작동함으로써 전기 회로(EC)를 닫는 전기 커넥터로서의 본 발명 디바이스를 도시하는 간략화된 개략도를 도시한다. 전자석(EM2)을 통하지 않고 전자석(EM1)을 통하여 전류가 흐를 때, 전기 회로(EC)는 개방된다. 전자석(EM1)을 통해서가 아니라 제2 전자석(EM2)을 통해 전류가 흐를 때, 전기 회로가 닫혀진다.

도 10에 도시된 바와 같이, 피에조 세라믹은 또한 회로를 닫기 위한 스위치 또는 다른 전기 커넥터로서 사용될 때 제어 요소(20)를 작동시키도록 사용될 수 있다. MEMS 스위치들과 흐름 제어밸브들이 또한 이 원리에 따라 제조될 수 있다.

제어 요소(20)는 익스팬더로서 또한 작용할 수 있는 가역 압축기에서 제어될 수 있다. 이 실시예에서, 개시된 제어 요소(20)는 닫힐 때 리드 밸브와 기능이 유사한 체크밸브로서 작용할 수 있다. 그러나, 리드 밸브와 달리, 제어 요소(20)는 개방 위치에 유지되어 제한되는 것이 아닌, 익스팬더로 사용될 때, 밸브를 통해 복귀하여 흐를 수 있도록 허용하는 개방 위치에 유지될 수 있다. 개방 밸브를 통한 복귀 흐름 동안, 비교적 작은 힘이 밸브 단부에서 좌굴 상태로 비임 부재를 유지하기 위하여 3개의 작동 단부에서 필요로 된다. 전환되는 작동 단부는 좌굴된 상태에 있는 단부에 대해 기계적인 이점을 가지기 때문이다. 이로써 밸브는 복귀 흐름 동안 그리고 비임의 액튜에이터 단부에서 비교적 작은 힘으로 높은 흐름 속도에서 개방 유지될 수 있다. 피스톤 익스팬더의 구동/흡기 스트로크의 단부에 제한되는 것이 아닌 복귀 흐름 동안, 폐쇄 상태가 요구될 때, 개방 밸브를 관통하는 가스 복귀 흐름의 공기 동력은 비임 부재에 작용하여 전자석이 정지되거나 및/또는 전자석이 가동될 때 높은 속도에서 닫히도록 작용할 것이다.

좌굴된 비임 디자인이 사용될 수 있는 다른 실시예들은 이하와 같은 제한되는 것이 아닌 유형의 신속 작용 장치로 구성될 수 있다: 전기 또는 기계적인 트리거, 고압 스위치들, 기계적인 MEMS 어플리케이션들, 계량 장치, 질량흐름 측정밸브, 질량흐름 콘트롤러, PWM 노즐, 및 감지 어플리케이션들.

제한되는 것이 아닌 자동차, 항공기, 우주선, 동력발생 머신, 에너지 저장 시스템, 상업 생산물, 소비자 제품 및 고속 및/또는 경량 작동이 필요한 용도들을 포함한다.

리드 밸브 동작 개요의 예시적인 개요 :

도 11A-11D 및 도 12A-12F에 도시된 것은, 익스팬더로서 가역적으로 또한 동작될 수 있는 가스 압축기에 본 발명의 디바이스가 적용될 수 있는 비제한적인 예이다. 이 예에서, 배출 압력은 2900psi로 도시된다. 캠 구동 밸브 시스템과 달리, 제어 요소(20)에 의하여 피스톤 압축기 및/또는 익스팬더와 같은 변위 장치가 압축기 모드 또는 익스팬더 모드로서 작동될 수 있으며 어느 방향으로든 진행하는 피스톤과 크랭크샤프트(또는 다른 피스톤 작동 방법)에 의하여 동작할 수 있다. 제어 요소(20)는 또한 바운스 피스톤 엔진 또는 압축기 또는 익스팬더 또는 회전형 압축기 또는 익스팬더와 같은 다른 압축기 또는 익스팬더 장치에 사용될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예는 많은 고려할 수 있는 그리고 예측되는 구조 및 용도들의 비제한적인 예로서 주어진다. 이 비제한적인 예에서 도시된 바와 같은 전자석 외의 작동 수단이 또한 사용될 수 있다.

도 11A-12D 및 12A-12F에서, LP는 저압을 의미하고 HP는 고압을 의미한다. 피스톤의 점선(L)은 가동 단계에서 피스톤의 시작 위치를 도시한다. 경계선들은 흡입 및 배출 챔버(다양하게, LP 및 HP 챔버들은 흡입 및 배출 챔버들이다). HP와 LP 챔버들과 실린더 사이의 포트들에서 화살표의 길이는 HP 및 LP 챔버들과 실린더 사이에서의 상대 압력을 나타낸다.

자석(M1, M2, M3 및 M4)들의 화살표들은 각각의 자석 사이의 상대적인 자기력을 표시한다. 자석(M1 및 M2)들 둘레의 경계는 실린더 용적에 연결/통기될 수 있다. 대신해서, 자석(M1 및 M2)들을 내장하는 챔버는 실린더 용적으로부터 실링될 수 있다. 이는 LP 밸브의 좌굴 부재와 피봇 부재 둘레에 시일을 필요로 한다. 자석(M3 및 M4)들 둘레의 경계는 실린더 용적으로부터 밀봉된 HP 챔버 내에 위치된다.

자기력 화살표의 길이는 다양한 위상에서의 필요한 힘을 표시하는 것을 유의하자. 구체적으로, 작동 위상을 시작하기 위하여 필요한 자기력은 통상적으로(반드시는 아님) 비임 부재를 해당 위치에 유지하기 위하여 필요한 자기력보다 더 크다.

도 11A-11D는 본 발명의 장치의 가스 압축기 모드에서 사용됨에 따른 동작 시퀀스의 비제한적인 예를 도시하고, 이하의 표는 단계(a, b, c, 및 d)들을 설명한다:

단계(a)는 상사점(TDC)근처에서 시작하고 도시와 같이 하사점(BTC)근처로 진행하는 흡기 위상을 도시한다.

단계(b)는 하사점 근처에서 흡기 밸브가 닫히는 상황을 도시한다.

단계(c)는 하사점 근처에서 시작하고 상사점 근처에서 종료하는 압축 위상을 도시한다.

단계(d)는 근처에서 실린더와 배출포트 압력이 균등해지는 상사점 근처에서 시작하고 상사점 근처에서 종료하는 배출 위상을 도시한다.

도 12A-12F는 가스-구동 모터 또는 익스팬더 모드에서 사용될 수 있었던 동일한 밸브 구조를 도시하고, 이하의 표는 단계(af)들을 도시한다:

단계(A)에서, HP 밸브는 TDC에서 또는 근처에서 그리고 바람직하게 전에 개방한다. 실린더 압력은 바람직하게 TDC 바로 전에 HP 소스 압력에 도달한다(배출 위상(Er) 동안 정확한 위치에서 LP 배출 밸브를 폐쇄한 결과로서 실린더 압력은 TDC에서 HP 유입 압력보다 다소 높게 상승함). 이로써 HP 밸브는 고압 흡기포트의 후방 압력에 대해 개방될 필요가 없는 상황이 발생하는 데, 밸브 양측의 압력이 균등화되거나 밸브의 실린더 측에서 다소 높아지기 때문이다. 이로써 작은 양의 가스가 실린더로부터 TDC 전에 HP 입력 포트 내로 배출된다. 발명자에 의하여 이것은 실린더 압력이 HP 유입 포트 압력에 도달하지 않는 람직하게 생각되는 데, 이로써 유입 밸브가 개방되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.

단계 B에서, 팽창 동안 유입 밸브의 닫힘 상황이 도시된다. 제어 요소(20)의 고속 특징은 중대한 이점을 가지는 데, 이 경우 특히 밸브가 더욱 신속하게 닫힐수록, 밸브 닫힘 동안의 교축 손실이 더 작아지기 때문이다. 이러한 밸브 폐쇄의 타이밍은 공정 조건들을 기초로 CPU에 의하여 결정되므로, 잔존 피스톤은 BDC로 또는 바로 전까지 이동하고, BDC는 단계(C)에서 설명된 바와 같이 BDC에서 또는 바람직하게 바로 전에 배출포트 압력 아래로 하강하기에 충분하다.

단계(C)에서, HP 밸브 폐쇄 이벤트(B)에서 BDC에서 또는 근처로 팽창하는 것이 도시된다. 단계(D)는 배출 위상을 도시한다.

단계(E)는 LP 밸브 폐쇄 위상을 도시한다. 본 발명 디바이스의 고속 특징은 이 경우 배출 위상 동안 배출 밸브가 더욱 신속하게 닫힐수록 밸브 폐쇄 동안의 교축 손실은 더 작아지기 때문에 이것은 중대한 이점을 가진다. 이러한 밸브 폐쇄의 타이밍은 공정 상태에 따라 CPU에 의하여 결정되므로 잔여 피스톤은 TDC로, 또는 바로 전으로 이동하고, TDC는 단계(A)에서 설명된 바와 같이, TDC에서 또는 바람직하게 다소 전에 흡입 포트 압력 약간 위로 또는 흡입 포트 압력으로 실린더 압력이 상승할 수 있다.

좌굴된 부재는 영구자석 및/또는 거기에 부착된 연성 자석 재료를 가질 수 있으므로 전자석의 자기적인 인력 및/또는 척력을 증가시킬 수 있다.

밸브는 다양한 제어 시퀀스 및 밸브 타이밍 전략에 의하여 가스 또는 액체에 의하여 사용될 수 있으며, 그의 일부가 비제한적인 예들로서 여기 기재된다.

스피노달 청동은 피봇 및/또는 로커 베어링 및/또는 로커 베어링에 대향하는 평탄한 슬라이딩면에 바람직한 재료이다. 많은 다음 재료들이 또한 다른 용도들에 사용될 수 있다.

도 13 도시의 본 발명 디바이스의 간략화된 개략적인 비제한적인 예시적인 실시예는 압축기의 배출 밸브로서 구성된다. 이러한 구조는 또한 익스팬더의 유입 밸브로서 사용될 수 있다. 저압 소스로부터의 유입 밸브는 또한 간략화를 위하여 도 13-19에 도시되지 않았지만 압축기 용도에서 필요로 된다.

도 13을 참조하면, 하우징(131)은 일 단부(133)에서 좌굴 밸브 부재(12)의 단부를 유지하기 위한 수단, 및 이 부재를 작동 단부(134)에서 선회하도록 구동하는 수단을 포함한다. 도 14는 로커 요소(135)가 부재(132)의 작동 단부(136)를 밸브/흐름 제어단부(137)로부터 분리시키는 방식을 도시한다. 이러한 비제한적인 예에서의 로커 요소(135)는 롤링 원통 베어링으로 구성되나, 로커(135)에 접하는 좌굴 부재(132)를 길이방향으로 운동시키면서 샤프트 위의 고정 롤러 베어링 또는 로커(135)에 접하는 영역에서 부재(132)의 제어된 높이를 유지하기 위한 많은 다른 고려할 수 있는 방법들 또는 굴곡부(flexure)를 포함하는 소정의 구조일 수 있다.

이러한 비제한적인 예는 10" 길이와 1" 폭 및 0.04" 두께를 가진 좌굴 부재(132)를 사용한다. 좌굴 부재(132)의 흐름제어 단부(136)의 수직 편향은 부재(132) 재료의 가요성과 제한적이 아닌 흐름 속도와 같은 다른 시스템 요건들에 따라 0.001“정도 부터 개방된 때의 0.5”까지 일 수 있다. 매우 큰 사이클 수를 허용하는 이 장치의 고속 작동에 기인해서, 부재(132)에 대한 굽힘 응력은 바람직하게 재료의 피로 강도 이하로 유지된다. 유사한 밸브 구조의 모형은 밀리초보다 작은 폐쇄 속도를 나타내었다.

전자석(140, 141)은 밸브(130)의 작동 단부(136)에서 좌굴 부재(132) 위아래에서 하우징에 고정된다. 전자석 또는 다른 작동 수단은 또한 밸브(137)의 흐름 단부에서 부재(132)에 위치되거나 부재에 작용할 수 있다(상기 작동 부재들은 여기 도시되지 않는다).

도 15에서, 제한되는 것이 아닌 스피노달 청동과 같은 재료로 제조된 낮은 마모의 바람직하게 낮은 마찰의 인서트(138)가 로킹부재 베어링(135)에 대향하는 부재(132) 하면에 인접해서 위치된다. 로킹 부재(135)와 인서트(138)의 목적은 이 영역에서의 부재(132)의 바람직하지 않은 수직 운동을 허용하지 않고, 이 영역에서의 부재(132)를 길이방향으로 이동시키는 것이다. 롤링 베어링 요소가 부재(135)에 대해 사용될 때, 길이방향 이동 제한면(139)이 바람직하게 정해진 최대 길이방향 변위 내에 요소(135)를 위치시키기 위하여 사용된다.

도 16에는 부재(132)에 길이방향 예비하중을 조정하기 위한 수단이 도시된다. 많은 다른 조정 방법들이 발명자에 의하여 고려되고 예측된다. 이러한 비제한적인 예에서, 하우징(131)과 고정된 피봇 부재(143) 사이에 웨지 형상 부재(141)가 설치된다. 볼트(142)와 웨지(wedge) 부재(141)가 조정된 때, 웨지부재(141)는 나사식 볼트(142)(나사들은 도시 생략)에 의하여 수직으로 조정되어 고정된 피봇 부재(143)를 조정 동안 좌굴 부재(132)의 길이방향 축을 따라 수평으로 이동시킨다. 일단 조정되면, 고정된 피봇 부재(143)는 고정 유지된다.

좌굴 부재(132)는 조정 블록에 직접 접촉할 수 있거나(여기 도시되지 않음), 또는 바람직하게 여기서 부재(132)의 단부보다 더 큰 접촉 면적으로 도시된 바와 같이, 롤링 접촉 부재(144)는 롤링 접촉 영역의 접촉 압력을 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 롤링 접촉부재(144)는 좌굴 부재(132)의 단부용 수용 슬롯(145)을 가지며 또한 바람직하게 치합 결합 구조(146)를 갖는 롤링 접촉면을 가지며 이로써 고정된 롤링 접촉 피봇부재(143 및 144)들 사이의 수직 롤링 접촉을 허용하나 고정된 피봇 부재(143)에 대해 롤링접촉 피봇부재(144)의 수직 슬라이딩을 방지한다. 부재(143 및 144) 위의 가공된 톱니(146)들은 소정의 적절한 톱니 프로파일일 수 있으며 바람직하게 충분히 작아서 부재(132)의 작동 동안 유연하게 롤링 접촉할 수 있다. 조립 동안 톱니(146)들이 정확하게 수직으로 정렬하도록 고정된 피봇부재(143) 위의 돌출면(147)에 의하여 롤링 접촉부재(143) 위의 톱니(146)가 확실히 정확하게 부재(143) 위의 톱니(146)에 결합한다. 롤링접촉부재 위의 축소된 반경 영역(148)에 의하여 롤링 접촉부재의 수직 롤링 변위가 가능하나, 단지 바른 톱니가 조립 동안 완전히 결합된 후이다. 도 17은 부재(132)의 작동 단부(136)가 동작 동안 고정된 때 축소된 반경거리 영역(148)과 돌출부(147)가 서로로부터 분리되는 방식을 도시한다.

도 18 도시와 같이, 부재(132)의 밸브 단부(137)가 부재(132)의 작동 단부(136)의 전환/펼처짐에 기인하여 좌굴된 때, 밸브(130)는 개방 위치에 있다. 이로써 가스 또는 유체는 실린더(150)의 배출 포트(149)/들을 통해 위로 유동할 수 있고 화살표(152)로 도시한 바와 같이 고압 배출 공동(151) 내로 횡방향으로 유동할 수 있다.

하부 전자석(153)(또는 좌굴 부재의 작동 단부를 평탄화하는 좌굴 부재의 상부 및/또는 바닥 및/또는 측면의 다른 작동 수단)을 가동하면 여기 도시된 바와 같은 실린더(150) 위의 개방 위치에 좌굴 부재(132)의 흐름제어 단부(137)를 유지한다. 이와 같이 전자석(153)(또는 다른 작동 수단)을 가동하면, 또한 제한되는 것이 아닌, 밸브(130)가 가스 익스팬더 또는 유압 모터를 구동하기 위하여 사용될 때와 같이, 유체 또는 가스의 복귀 흐름에 대해 좌굴 부재(132)를 밸브 단부(137) 위에 이러한 개방 위치에 유지할 수 있다. 비제한적인 예로서, 압축기 또는 익스팬더로서의 피스톤과 같이 밸브(130)가 사용될 때, 피스톤(154)은 배출/유입 포트(149)에서 일정 비율의 용적을 취하는 돌출부(155)를 가지는 것이 바람직하다. 이는 상사점에서 가스 용적을 감소시킴으로써 피스톤(154)과 실린더(150)의 압축 및/또는 팽창 비율을 증가시키기 위한 것이다.

도 19 도시와 같이, 하부 전자석(153)이 정지되고 상부 전자석(156)(또는 좌굴 부재(132)의 작동 단부(136)를 굽히고 좌굴되게 하는 좌굴 부재의 상부 및/또는 바닥 및/또는 측면의 다른 작동 수단)이 가동되면, 밸브(130)의 흐름제어 단부(137)가 닫혀질 것이다.

이로써 좌굴 부재(132)가 포트(149)를 에워싸는 밀봉 구간(157)을 생성한다. 배출 포트(151)의 유체 압력은 밸브(130)가 닫혀지고 실린더(150)의 압력이 포트(151)의 압력보다 낮을 때 유체-기밀 밀봉에 필요한 접촉 압력을 제공한다. 이러한 실링 작용은 수동적인 리드 밸브와 유사하다.

본 발명 디바이스의 중대한 이점은, 필요할 때, 좌굴 부재(132)가 개방 유지될 수 있으므로, 제한되는 것이 아닌 본 발명 디바이스가 실린더 또는 익스팬더 또는 유압 모터와 같이, 본 발명 디바이스가 사용될 때로 제한되는 것이 아닌, 다른 장치 내로의 유체 흐름을 제어하도록 사용될 때와 같이, 포트(151)로부터 실린더(150) 내로 복귀하여 흐르도록 개방 유지될 수 있는 것이다.

유의할 점은, 압축기에 제한되는 것이 아닌 그러한 실시예들의 경우, 본 디바이스 밸브들의 둘이 바람직하게 실린더마다 사용된다. 하나는 도 13-19와 유사하게 구성될 것이다. 다른 하나는 바람직하게 도 11과 12 도시에서 설명된 바와 같은 밸브 타이밍 시퀀스로 역전될 것이므로, 실린더로부터 멀어지기보다 실린더(150) 내로 개방된다. 이로써 실린더(150)로부터의 배출 흐름과 같이 실린더(150)로의 유입 흐름을 제어하기 위하여 두 개의 밸브(130)들의 조합이 사용될 것이다.

유체 흐름에 의하여 미치는 힘이 밸브를 개방하고 및/또는 폐쇄하기 위하여 흐름 단부(137)에 힘을 제공하기에 충분한 일부 실시예들에서의 체크 밸브와 같이 본 발명 디바이스는 수동으로 동작될 수 있다. 본 발명의 디바이스가 덜 치밀한 압축성 유체보다 비압축성 유체에 의하여 사용될 때 이것은 더욱 효과적으로 생각된다. 이러한 수동 동작 모드는 결합하여 사용될 수 있고 능동 제어와 같이 수회 사용될 수 있다. 능동 모드에서 밸브를 동작시키기 위한 많은 생각할 수 있는 방식들이 있다.

도 19에는 제한되는 것이 아닌 와류 센서 또는 초음파 센서 또는 광학 센서와 같은 밸브 위치센서(159) 또는 피스톤 위치센서(160)로부터 CPU(158)가 입력을 수신하는 비제한적인 예가 도시된다. CPU(158)는 하나 이상의 밸브들에 대해 정확한 개방 및 폐쇄 시간을 결정하고 제한되는 것이 아닌 도 11과 12에 설명된 바와 같은 정해진 밸브 타이밍 시퀀스에 따라 적절한 밸브 작동 타이밍을 제어하기 위하여 적절한 시간에서 전자석(153 및 156)들을 구동하거나 정지시키기 위하여 밸브 드라이버(161)에게 제어 신호를 전송한다. 단부가 변위되거나 및/또는 고정되지 않은 때 잠금을 방지하기 위하여 좌굴 부재들에 다소 사전-굽힘부가 구비될 수 있다.

개시된 제어 요소(20)에 의하여 전자석들, 유압, 공압, 피에조-전기, 또는 다른 작동 방법을 사용하여 밸브의 작동을 능동적으로 제어할 수 있다.

개시된 제어 요소(20)는 능동 또는 수동 제어를 이용하여 유체의 전방 및/또는 역전 흐름이 필요한 시스템에서 압축기, 익스팬더, 또는 모두의 설정에서 동작할 수 있으며, 내연 또는 외연 기관에서 사용할 수 있다.

일부 실시예들에서, 횡방향 운동 제한장치의 어느 하나의 측면의 비임의 양측 구간들이 작동될 수 있다. 특허청구범위에서의 "구간들의 어느 하나(one of the sections)"를 참조하면, 이러한 가능성을 배제하지 않는다. 이와 같이, 밸브의 경우, 제어 단부의 작동에 부가해서 또는 작동 없이 밸브의 밀봉된 단부를 직접 작동시킬 수 있다.

일부 실시예들에서, 횡방향 운동 제한장치 또는 로커 메카니즘의 어느 일측 위의, 비임의 양 단부들은 동일하거나 다른 흐름 회로의 흐름제어 밸브로서 작용할 수 있다.

20: 제어 요소, 21: 비임 부재